工艺过程的优化
五、游离磨料的高效加工
（一）超声研磨工艺
• 超声研磨是一种采用游离磨料（研磨膏或研磨液）进 行切削的加工方法。磨料通过研磨工具的振动产生切 削功能，从而把研磨头（工具）的形状传递到工件 上。 • 超声研磨正是利用脆性材料的这一特点。有目的有控 制地促进材料表层的断裂和切屑的形成。
二、金刚石车削技术及其应用
1. 金刚石车床的技术关键
• 除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高 的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只 需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较 低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精 度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影 响。 • 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静 压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主 轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年 代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug 公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的 Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品 Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高
（二）超声研磨加工玻璃
• 在玻璃上钻孔时，超声加工已经可以与金刚石钻削竞 争，优化后的超声钻孔已经达到金刚石钻削时的材料 切除速度。根据孔径和孔深的不同，超声钻孔时的进 钻速度可也达到20～40mm/min。 • 用金刚石钻削玻璃上的孔时，需要从两面进刀，以免 钻透时出现玻璃崩裂，采用超声钻孔时，则可从一侧 直接钻通，工具出口时不会出现玻璃的崩裂。从而可 以省去金刚石钻孔时的校正和倒角等加工工序。 • 在玻璃上钻小孔时，超声研磨的作用变得更为重要。 普通的金刚石钻孔，最小孔径大约在2mm左右。超声 钻孔时的最小孔径几乎没有任何限制，目前在实验室 中进行的实验表明，用超声研磨可在3mm厚的玻璃上 钻出直径为0.5～1.0mm的小孔
2．激光切割的合理工作参数
• 激光切割速度 ：切割6mm厚度碳素钢钢板的速度达到2.5m／ min，而厚度为12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的 胶合板为4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度则达 27m/min。 • 切缝宽度 ：一般在0.5mm左右，切割精度可达±0.02～ 0.01mm。 • 切割厚度 ：切割碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为 9mm，1.5kW级为12mm，2.5kW级为19mm；2.5kw级切割不 锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割则需配置3kw 以上的高功率激光器。 • 辅助气体提高切割效率和切口质量：由于金属表面的激光反 射率可高达的95%，使激光能量不能有效地射入金属表面。 喷吹氧气或压绩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的 吸收率来提高切割效率。
精密加工和超精密加工
一、镜面铣技术及其应用 二、金刚石车削技术及其应用 三、精密和超精密磨削 四、复杂型面的数控加工 五、游离磨料的高效加工
一、镜面铣技术及其应用
1、概述
• 镜面铣关键部件为高精度主轴和低摩擦高平稳 性的滑台。现有镜面铣床的主轴多采用气体静 压支承，只有个别的主轴采用液体静压支承技 术。滑台的支承多数为气体静压系统，但最近 几年液体静压系统呈上长趋势，其主要原因是 液体静压系统具有高阻尼、高刚度优点。 • 滑台的驱动系统是达到高精度表面的关键，最 初采用气液缸驱动，后发展为平稳的钢带驱 动，最近又出现了高精度、高平稳性的滚珠丝 杠驱动和直线电机驱动系统。滚珠丝杠驱动具 有高刚性的特点。
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• （2）坦克的光学系统窗口：现代作战坦克的火炮系统均采用光电 控制，其观察系统除用于可见光外，还能于夜间观察红外光和由 物体热辐射形成的热像，为了在野外的恶劣环境下保护这些敏感 的光学元件，这些观察控制系统均装在坦克内部，与外界接触的 是一块对角长度约200mm的窗口，它需能透过各种波长的光。窗 玻璃采用宽带光学材料ZnS，其机械加工性很差，特别是在抛光 时，除表面污染外，极易形成刻痕。故采用传统的研磨与抛光方 法，废品率很高。如用镜面铣，首先解决了表面污染问题，加工 时只与金刚石刀接触，而无其他媒体，由于金刚石化学性质十分 稳定，不与ZnS发生化学反应。这种窗玻璃加工的另一难题是两 个光学表面的平行度，公差要求lμm以下。常规的抛光方法很难 保证这一精度。采用镜面铣削时，可先铣削工作台面，使它与铣 床导轨面平行，然后直接把工件放在工作台上进行加工，以确保 工件的平行度。
3．金刚石车削的应用范围和技术参数
• 用金刚石车削直径在100mm以下的工件时，形状误差 可控制在0.1μm以下。绝大多数可用金刚石车削的材 料的表面粗糙度可达到Rq1～5nm。 • 金刚石车削的刀具的参数与镜面铣相似，金属材料多 用零度前角刀具加工，红外材料和脆性材料则多用负 前角刀具加工。 • 主轴转速低于2000r／min，个别可达5000r／min。隐形 眼镜镜片车床较特殊，其转速可达10000r／min。
2．镜面铣床的布局
除了可以加工普通平面外，还可以加工各种椭圆柱面
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• 镜面铣削的切削速度通常在30m/s左右。 • 主轴在换刀后必须进行动平衡，以尽量减少动不平衡 对工件表面造成的波纹。 • 刀具的几何形状除与工件的几何形状有关外，主要取 决于工件材料的物理特性。加工塑性材料如铜、铝和 镍时，刀具的前角为0º，后角一般在5º～10º之间。刀 尖圆弧半径常用0.5～5mm，机床刚度高可采用较大的 半径以降低工件的表面粗糙度，如采用较小的刀尖半 径时，为不使表面粗糙度恶化须相应减少进给量。
2．金刚石车床的布局
3．金刚石车削的应用范围和技术参数
• 金刚石车削早期主要用来加工有色金属如元氧铀或铝 合金等，其主要产品是各种光学系统中的反射镜，在 东西方军备竞赛时期，各种红外光学元件的需求量猛 增，金刚石车削可加工各种红外光学材料如锗、硅、 ZnS和ZnSe等，工件的形状多为非球面，这样就可大 大减少光学元件的数量 • 金刚石车削常被用来加工有机玻璃和各种塑料，其应 用实例有大型投影电视屏幕、照像机的塑料镜片以及 树脂隐形眼镜镜片。
2、镜面磨削（Mirror Grinding）
• ELID磨削的关键是用与常规不同的砂轮，它的 结合剂通常为青铜或铸铁。图1是ELID在平面 磨床上应用的原理及实验装置。在使用ELID磨 削时，冷却润滑液为一种特殊的电解液。当电 极与砂轮之间接上一电压时，砂轮的结合剂发 生氧化。在切削力作用下，氧化层脱落从而露 出了锋利的磨粒（图2）。由于电解修整过程 在磨削时连续进行，所以能保证砂轮在整个磨 削过程中保持同一锋利状态。这样既可保证工 件表面质量的一致性，又可节约以往修整砂轮 时所需的辅助时间。满足了生产率要求。 • 它最适合于加工平面，磨削后的工件表面粗糙 度可达Rq1nm的水平
（三）超声轨迹加工
• 用常规方法加工玻璃时，工件的轮廓形状十分 有限，复杂曲面基本上无法加工。1996年，德 国亚琛工大研制了一种新的超声研磨技术，用 它不仅可以进行超声仿形，而且可以根据工具 的轨迹运动产生各种不同的曲面，这样既扩大 了超声研磨的应用范围又改善了在玻璃上进行 几何成形的可能。 • 超声轨迹加工的优点虽不需要仿形工具。在具 有适当的工艺过程和相应的机器设备时，这种 加工方法的应用潜力很大。图1是一台四轴超 声加工中心，它既可用来进行仿形加工又可进 行轨迹加工。刀具除了作纵向振动外。还进行 旋转运动，其是有转速可达4500r／min

特种加工技术
一、激光加工
（一）激光加工系统的组成及其特性
• 激光器 ：固体激光器（具有稳定性好的特点，但能量 效率低一般＜3％，由于输出能量小，主要用于打孔和 点焊及薄板的切割） ，光泵 ，聚光器 ，谐振腔 。气 体激光器 ：分子激光的二氧化碳（CO2）和离子激光 的氩气（Ar） • 聚焦系统 • 电气系统
2、镜面磨削（Mirror Grinding）
• 当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时， 该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不 局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼 等。为了能实现镜面磨削，日本东京大学理化研究所 的Nakagawa和Ohmori教授发明了电解在线修整磨削法 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）。 • 镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽 可能小的磨粒粒度，比如说粒度2μm乃至0.2μm。在 ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因 是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修 整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。ELID 首次解决了仅用微粒度砂轮时，修整与磨削在时间上 的矛盾，从而为微粒度砂轮的工业应用创造条件。
3．镜面铣的应用范围和技术参数
• 镜面铣削的平面度可达0.1μm。粗糙度除取决于机 床、刀具的因素外，还与工件材料本身的特性有关， 绝大多数情况下，以均方很值（rms）表示的粗糙度在 Rql-5nm。对于红外范围的光学元件，镜面铣削后的形 状精度和表面糙度完全可以满足要求，镀膜后就可直 接使用。在可见光，紫外光和X范围内，铣削刀痕有时 会引起光的散射，从而减弱系统的光学效率或成像质 量。为了避免这一缺点，许多光学元件常选用镍作为 材料，在镜面削后，再进行少量的抛光，使表面粗糙 度达到Rq0.l-0.5nm。
3．激光加工技术发展趋势
• 优化激光工作参数。建立加工作业标准和相应的数据 库 • 发展激光多工位分时综合加工 • 研究大功率、高寿命和小型化的微光装置
四、复杂型面的数控加工
（一）复杂型面的主要加工方法
• 70年代，三轴联动数控机床铣削加工 • 80年代，五轴联动数控机床铣削加工。 • 硬面铣削 • 高效磨削加工 ：球面砂轮高速磨削和小直径带轮砂带 磨削（精密锻造毛坯，加工余量小）
（二）复杂型面数控加工的技术关键
• 五轴多功能加工中心 • 刀具系统
（二）激光加工的合理工作参数
1．激光打孔尺寸及其精度的控制