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第8章精密加工与特种加工作业

1．什么是精密加工？什么是超精密加工？精密加工和超精密加工的特点是什么？
答：精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。精密加工与超精密加工是相对而言，精密加工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技的进步，精密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。
特点：（1）“进化”加工。对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。（2）加工设备精度高。加工设备的几何精度向亚微米级靠近。（3）切削的切深很小。切深可能小于工件材料的晶粒尺寸。（4）精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净对环境提出的三个方面的要求。（5）工件材料必须具有均匀性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。（6）精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的测量技术，就无法判断被加工件的精度。

2．为实现精密与超精密加工，精密机床应该考虑哪些因素？
答：（1）关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。（2）精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净对环境提出的三个方面的要求。（3）精密加工和超精密加工机床中广泛采用精密光栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量元件。

3．简述金刚石精密切削的机理。金刚石精密切削有哪些应用？
答：金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在0．1μm以下，切削常在晶粒内进行，要求切削力大于原子、分子间的结合力，剪切应力高达13000MPa。由于切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层，因而可获得高的加工精度。
目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金片基，表面粗糙度Ra可达0．003μm，平面度可达0．2μm。切削铁金属时，由于碳元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工质量。
4．何谓固结磨料加工？何谓游离磨料加工？它们各有何特点？适用于什么场合？
答：（1）固结磨料加工：将磨粒或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。用这些磨具所进行的加工称为固结磨料加工。一般使用于硬、脆材料的精密与超精密加工。
（2）游离磨料加工：在加工时，磨粒或微粉不是固结在一起，而是成游离状态，其传统加工方法是研磨和抛光。可用于各种材料的超精密加工。

5．精密与超精密磨削能获得高精度和低表面粗糙度值表面的主要原因是什么？
答：（1）机床的精度高。加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采用液体静压或空气静压元件。定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。（2）精密和超精密加工是微量、超微量去切除加工。其去除的余量可能与工件所要求的精度数量级相当，甚至于小于公差要求。（3）精密加工和超精密加工环境要求高，一般要求恒温、恒湿、净化和抗振。

6．试从系统工程的角度来分析精密与超精密磨削能达到高质量的原因。
答：精密和超精密磨削是一个系统工程。精密和超精密磨床是超精密磨削的关键，目前超精密磨床精度已达亚微米级。精密与超精密磨削质量与机床精度、环境、工艺系统各因素有关，而各因素之间相互关联。超精密磨削需要一个稳定的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性要求，并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰能力，有了高稳定性，才能保证加工质量的要求。目前超精密机床处于恒温、恒湿、净化和抗振的环境中，其工艺系统更加稳定，精密与超精密磨削能达到很高的质量。

7．试述研磨与抛光的机理与特点。
答：研磨加工，通常使用1μm及其以下大小的氧化铝和碳化硅等磨粒及铸铁等硬质材料的研具进行研磨。研磨时磨粒存在三种工作状态：磨粒在工件与研具之间进行转动；由研具面支承磨粒研磨加工；由工件支承磨粒研磨加工面。但是在实际工作时，由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法的研磨表面状态也不同。由于工件材料及质量的不同，研磨面状态也各不相同。研磨硬脆材料时，磨粒不是作用于镜面而是作用在有凸凹和裂纹等处的表面上，并产生磨屑。塑性材料（如金属材料）的研磨机理与脆性材料的研磨机理有很大不同。研磨时，磨粒的研磨作用可看作是相当于普通切削和磨削的切削深度极小时的状态。但是，由于是使用游离状态的磨粒，难以形成连续的切削，可以推测，通过转动和加压，磨粒与工件间仅是断续的切削动作，这与磨屑的产生是一致的。
抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是，抛光使用的磨粒是1μm以下甚至几纳米的微细磨粒，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂、聚安脂和人造革等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。抛光的加工机理是：（1）由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切屑。（2）借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。（3）在加工液中进行化学性溶析。（4)工件和磨粒之间有直接的化学反应而有助于上述现象。

8．简述常用的几种特种加工的原理、特点及应用场合。
答：
（1）电火花加工：脉冲发生器将一脉冲电能量在电极间隙瞬时释放出，达到很高的电流密度（106～109A/cm2），产生很高的温度（10000~20000℃），成细小的颗粒，在电极表面形成一个小凹坑。当一个脉冲能量放完后，电极间恢复绝缘状态，下一个脉冲来到时又重复这个过程。将一个电极作为工具，另一个电极作为工件，可使工具电极的轮廓形状复印在工件上。整个工件的加工表面是由无数个微小的凹坑组成，提高电流幅值、加大脉冲宽度虽可提高生产率，但可使表面粗糙度值增大，加工精度降低。
加工特点及应用：加工速度慢、加工速度与表面质量矛盾十分明显，但电火花加工不产生切削力引起的残余应力或变形，可用于各种导电材料型腔面和小孔、薄壁孔及曲线孔的加工，尤其适于加工模具及难加工材料。目前常用于穿孔加工、三维型腔加工和线切割加工等。
(2) 电解加工：是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理将工件加工成形，加工时，按照预定的形状制成工具电极（-），与工件电极（+）保持一定的间隙（0.02～0.7mm），中间通过高速流动的电解液。工具和工件间在低电压（5～25V）、大电流（100A/cm2）的作用下，使工件（阳极）的金属逐渐电解，其产生物被及时冲走。加工过程中，间隙小的地方电流密度大，阳极溶解速度快。当工具电极不断进给，工件表面以不同的速度溶解，其形状逐渐接近工具的形状，直至工具的形状复制在工件上。
加工特点及应用：电解加工可加工各种金属材料，一次进给直接成形，生产率较高，加工表面不会产生残余应力和变形，工具阴极在加工过程中基本无损耗；但加工精度不高且难以控制，电解液对设备有腐蚀作用。电解加工主要用于各种模具的型腔和各种型孔及难加工材料的加工。
（3）激光加工原理：是利用激光的相干性、单色性、方向性好和能量密度高的特点，通过光学系统，将激光聚焦成直径仅几微米的光斑，可获得极高的能量密度（105～107kW/cm2）和极高的温度（10000℃以上）。激光加工时，工件表面吸收光能并转化为热能，使照射的局部区域温度迅速升高，材料熔化至汽化，形成小坑。由于热扩散和光的继续吸收，使小坑中的材料气体迅速膨胀，熔融物质高速喷射出来，产生一个方向性很强的反冲击波，工件材料在高温熔融和冲击波作用下可被打出小孔整个过程仅需千分之几秒甚至更短的时间。
加工特点及应用：激光可加工金属及非金属材料，加工效率高，切缝窄，因此工件热变形小，易于保证加工精度；由于属非接触性加工，没有切削力，可用于薄板类零件的高精加工；能通过透明介质，对隔离室内零件进行加工；节能、环保，易于实现加工自动化。激光在机械加工中主要用于打孔和切割。
（4）电子束加工原理：电子束加工是在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转化为热能，使局部材料瞬时熔融，气化蒸发而除去。
加工特点及应用：电子束加工的能量密度高，压力微小，污染少，易于实现自动化控制。电子束加工按功率密度和能量注入时间不同，可分别用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和光刻等；能加工超硬、难熔的金属和非金属材料，打孔的最小直径可达0.003mm。
（5）离子束加工原理
离子束加工原理与电子束类似，即在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚集后投射到工件表面的加工部位。但离子带正电荷，其质量比电子大数千至数万倍（例如最小的氢离子质量是电子质量的1840倍，而氩离子的质量是电子的7.2万倍）。离子束是靠微观的机械撞击能量而不是靠动能转化为热能加工的。离子束加工包括离子刻蚀、离子溅射、离子镀和离子注入等 。
加工特点及应用：离子刻蚀是用一定能量的氩离子轰击工件，将加工部位的原子逐个剥离。离子束加工精度高，一般加工误差可以控制在5毫微米以下（几到十几个原子厚度），变形小，污染小，常用于半导体和光栅的刻蚀加工。
（6）超声波加工原理：超声波加工是使工具作超声振动，并沿工具头振动方向施加一定压力，通过液体磨料来加工工件材料。超声波发生器产生16000～30000Hz的高频电流，通过磁致伸缩换能器转为相同频率的机械振动，振幅为1～5μm，经过振幅扩大棒（变幅杆）使其扩大10～20倍。从而通过与其相连接的工具使液体分子及混在其中的固体磨粒得到极高的瞬时速度和加速度，撞击和抛磨工件表面，使加工区域的材料成为微粒被撞击下来。
加工特点及应用：超声波适用于脆性材料的加工，不仅可加工硬质合金、淬火钢等，还可加工玻璃、陶瓷、半导体材料等。加工时工件只承受撞击力，加工表面不产生组织改变，不仅加工精度高（尺寸精度可达0.01～0.02mm,Ra可达0.63～0.08μm），而且可使用不同的端部形状工具和不同的运动方法进行各种微细加工。超声加工适合用于各种复杂的型孔、型腔、成形表面的加工，也可用于切割、雕刻、研磨以及薄板、薄壁零件等加工。