先进制造技术-超精密研磨PPT课件.ppt

1、超精密研磨加工技术超精密研磨技术的研究现状超精密研磨技术的研究现状1 超精密研磨的加工机理超精密研磨的加工机理2 超精密研磨新技术超精密研磨新技术3总结和展望总结和展望4 近年来,超精密加工已成为国家科学技术发展水平的重要标志。纳米技术的出现促使超精密加工向其极限加工精度原子级加工进行挑战。 超精密研磨由于具有独特的加工原理和对加工设备、环境因素要求不高等特点,故它可以实现纳米级甚至原子级的加工,已成为超精密加工技术中的一个重要部分。一、超精密研磨的研究现状目前各种超精密加工方法的精度范围目前各种超精密加工方法的精度范围超精密加工目前包括4 个领域：（1） 超精密切削加工（2） 超精密磨削加工

2、（3） 超精密抛光加工（4） 超精密特种加工一、超精密研磨的研究现状 研磨加工面形范围很广，人们针对不同面形的工件探讨了不同的加工方法。 杉浦修等人研究了采用磁力研磨法加工圆柱面的研磨机取得了较好的效果。 日本的Toshiroh Karaki-dog等人还研究了双面研磨加工工艺，为双面研磨的应用创造了良好的条件。 浙江工业大学的袁巨龙等人对氮化硅陶瓷球的研磨加工展开了深入的研究,取得了很好的成果。 哈尔滨工业大学的潘洪平等提出超声振动研磨法，与传统的研磨相比,加工效率可提高23倍。 山东理工大学的肖作义从理论上首次提出采用提高磁场强度和磁场梯度的方法来提高加工的效率和质量。一、超精密研磨的研究

3、现状超精密研磨抛光的主要工艺因素超精密研磨抛光的主要工艺因素项目项目内容内容研磨法研磨法加工方式加工方式加工运动加工运动驱动方式驱动方式单面研磨、双面研磨单面研磨、双面研磨旋转、往复摆动旋转、往复摆动机械驱动、从动。机械驱动、从动。研具研具材料材料形状形状表面状态表面状态硬质、软质硬质、软质平面、球面、非球面平面、球面、非球面有槽、有空、无槽有槽、有空、无槽磨粒磨粒种类种类材质、形状材质、形状粒径粒径金属氧化物、氮化物金属氧化物、氮化物硬度、韧性、形状硬度、韧性、形状几十微米至几十纳米几十微米至几十纳米加工液加工液水质水质油质油质酸性酸性碱性、界面活性剂碱性、界面活性剂界面活性剂界面活性剂加工

4、参数加工参数研磨速度研磨速度（1100）m/min研磨压力研磨压力0.0130N/cm2研磨时间研磨时间10h环境环境温度温度室温室温尘埃尘埃洁净室洁净室 研磨速度、研磨压力和研磨液浓度是研磨加工的主要工艺参数。 在研磨机、研具和磨料选定的条件下，这些工艺参数的确定是保证加工质量和加工效率的关键。一、超精密研磨的研究现状 对于硬脆材料的研磨加工, 一部分磨粒由于研磨压力的作用,使之压入研磨盘中,用露出的尖端刻划工件表面,进行微切削加工; 另一部分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动,产生滚轧效果,使工件表面产生微裂纹,裂纹扩展后使工件表面产生脆性崩碎,形成切屑,达到表面去除的目的。磨料作用机理模型

5、磨料作用机理模型二、超精密研磨的加工机理单颗磨粒的接触模型单颗磨粒的接触模型 将磨粒形状简化为圆锥体其单颗磨粒的切削深度 可用式(1)表示。ea式中：F为单个磨粒承受的压力，N； 为简化圆锥磨粒的半顶角，( )； 为工件材料的屈服极限,MPa。 （1）2tan2seFa s如 =60 ， =2000MPa,F= N,则 =0.13s310eam每颗磨粒载荷F= N时,分布为6006000颗磨粒/cm2,载荷相当于0.66N,如果将研磨压力控制在这一范围,就可得到小于0.13 的切削深度，所以超精密研磨的切除层是极小的。310m二、超精密研磨的加工机理压入形成的裂纹（荷重压入形成的裂纹（荷重98

6、N）如图所示为玻璃和硅表面裂纹的显微照片。压入变形破坏区的模型压入变形破坏区的模型 上图所示是由压入所引起的变形破坏范围的模型。图中a为压痕半径,Rs为表面上裂纹长度, c为弹性变形范围的边界。 根据这一模型,就可以解释研磨过程中不仅有带裂纹的研磨痕,而且还掺杂一些由塑性变形而引起的研磨痕。二、超精密研磨的加工机理抛光机理模型抛光机理模型二、超精密研磨的加工机理 抛光同属于超精密研磨，但比研磨获得更高的精度。 抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的。 切除过程中局部的高温、高压而使工件与磨粒、加工液及抛光盘之间发生物理化学作用并产生反应生成物。又由于它们之间的力学作用, 生成物不断被

7、除去而使表面平滑化。抛光机理超精密超精密研磨新技术研磨新技术无损伤抛光无损伤抛光非接触式抛光非接触式抛光磁场辅助抛光磁场辅助抛光曲面超精密抛光曲面超精密抛光界面反应抛光界面反应抛光机械微量去除抛光机械微量去除抛光 化学抛光化学抛光 弹性发射加工弹性发射加工动压浮离抛光动压浮离抛光 浮动抛光浮动抛光 机械化学抛光机械化学抛光水合抛光水合抛光 胶态胶态SiO2SiO2抛光抛光 磁流体抛光磁流体抛光磁悬浮抛光磁悬浮抛光磁磨料抛光磁磨料抛光 电泳抛光电泳抛光 气囊抛光气囊抛光 应力盘抛光应力盘抛光 计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表面成形技术 三、超精密研磨新技术1 1、弹性发射加工、弹性发射

8、加工 EEM优点：工件表层无塑性变形原子级的精度无缺陷的表面质量缺点：材料去除率极低三、超精密研磨新技术 加工时研具与工件不接触，使微粒子冲击工件表面，并产生弹性破坏物质的原子结合，以原子级的加工单位去除工件材料，从而获得无损伤的加工表面。2 2、磁流变抛光技术、磁流变抛光技术 MRFMRF三、超精密研磨新技术 磁流变抛光利用磁流变液在磁场中的流变特性对工件进行研磨抛光加工。优点：很好的面型精度和表面粗糙度很高的吻合度效率高缺点：加工设备较为复杂加工介质很难制备使用成本非常高 非磁性磨料混入磁流体并置于磁场中时，由于磁流体中强磁性微粒的作用，磁流体被吸向高磁场一侧，同时非磁性磨粒与磁流体的运动

9、方向相反，推向低磁场一侧磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行抛光。 利用磁悬浮抛光方法对Si3N4 陶瓷球进行加工，可获得了Ra4 nm、Rz 40 nm的表面精度。3 3、磁悬浮抛光技术、磁悬浮抛光技术三、超精密研磨新技术4 4、电解抛光、电解抛光 优点：抛光的表面不会产生变质层效率高(可以同时抛光多个零件)实现复杂表面的抛光缺点：电解液通用性差、腐蚀性强应用范围小污染环境三、超精密研磨新技术 电解抛光，是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。 5 5、计算机控制光学表面成形技术计算机控制光学表

10、面成形技术 CCOS优点：优点：计算机执行速度快、记计算机执行速度快、记忆准确忆准确表面粗糙度好表面粗糙度好缺点：缺点：吻合性差吻合性差去除率低，加工时间长去除率低，加工时间长三、超精密研磨新技术 根据定量的面型检测数据,建立加工过程的控制模型,用计算机控制一个小磨头对光学零件进行研磨或抛光,通过控制磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。三、超精密研磨新技术 随着技术发展，超精密研磨加工方式不再局限于随着技术发展，超精密研磨加工方式不再局限于磨料加工形式，很多采用磨料加工形式，很多采用非传统方式的超精密加工技非传统方式的超精密加工技术术不断出现。不断出现。 激光抛光、无磨料抛光

11、、气囊抛光、液体射流抛光、激光抛光、无磨料抛光、气囊抛光、液体射流抛光、等离子体辅助抛光、应力盘抛光、离子束抛光、等离子体辅助抛光、应力盘抛光、离子束抛光、三、超精密研磨新技术浙江工业大学超精密加工研究中心等成功研制了基于偏心研磨方式的精密球体高效研磨机和基于双自转研磨方式的超精密球体研磨机。项目的研究成果和装备性能达到国际领先水平，具有重要的理论意义并产生了显著的社会经济效益。精密球体高效研磨机精密球体高效研磨机Olymball-E600超精密球体研磨机超精密球体研磨机Olymball-D600氮化硅和硬氮化硅和硬质合金球质合金球体的加工效率提高了体的加工效率提高了20 倍以上倍以上球形误差

12、球形误差0.05m表面粗糙度表面粗糙度Ra3nm批合格率由传统加工批合格率由传统加工方法的方法的30%提高提高90%以上以上三、超精密研磨新技术四、总结与展望 各种超精密研磨的加工原理、适用范围、各种超精密研磨的加工原理、适用范围、工件材料和加工条件等各不相同工件材料和加工条件等各不相同,因此在选用因此在选用时要根据具体情况来选择时要根据具体情况来选择,使之发挥特点和优使之发挥特点和优势势,获得较高的技术效果。获得较高的技术效果。 当前当前,国内外学者对超精密研磨技术还在国内外学者对超精密研磨技术还在进一步的深入研究中进一步的深入研究中,相应的检测仪器也应跟相应的检测仪器也应跟上时代的脚步上时代的脚步,促进超精密加工技术的发展。促进超精密加工技术的发展。