精密和超精密加工技术复习思考题答案

第一章

1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。 答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。

尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。

2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。

答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。

3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域：

1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。

3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。

4.试展望精密和超精密加工技术的发展。 答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。

5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。

答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。

6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。

答：根据我国的当前实际情况，参考国外的发展趋势，我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下几个方面： 1)超精密切削磨削的基本理论和工艺；

2)超精密设备的精度，动特性和热稳定性； 3)超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿； 4)超精密加工的环境条件； 5)超精密加工的材料。

第二章

1.金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围?

答：用金刚石刀具进行超精密切削，用于加工铝合金，无氧铜，黄铜．非电解镍等有色金属和某些非金属材料。

2.金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择? 答：超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速，因为在该转速时表面粗糙度最小，加工质量最高，获得高质量的加工表面是超精密切削的首要问题。使用质量好，特别是动特性好，振动小的超精密机床可以使用高的切削速度，可以提高加工的效率。

3.试述超精密切削时积屑瘤的生成规律和它对切削过程和加工表面粗糙度的影响。

答：当切削速度较低时，积屑瘤高度最高，当切削速度大于v＝314m/min时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。这说明在低速切削时，切削温度比较低，较适于积屑瘤生长，且在低速时积屑瘤高度值比较稳定，在高速不稳定。特别是切黄铜和紫铜，积屑瘤不稳定且比较小。

刀具的微观缺陷也将直接影响积屑瘤的高度，完整刃的积屑瘤高度比有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度小。

进给量很小时，积屑瘤的高度较大。背吃刀量小于25μm 时，积屑瘤的高度变化不大，但在大于25μm后，积屑瘤高度将随背吃刀量的增加而增加。

积屑瘤对切削力的影响为：当积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小。 积屑瘤对加工表面粗糙度的影响为：当积屑瘤高度大时，表面粗糙度大，积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。

4.试述各工艺参数对超精密切削表面质量的影响。

答：切削速度对加工表面粗糙度基本无影响。当超精切削采用很小的进给量，加工表面粗糙度值减小。刀具有修光刃的时候，可减少残留面积，减小加工表面的粗糙度值。背吃刀量减小将使加工表面粗糙度加大。

5.超精密切削时如何才能使加工表面成为优质的镜面?

答：进给量为2.5μm/r，背吃刀量为2μm时，不同切削速度均得到表面粗糙度极小的加工表面；使用圆弧切削刃刀具，在进给量小于5μm/r时，均可得到优质镜面；v=314m/min，f=2.5μm/r，进给量为0.5-5μm时也可得到优质的镜面。

6.超精密切削时，金刚石刀具切削刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响如何？ 答：锋锐的金刚石刀具可加工出表面粗糙度值较小的加工表面。用锋锐金刚石车刀切削时，切屑变形系数明显低于用较钝的刀具切削时的切屑变形系数。

7.超精密切削时极限最小切削厚度是多少?

??Fy??Fx?hDmin???1?222??(Fx?Fy)(1??)??答：极限最小切削厚度。

8.试述超精密切削用金刚石刀具的磨损和破损特点。

答：金刚石刀具的磨损，主要是机械磨损，其磨损本质是微观解理的积累。金刚石晶体的破损，主要产生于（111）晶面的解理。

9.金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响如何？ 答：（100）晶面的车刀切削时的切削变形比用（110）晶面的车刀要小。（100）晶面的车刀和（110）晶面的车刀的加工表面粗糙度相差不多。（100）晶面车刀切出的表面层残余应力小于用（110）晶面的车刀所切出的，特别是切向残余应力。

10.工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量的影响如何？ 11.脆性材料用超精密切削如何加工出优质表面？

12.超精密切削对刀具有哪些要求？为什么单晶金刚石是被公认为理想的、不能代替的超精密切削的刀具材料？

答：为实现超精密切削。刀具应具有如下性能。

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很高的尺寸耐用度。

2)刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。

3)刀刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，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、摩擦系数低，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件。如硬度极高、耐磨性和强度高、导热性能好、和有色金属摩擦系数低，能磨出极锋锐的刀刃等。因此虽然它的价格昂贵，仍被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具材料。

13.单晶金刚石有哪几个主要晶面? 答：按晶体学原理，六方晶系的金刚石晶体有三个主要晶面：（100）、（111）、（110）。

14.试述金刚石晶体的各向异性和不同晶面研磨时的好磨难磨方向。

答：1)(100)晶面的摩擦系数曲线有4个波峰和波谷；(110)晶面有两个波蜂和波谷；(111)晶面有三个波峰和波谷；

2)如都以摩擦系数低的波谷比较，(100)晶面的摩擦系数最低；(111)晶面次之；（110）晶面最高；

3)如比较同—晶面的摩擦系数值的变化，(100)晶面的摩擦系数差别最大；(110)晶面次之；(111)晶面最小。

不同晶面研磨时的好磨难磨方向如下图所示：

15.金刚石晶体有哪些定向方法?

答：现在采用的金刚石晶体定向方法有：人工目测定向；X射线晶体定向；激光晶体定向。

16.试述金刚石晶体的激光定向原理和方法。 答：金刚石晶体的激光定向原理就是利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的。方法为：由氦氖激光管产生激光束，通过屏幕上的小孔，照射到金刚石表面。全刚石表面存在一些在生长过程中形成的形状规则的晶界晶纹和微观凹坑。当相干性比较好的激光照射到金刚石晶体表面上的这些晶纹和微观凹坑时，如被激光照射的金刚石表面是某晶面面网。转动金刚石使被测晶面与激光束相垂直，激光被反射到屏幕上，形成特征衍射光像，可根据衍射光像的图形知道被激光照射的晶面是什么晶面，也就确定了该晶面在金刚石晶体内的空间方位。

17.如何根据金刚石微观破损强度来选择金刚石刀具的晶面? 答：当作用应力相同时，(110)面破损的机率最大，（111)面次之，（100)面产生破损的机率最小。即在外力作用下，(110)面最易破损，(111)面次之，(100)面最不易破损。这在设计金刚石刀具，选择前面和后面的晶面时，必须首先给予考虑。根据上面的分析可知，从增加刀刃的微观强度考虑，应选用微观强度最高的(100)晶面作为金刚石刀具的前面和后面。

18.比较直线修光刃和圆弧修光刃金刚石刀具的优缺点。

答：直线修光刃制造研磨容易，这种刀要求对刀良好，直线修光刃应严格和进给方向一致。圆弧修光刃刀具对刀容易，使用方便，但刀具制造研磨麻烦，价格要高些。

19.单晶金刚石刀具的前面应选哪个晶面。 答：推荐金刚石刀具的前面选（100）晶面。

20.试述金刚石刀具的金刚石固定方法。

答：机械夹固；粉末冶金法固定；粘结或钎焊固定。

21.试述单晶金刚石刀具的研磨加工方法。

答：一颗单晶金刚石毛坯，要做成精密金刚石刀具。首先要经过晶体定向，确定制成刀具的前面、后面的空间位置，确定需要磨去的部分。金刚石要再经过仔细检查，观察切削部分的金刚石内部有没有裂纹、杂质或其他缺陷。金刚石开始粗磨，一般采用高速旋转的铸铁盘加金刚石微粉进行粗研磨，基本成形后，最后进行精研。

22.单晶金刚石刀具质量的好坏如何评定。

答：衡量金刚石刀具质量的好坏，首先是能否加工出高质量的超光滑表面，其次是它能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐，仍能切出极高质量的加工表面。

第三章

1.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：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—定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具的加工方法叫做固结磨料加工。磨粒或微粉不是固结在一起，而是成游离状态的加工方法叫做游离磨料加工。

固结磨料加工有精密砂轮磨削、油石研磨、精密珩磨、精密超精加工、砂带磨削和砂带研抛。游离磨料加工有精密研磨和精密抛光。

2.试述超硬磨料磨具的特点。超硬磨料磨具为什么会成为精密加工和超精密加工的主要工具之一？

答：金刚石是自然界中硬度最高的物质，有较高的耐磨性，它还有很高的弹性模量，可以减小加工时工件的内应力、内部裂隙和其他缺陷。金刚石有较大的热容量和良好的热导性，线膨胀系数小，熔点高，但700摄氏度以上易与铁族金属产生化学作用而形成碳化物，造成化学磨损。故一般不适宜磨削钢铁材料。立方氮化硼的硬度略低于金刚石。但耐热性比金刚石高，有良好的化学稳定性，与碳在2000摄氏度时不起反应，故适于磨削钢铁材料。由于它在高温下易与水产生反应，因此一般多用于干磨。

由于超硬磨料的上述特点，用它们制作的磨具在一下几方面能够满足精密加工和超精密加工的要求，因此使用广泛。

（1）磨具在形状和尺寸上易于保持，耐用度高，切削精度高。 （2）磨料本身磨损少，可较长时间保持切削性，修整次数少，易于保持精度。 （3）磨削时，一般工件温度较低，因此可以减小内应力、裂纹和烧伤等缺陷。

3.在表示普通磨料磨具和超硬磨料磨具的技术性能时，有哪些技术性能的表示方法相向？有哪些技术性能的表示方法不同？为什么？

答：相同的技术性能有：显微硬度、抗弯强度、抗压强度和热稳定性。

普通磨具中磨料的含量用组织表示，它反映了磨料、结合剂和气孔三者之间体积的比例关系。

超硬磨具中磨料的含量用浓度表示，它是指磨料层中每1立方厘米体积中所含超硬磨料的重量，浓度越高，其含量越高。

普通磨具的硬度是指磨粒在外力作用下，自磨料表面脱落的难易程度。超硬磨具没有硬度项。