第8章 机械零件的 精密加工与特种加工

教学目标

通过本章的学习，使读者了解这些 加工方法的特点、应用范围，掌握其加 工原理、加工设备及加工工艺。

8.1精密与超精密加工

8.1.1

概述 1. 精密与超精密加工的范畴

(1) 一般加工。

指加工精度在10 µm左右，相当于 公差等级IT5～IT7，表面粗糙度Ra值0.2 µm～0.8

µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、铰等工艺方法。 适用于汽车、机床等一般机械制造行业。

(2) 精密加工。加工精度在10 µm～0.1 µm，公差 等级在IT5以上，表面粗糙度

R

a值在0.1 µm以下的 加工方法，如精密车削、精密磨削、研磨、珩磨、 抛光等。 (3) 超精密加工。指加工精度在0.1 µm～0.01 µm， 表面粗糙度

R

a值在0.05 µm～0.03 µm的加工方法 (或称为亚微米级加工)，而加工精度高于0.01 µm， 表面粗糙度Ra值小于0.005 µm，被认为是纳米级 加工范围，它是当前超精密加工技术研究的主要 目标。超精密加工多用于精密元件制造，是标志 一个国家制造工业水平的重要指标之一。

2. 常用精密与超精密加工方法 精密与超精密加工主要分为两类： 一是采用金刚石刀具对工件进行超精密的微 细切削和应用磨料磨具对工件进行珩磨、研磨、 抛光、精密和超精密磨削等； 二是采用激光加工、微波加工、等离子加工、 超声波加工、光刻等特种加工方法。另外，现在 经常提及的微细加工是指制造微小尺寸零件的生 产加工技术，是超精密加工的一个分支。

3. 影响精密和超精密加工的主要因素

8.1.2 金刚石刀具的超精密切削 1. 金刚石刀具及其刃磨

金刚石刀具是将金刚石刀头用机械夹紧或 黏结方式固定在刀体上所构成的。金刚石刀具 的刃磨可采用320号天然金刚石粉与L-ANl5全损 耗系统用油配制的研磨剂，在高磷铸铁盘上进 行 。

2. 超精密机床及其结构

总体布局 超精密机 床的特点 主轴部件 床身导轨 进给系统 主轴箱带动工件做Z向(即铅垂 方向)运动，刀架溜板做X向 (即水平方向)运动 绝大多数超精密机床都采用空 气轴承主轴部件少数大型超精 密机床采用液体静压轴承主轴 部件 超精密机床的床身和导轨多采 用热膨胀系数低、阻尼特性好、 尺寸稳定的花岗岩制造。导轨 的形式有压力润滑的V

—

平面 导轨、液体静压导轨、气浮和 气静压导轨 通常采用直流或交流伺服电动 机通过精密丝杠带动导轨上的 运动件。

3. 超精密切削的应用

金刚石超精密切削主要用于铝、铜 及其合金的加工，如加工高密度硬磁盘 的铝合金片基，平面度达0.2

µ

m，表面 粗糙度达Ra值0.003

µ

m。

8.1.3 光整加工

光整加工是生产中常用的精密加工方 法，通常是在精车、精铣、精铰和精磨的 基础上进行的加工，它可以获得比普通加 工更高的精度和更小的表面粗糙度，常用 的光整加工方法有研磨、珩磨和超精加工 等。

8.2 精密与超精密加工

8.2.1 概述

1. 特种加工的产生及特点

特种加工是随着生产和科学的发展，新材料、新 结构的不断出现，对某些特殊要求也越来越高，对机 械制造部门提出了新的要求，切削加工方法面临严峻 的挑战的形势下产生的。特种加工(Non-Traditional Machining，简称NTM)，国外称作非传统加工或非常规 机械加工(Non-Conventional Machining，简称NCM)。

特种加工的产生及特点 (1) 主要用机械能以外的其他能量(如电、 化学、光、声、热能等)去除工件毛坯上多 余的材料。 (2) 工具的硬度可以低于被加工材料的硬 度。 (3) 加工中工件和所用的工具不受显著的 切削力的作用。

2. 特种加工的分类

8.2.2电火花及线切割加工

电火花加工(Electrical Discharge Mach ining，简称EDM) 又称电腐蚀加工、放电加工， 是在一定的介质中，通过工具电极和工件电极 之间脉冲放电产生的瞬时高温将电极对表面材 料蚀除下来，对工件进行加工的方法。

1. 电火花加工 电火花加工是基于工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现 象蚀除多余金属，对零件进行加工的。如图所示，脉冲电源2的两个输出 端分别接工件电极1和工具电极4，自动进给调节装置3使二者之间保持预 定的放电间隙。加工时，两极间加上适当的脉冲电压。由于工具和工件的 表面不是绝对光滑，而是呈微观的凹凸不平状，故二者表面上各点之间的 实际间隙是大小不等的。当脉冲电压升高时，使实际间隙最小处或绝缘强 度最低处被击穿，在该局部产生火花放电。在微小的区域内由放电产生的 瞬间高温使工件和工具表面的材料产生程度不同的熔化和汽化现象。与此 同时，放电处的绝缘液体也被局部加热，迅速汽化，体积膨胀，随之产生 很高的压力，将已经熔化、汽化的材料从工件和工具的表面蚀除掉，在二 者的表面形成一微小的凹坑。

电火花加工的特点

无显著切削力，适合于具有小孔、薄壁、窄槽以及各种复 杂形状的型孔、型腔和曲线孔等几何表面和低刚度结构的 零件加工和精密微细加工。 脉冲放电时间短，工件表面受热影响很小，不会产生热变 形，很适合加工热敏性材料。 脉冲参数可以任意调节，可以在同一台机床上通过改变电 参数，连续进行粗、半精和精加工；便于实现自动控制和 加工的自动化。 加工速度慢，而且加工速度与表面质量之间矛盾突出，工 具电极存在损耗，大多集中于底部和角部，影响成形精度， 最小角部半径受到限制。

电火花加工的应用  电火花穿孔加工。 一般指贯通的二维型孔加工，是电火花加 工中应用最广的一种。常用来加工型孔(圆孔、方孔、多边 形孔、异形孔)、曲线孔(弯孔、螺旋孔)、小孔、微孔等。  电火花加工型腔。 一般指三维型腔和型面的加工。  由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点， 因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械(特别是 模具制造)、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪 器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复 杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小轴、 孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。

2.

电火花线切割加工 电火花线切割加工(Wire Cut EDM，简称WEDM) 又称“线切割”，它是通过线状工具电极与工件间 规定的相对运动，把工件切割成形，加工时线状工 具电极沿自身方向做往复或单向运行，如图所示。 它利用一根做正反向交替运动的细金属丝作工具电 极，在线电极与工件间通以脉冲电流并浇以工作液 介质，线电极一边卷绕一边与工件之间发生火花放 电，使工件产生电蚀而进行切割加工。目前线切割 机床普遍采用计算机数字控制 (CNC)装置。

线切割工艺特点 无须特定形状的工具电极，降低、节约了生产成本及准备 工时。 加工表面的几何轮廓是由CNC装置控制，可切割复杂表面。 可加工细微的几何形状，切缝及内角半径都很小。 总蚀除量少，余料可利用，材料利用率高，对加工贵重金 属有着重要意义。 在同样的电参数下，比穿孔加工生产效率高，自动化程度 高，操作使用方便。 线切割的缺点是不能加工盲孔类零件表面和阶梯成形(立体 成形)表面。

线切割的应用 电火花线切割的应用十分广泛，已经显示出 越来越重要的作用。如加工各种硬质合金和淬硬 钢的冲模、拉丝模、冷拔模、弯曲模、挤压模等， 加工带锥度型腔的电极、微细复杂形状的电极和 各种样板、成形刀具等，加工各种形状复杂的零 件、直纹曲面、窄缝和栅网等，加工各种稀有、 贵重金属和难加工材料，它还可将许多同样零件 叠加起来加工，并获得一致的尺寸。

1-工件倾斜、数控回转线 切割加工的双曲面零件 2-数控三轴联动加分度线切 割加工扭转四方锥台 3-数控往复移动加转动线切割 加工正弦曲面 4-数控移动加转动线切割加 工窄螺旋槽

5-数控二轴联动加 分度线切割加工宝塔 6-数控移动加转动线 切割加工螺旋曲面

8.2.3 激光加工 激光加工 (Laser Beam Machining ，简称 LBM) 是利用光能量进行加工的一种方法。可以用于打 孔，切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及 激光存贮等各个领域；不需要加工工具，加工速 度快、表面变形小，可以加工硬、脆、软、韧、 难熔的金属和非金属等各种材料。目前已发展到 大尺寸和厚材料的加工，其应用范围也越来越广 泛。

激光的 特性

强度高 单色性好 相干性好 方向性好

2 激光加工的原理

激光加工的基本原理是通过激光的聚焦，照射在 工件上，将光能转换为热能，把工件材料熔化或 汽化，达到去除材料的目的，从而完成加工过程。 激光加工的工作原理如图所示。激光器将电能转 换为光能并释放出激光束，激光束经过棱镜反射 后，再经聚焦物镜聚焦，照射在工件上，工件材 料经高温照射的部分被熔化或汽化，通过工作台 的移动，来控制激光照射的时间、范围，从而控 制零件的形状、尺寸。

激光加工的工艺特点 对材料的适应性强。 打孔速度极快，热影响区小。 属于非接触加工。 穿越介质进行加工。 在节能、环保等方面也有很大优越性。

激光加工的应用 激光打孔 激光切割 激光打标 激光焊接 激光表面处理