《精密超精密加工技术》期末试题

1～6题为必答题（每题10分）。

1. 精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领域？

答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。

超精密加工领域包括：

（1）超精密切削加工。如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。

（2）超精密磨削和研磨抛光加工 。如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。

（3）精密特种加工。如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。

2. 超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？

答：超精密切削对刀具性能的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷能得到超光滑的镜面。4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的 加工表面完整性。

天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属 摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。

人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。

人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。

立方氮化硼（CBN）刀具现在用于加工黑色金属，但还达不到超精密镜面切削。

3. 超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用超硬磨料砂轮？

答：超精密磨削加工主要针对各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如陶瓷、玻璃、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、耐热合金钢，以及铜铝等有色金属及其合金等。

超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而使磨粒上所承受的剪切应力急速地增加，可能接近磨粒的剪切强度极限。

另外磨粒切削刃处受到高温和高压作用要求磨粒有很高的强度和高温硬度。普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削质量。

综上，在超精密磨削时，一般采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮来克服上述不良条件。

4. 固结磨料加工和游离磨料加工各有什么特点？

答：固结磨料加工的特点：

（1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料。

（2）磨削能力强、耐磨性好、耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。 （3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。 （4）磨削效率高，有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比。 （5）加工成本低，加工效率高，工时少，综合成本低。

游离磨料加工的特点：

（1）磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效率低。

（2）磨料与从工件上磨下的碎屑混在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高加工效率要经常将磨料与这些碎屑一起洗掉，这既浪费了能源、又浪费了磨料。

（3）磨料在磨盘上是随机分布的，分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。

（4）在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨粒，加重了磨料和能源的浪费。

（5）在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小， 甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为了提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀性要求较高。

（6）在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以免冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。

（7）在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘则要求三个磨盘相对研，既费事麻烦，又对人的操作技术水平要求高。

（8）为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗。

（9）污染环境。

（10）工人劳动强度大，对工人技术水平要求高。

（11）较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面肉内，影响工件的使用性能。

5. 简述影响超精密加工的因素。

答：影响超精密加工的因素主要有: （1）加工机理。

（2）被加工材料的性能。 （3）机床设备及其基础元部件。 （4）刀具、磨具等加工工具。 （5）检测与误差补偿系统。 （6）温度、湿度等工作环境。 （7）加工工艺过程设计。 （8）夹具设计。

（9）工人的技术等级等。

6. 何谓慢刀伺服车削和快刀伺服车削？

慢刀伺服（Slow Tool Servo）车削是对车床主轴与Z轴均进行控制，使机床主轴变成位置可控的C轴，机床的X、Z、C三轴在空间构成了柱坐标系，同时，高性能和高编程分辨率的数控系统将复杂面形零件的三维笛卡尔坐标转化为极坐标，并对所有运动轴发送插补进给指令，精确协调主轴和刀具的相对运动，实现对复杂面形零件的车削加工。

快刀伺服（Fast Tool Servo）车削加工技术是通过设计高频响、高精度的刀具驱动装置，在主轴角度反馈的基础上，控制刀具实时跟踪工件面形的变化，以实现复杂面形零件的精密高效加工技术。