精密和超精密加工技术复习思考题答案.doc

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-lm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1m之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra 0.01m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0.1m。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v314m/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25m 时，积屑瘤的高度变化不大，但在大于25m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2.5m/r，背吃刀量为2m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5m/r时，均可得到优质镜面；v=314m/min，f=2.5m/r，进给量为0.5-5m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?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。4.为什么在超硬磨料磨具的结构中一般由磨料层、过渡层和基体三个部分组成？过渡层起什么作用？普通磨料磨具的结构为什么与超硬磨料磨具的结构不同？5.涂覆磨具在制造技术上的质量关键是哪些？答：粘接剂和涂覆方法。6.试述近年来涂覆磨具在精密和超精密加工中所占的地位。7.试述涂覆磨具制造中三种涂覆方法的特点和应用场合。答：(1)重力落砂法 先将粘接剂均匀涂敷在基底上，再靠重力将砂粒均匀地喷洒在涂层上，经烘干去除浮面砂粒后即成卷状砂带，裁剪后可制成涂覆磨具产品，整个过程自动进行。一般的砂纸、砂布均用此法，制造成本较低。 （2）涂覆法 先将砂粒和粘接剂进行充分均匀地混合，然后利用胶辊将砂粒和粘接剂混合物均匀地涂敷在基底上。粘接剂和砂粒的混合多用球磨机，而涂敷多用类似印刷机的涂敷机，可获得质量很好的砂带，一般塑料膜材料的基底砂带都用这种方法。简单的涂覆法也可用喷头将砂粒和粘接剂的混合物均匀地喷洒在基底上，多用于小量生产纸质材料基底的砂带，当然质量上要差一些。精密和超精密加工中所用的涂覆磨具多用涂敷法制作。 (3)静电植砂法 其原理是利用静电作用将砂粒吸附在已涂胶的基底上，这种方法由于静电作用，使砂粒尖端朝上，因此砂带切削性强，等高性好，加工质量好，受到广泛采用。8.试从系统工程的角度分析精密磨削的技术关键。答：砂轮粒度和结合剂的选择以及砂轮修整。9.试分析砂轮修整对精密磨削质量的影响。答：修整导程和修整深度对工件表面粗糙度的影响如下图所示：10.精密磨削能获得高精度和小表面粗糙度表面的主要原因何在？答：精密磨削主要是靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高件，磨削后，被加工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨削阶段的作用，获得高精度和低表面粗糙度的表面。11.试分析超硬磨料砂轮的各种修整方法的机理、特点和应用范围。答：车削法：用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车削金刚石砂轮以达到修整目的。这种方法的修正精度和效率都比较高，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低。磨削法磨削法：用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料(如碳化硅、刚玉等)磨粒被破碎，对树脂、陶瓷、金属结合剂起切削作用，失去结合剂把持的超硬磨粒就会脱落。这种方法的效率和质量都较好，但普通砂轮、砂块磨损相当迅速，是目前最为广泛采用的修整方法。滚压挤轧发：滚压法是用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚(修整轮无动力)，使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃，该法修整效率低，修整压力大，要求磨床刚度高。喷射法：（1）气压喷砂法 将碳化硅、刚玉磨粒从高速喷嘴喷射到转动的砂轮表面上，从而去除部分结合剂，使超硬磨粒突出。主要用于修锐，效果较好。（2）液压喷砂法 用高压泵打出流量为20Lmin、压力为150Pa的冷却液，当冷却液进入喷嘴的旋涡室时，形成低压，从边孔中吸入碳化硅或刚玉等磨粒及空气，与冷却液形成混合液，并以高速从喷嘴喷射到转动的砂轮上。这种方法修锐的砂轮精度高、锋利、修锐时间短。电加工法：（1）电解修锐法 利用电化学腐蚀作用蚀除金属结合剂。这种方法的装备简单，可方便地实现在线修锐，多用于金属结合剂砂轮的修锐，非金属结合剂砂轮无效，该方法不能用于整形。(2)电火花修整法 其原理是电火花放电加工，适用于各种金属结合剂砂轮。若在结合剂中加人石墨粉，也可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮。修整时可用电火花线切割方式和电火花成型方式进行修整。若配置数控系统，尚可进行成形修整。这种方法既可整形，又可修锐，效率较高，质量可与磨削法相当。超声波振动修整法：用受激振动的簧片或超声波振动头驱动的幅板作为修整器，并在砂轮和修整器间放入混油磨料，通过游离磨料撞击砂轮的结合剂使超硬磨粒突出结合剂。该法修锐效果较好，用于整形较少。12.试分析普通磨料砂轮和超硬磨料砂轮在修整机理上的不同。答：普通砂轮的整形和修锐一般是合为一步进行的，而超硬磨料砂轮的整形和修锐一般是分为先后两步进行，有时，整形和修锐采用不同的方法。13.在超硬磨料砂轮磨削时如何选用磨削液？答：金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液为磨削液，视具体情况而定，如磨削硬质合金时普遍采用煤油，但不宜使用乳化液；树脂结合剂砂轮不宜使用苏打水。立方氮化硼砂轮磨削时采用油性液为磨削液，一般不用水溶性液，因为在高温下下立方氮化硼磨粒和水会起化学反应，称水解作用。会加剧砂轮磨损，可加极压添加剂以减弱水解作用。14.超精密磨削的含义是什么？镜面磨削的含义是什么？答：超精密磨削是最高加工精度、最低表面粗糙度的砂轮磨削方法。一般是指加工精度达到或者高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra 0.025m，是一种亚微米级的加工方法。镜面磨削一般是指加工表面粗糙度达到Ra 0.02-0.01m，表面光泽如镜的磨削方法。15.试从系统工程的角度来分析超精密磨削能达到高质量的原因。答：影响超精密磨削的因素很多，各因素之间又相互关联。超精密磨削需要一个高稳定性的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性的要求，并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰的能力，有了高稳定性，才能保证加工质量的要求。所以超精密磨削是一个高精度、高稳定性的系统。16.试分析超硬微粉砂轮超精密磨削的特点。17.试比较精密砂轮磨削和精密砂带磨削的机理、特点和应用范围。答：精密砂轮磨削机理：（1）微刃的微切削作用 使用较小的修整导程和修整深度精细修整砂轮，使磨粒微细破碎而产生微刃，一颗磨粒就形成了多颗微磨粒，相当于砂轮的粒度变细，微刃的微切削作用形成了低粗糙度表面；（2）微刃的等高切削作用 由于微刃是砂轮精细修整形成的，因此分布在砂轮表层的同一深度上的微刃数量多、等高性好，从而使加工表面的残留高度极小，微刃的等高性除与砂轮修整有关外，尚与磨床的精度、震动等因素有关；(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用 砂轮修整得到的微刃开始比较锐利，切削作用强，随着磨削时间的增加而逐渐钝化。同时，等高性得到改善，这时，切削作用减弱。滑挤、摩擦、抛光作用加强，磨削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑挤和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗糙度。精密砂带磨削机理：砂带磨削时，除有砂轮磨削的滑擦、耕犁和切削作用外，由于有弹性，还有磨粒的挤压使加工表面产生的塑性变形、磨粒的压力使加工表面产生的加工硬化和断裂、以及因摩擦升温而引起的加工表面热塑性流动等。因此从加工机理来看，砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光作用，是一种复合加工。18.比较闭式砂带磨削和开式砂带磨削的特点和应用场合。答：闭式砂带磨削：采用无接头或有接头的环形砂带，通过张紧轮撑紧，由电动机通过接触轮带动砂带高速回转，工件回转，砂带头架或工作台作纵向及横向进给运动，从而对工件进行磨削。这种方式效率高，但噪声大，易发热。可用于粗、半精和精加工。 开式砂带磨削：采用成卷砂带，由电动机经减速机构通过卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与工件被加工表面接触，工件回转，砂带头架或工作台作纵向及横向进给，从而对工件进行磨削。由于砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削区域不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定，磨削效果好，但效率不如闭式砂带磨削。多用于精密和超精密磨削中。19.试述接触轮外缘截面形状及其结构对砂带磨削的影响。答：平滑形用于细粒度砂带精磨、精密和超精密及研抛；锯齿形用于粗磨和精磨；填充形用于粗磨。20.分析接触轮外缘材料的种类及其硬度对砂带磨削的影响。答：各种接触轮外缘类型及其特点和用途如下表所示：21.如何处理砂带磨削时的冷润与除尘问题？答：磨削液与干磨剂的选择：湿磨时，磨削液的选择除考虑加工表面粗糙度、被加工材料外，必须要考虑砂带粘接剂的种类。另外，还应考虑基底材料。干磨时，当粒度号大于P150时，可采用干磨剂。砂带磨削的除尘：无论是湿磨还是干磨，无论是在砂带磨床磨削还是在普通机床上利用砂带磨削头架磨削，都应设有吸尘和集尘装置。可用封闭罩或吸尘管等结构将磨削液、切屑、磨粒等汇集于集尘箱内，通过过滤回收、磨削液再用；干磨时则不必回收。第四章1.试述精密和超精密机床的国内外发展概况。答：美国超精密机床的水平最高，不仅有不少工厂生产中小型超精密机床，而且由于国防和尖端技术的需要，研究开发了大型超精密机床，其代表是LLL国家实验室于1983-1984年研制成功的DTM-3和LODTM大型金刚石超精密车床。这两台机床是现在世界公认的水平最高的、达到当前技术最前沿的大型超精密机床。英国是较早从事精密和超精密加工技术研究的国家之一。英国CUPE公司以其精加工技术闻名于世，曾生产HATC 300等超精密车床，1991年该公司研制成功用于加工x射线天体望远镜用反射镜的2.5m2.5m大型超精密机床，可用于精密磨削和坐标测量。这是迄今第二个能制造这样大的大型超精密机床的单位日本研究超精密切削技术和研制超精密机床虽起步较晚，70年代中期才开始，但是内于得到有关方面的重视和协同努力，发展很快。现在在中小型超精密机床生产上，已基本上和美国并驾齐驱。2.试述我国发展超精密机床概况。答：我国在60年代起即开始发展精密机床，经过近30年的努力，我国的精密机床已有相当规模，不仅品种上基本满足我国生产需要，而且精度质量上达到一定的水平。例如昆明机床厂、宁江机床厂和以汉川机床厂生产多种坐标镗床，有立式的并且有卧式的，最新的坐标镗床已有精密数控系统。坐标镗床的定位精度在3-5m。宁江机床厂现又生产MK2932B连续轨迹数控坐标磨床，工作台面积320mm600mm，定位精度2m。重庆机床厂生产高精度滚齿饥、武汉重型机床厂生产大型高精度滚齿机。北京航空精密机械研究所研制成功空气轴承主轴的超精密车床和金刚石镗床，该研究所用花岗岩制造精密空气轴承主轴，使用性能良好。哈尔滨工业大学研制成功带激光在线测量的空气轴承主轴数控超精密车床，性能良好。 我国超精密机床的生产和研制，实际是现在才开始，和国外的差距甚大。由于这项新技术直接影响国防和尖端技术的发展、尖端技术产品的生产，有着极大的重要性。要从国外引进又受保密、禁运的限制，必须自己开发研究。因此必须给予充分的重视。应该投入充分的人力、物力、给予充分的财力支持，大力加强我国自己的开发研究工作，使我国的超精密加工技求和超精密机床能够得到加速发展。3.以美国为例，说明超精密机床的发展过程。答：1962年美国联合碳化物公司研制成功半球车床，是最早期的使用金刚石刀具实现超精密镜面切削的机床。1968年发展了Moore车床，它是在有效的使用了两种试制机床的技术基础上，改造了Moore3型坐标测量机而研制成功的。1976年Ex-Cell-O公司开发了金属反射镜直径达2m的金刚石镜面切削车床。美国Pneumo公司生产的MSG-325型超精密车床采用T形布局，即主轴箱下有导轨作z向运动，刀架溜板作x向运动，这样有利于提高精度。1983年7月美国LLL实验室研制成功大型超精密金刚石DTM-3型车床，用于加工激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜等。该实验室于1984年研制出的另一台大型超精密车床LODTM是现在世界上公认技术水平最高，精度最高的大型金刚石超精密车床。4.能代表超精密机床最高水平的是哪几台超精密机床。答：大型超精密金刚石DTM-3型车床和大型超精密车床LODTM。5.试述美国LLL实验室生产的DTM-3大型超精密车床的主要技术性能。答：加工最大零件2100mm，重量1500kg；长距离测定系统分辨率：2.5nm；短距离测定系统：差动式电容测微仪；x轴、z轴的驱动：由DC电机与静压轴承的50的驱动轮摩擦联驱动。修正误差用刀具微位移机构：由PZT压电元件驱动并与电容测微仪组合后工作。滑动导轨：x轴为V平面液体润滑导轨，z轴为平面空气静压导轨。主轴：油静压径向轴承，空气静压止推轴承，柔性连接驱动方式，交流变频电动机驱动，电动机为防止震动直接安装在地基台面上。主轴刚度大于500N/m。电容传感器：分辨率0.625nm，直线性0.1%。伺服系统：x、z传输轴为摩擦驱动，频带宽10Hz，最大送进量2.5mm/s。x、z轴的负荷补偿用波纹管的频带宽为0.01Hz。温度控制系统：流体温度控制可达（200.0006）摄氏度，空气温度控制可达（200.005）摄氏度。设计阶段加工误差的预算为：半径方向形状误差：27.9nm；圆度、平面度：12.5nm；加工表面粗糙度：4.2nm；机床底座为花岗岩。6.试述美国LLL实验室生产的LODTM大型光学金刚石车床的主要技术性能。答：可加工1625500mm，重量1360kg的大型金属反射镜。采用7路的高分辨力双频激光测量系统，使用He-Ne双频激光测量器，分辨力为0.625nm，使用4路激光检测横梁上溜板的运动，使用3路激光检测刀架上下运动装置，水温控制在（200.005）摄氏度，整台机床用4个大空气弹簧支撑起来。精度实测结果如下图所示：7.试述英国Cranfield公司生产的OAGM2500大型超精密机床的主要技术性能。答：最大加工尺寸2500mm2500mm610mm，有2500mm的高精度回转工作台，机床的x和y向导轨采用液体静压，z向的磨轴头和测量头采用空气轴承，用分辨力为2.5nm的ZYGO AXIOM双频激光测量系统检测运动位置，并向数控系统反馈控制。8.举实例说明发展高效专用多功能超精密机床的必要性。9.为什么超精密机床大部分都采用空气轴承，它有哪些优缺点？10.空气主轴轴承有哪些常用的结构形式？它有哪些优缺点？答：（1）圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承 这种空气轴承主轴结构比较简单，但要求前后径向轴承有很高的同心度，径向轴承和止推轴承有很高的垂直度，因此要求很高的制造工艺水平。（2）双半球空气轴承主轴 前后轴承均采用半球状，又是径向轴承又是止推轴承。由于轴承的气浮面是球面，有自动调心作用，因此可以提高前后轴承的同心度，提高主轴的回转精度。（3）前部用球形后部用圆柱径向空气轴承的主轴 这种结构一端为球形，同时起到径向和轴向止推轴承的作用，并有自动调心的作用，可以提高前后轴承的同心度，从而提高了主轴回转精度。（4）立式空气轴承 径向轴承制成圆弧面，可起到自动调心、提高精度的作用。11.超精密主轴有哪些驱功方式?各自的优缺点是什么？答：超精密主轴的驱功方式有三种：1）电动机通过带传动驱动 优缺点：采用这种驱功方式，电动机采用直流电动机或交流变频电动机。这种电动机可以无级调速，不用齿轮调速以减少振动，电动机要求经过精密动平衡并用单独地基以免振动影响超精密机床。传动带用柔软的无接缝的丝质材料制成。带轮有自己的轴承支撑，经过精密动平衡，通过柔性联轴器(常用电磁联轴器)和机床主轴相连，采用上述措施主要是使主轴尽可能和振功隔离。2）电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴 优缺点：采用这种主轴驱动方式时，电机采用直流电动机或交流变频电功机，可以很方便的实观无级调速，电动机应经过精密动平衡，电动机安装时尽量使电功机轴和机床主轴同心，再用柔性联轴器消除电动机轴和机床轴不同心引起的振动和回转误差。这样可以尽量提高超精密机床主轴的回转精度。3）采用内装式同轴电动机驱动机床主轴 优缺点：电动机现在都采用无刷直流电动机，可以很方便地进行主铀转速的无级变速，同时电动机没有电刷，不仅可以消除电刷引起的摩擦振动，而且免除了电刷磨损对电机运转的影响。现在一般的直流电动机都是方波驱动，这时的驱动转矩变化大致在，这将使主轴的瞬时转速有波动，主轴转速低时，转速波动更明显。12.超精密车床有哪几种总体布局? 各自的优缺点是什么？答：1）主轴箱位置固定、刀架装在十字形滑板上 优缺点：这种结构布局要求十字形滑板的上下导轨，不仅要有很高的直线运动精度，而且要有非常严格的相互垂直精度。这要求有很高的制造精度，才能满足超精密机床的精度要求否则下滑板的运动误差将影响上滑板的起动精度。采用这种结构布局时，主轴相位置固定不动，因此主轴用传动带驱功很方便，电动机可以有单独地基，可以减少电动机振动对主轴的影响。2）T形布局优缺点：这种总体布局结构，有利于提高导轨的制造精度和运动精度。测量系统安装简单，大大提高了测量精度。3）布局优缺点：在工件的厚度改变时，主铀箱或回转工作台)需要在Z向调整、机床结构比较复杂，加工调整计算和习惯用的不一致，因此用得不多。4）立式结构布局优缺点：当工件直径较大并且重量较重时，超精密机床多采用立式结构布局，超精密机床要求高的刚度、故多用龙门形式。在机床精度要求特别高时，可采取了特殊的在线测量和误差补偿措施，来补偿消除运动误差。13.简述精密和超精密机床使用的床身和导轨材料，并说明各自的优缺点。答：1）优质耐磨铸铁优缺点：铸铁是传统的制造床身和导轨的材料它的优点是工艺性好，应选用耐磨性好，热膨胀系数低。对振动衰减能力强，并经时效消除内应力的优质合金铸铁作精密机床的床身和导轨2)花岗岩优缺点：花岗岩已是制造三坐标标测量机和超精密机床的床身和导轨的热门材料，这是因为花岗岩比铸铁长期尺寸稳定性好，热膨胀系数低，对振动的衰减能力强，硬度同、耐磨并不会生锈等。花向岩的主要缺点是它的吸湿性，吸湿后产生微量变形，影响精度。3）人造花岗岩优缺点：人造花岗岩有优良的性能，不仅可铸造成形，吸湿性低，并对振动的衰减能力加强。14.简述精密和超精密机床的导轨结构形式，并说明各自的优缺点。答：1）V平面 优缺点：导轨磨损后可自动补偿，保持间隙和润滑，不少机床采用这种结构。但这种结构有下述缺点第，V形和平面导轨面的磨损不相等，因此工作台面因导轨而磨损而下降量下均匀；第二，当工作台重心和载重偏离中央并偏向平导轨面侧时，v平面导轨的导向能力就要明显下降。2）双V形导轨能为直线运动提供良好的导向性优缺点：两条导轨上的摩擦和磨损是均勺的，驱动元件可对称称地处在两条v形导轨之间。这些都可保证导轨的直线运动精度。双v形导轨在载重偏离中央时、仍能行较好的导向性。3)压力油润滑导轨优缺点：对超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，并月能长期保持它的精度，要求直线运动时绝对没有爬行现象。这一方面要求导轨有极高的制造精度，同时要求导轨的偶合面没有摩擦和磨损。4）导轨偶合面的接触形式优缺点：超精密机床导轨部件要求有极高的直线运动精度，不能有爬行，导轨偶合面不能有磨损、这一方面要求导轨有很高的制造精度，导轨的材料要有很高的稳定性和耐磨性。导轨的偶合面有很好的偶合形式。15.试述滚珠丝杆驱动系统的结构和优缺点。答：滚珠丝杆驱动系统的结构如图4-22所示优缺点：滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚功，因此摩擦力很小，丝杠的螺纹槽经过精密磨削，可以达到很高精度。滚珠在螺母内有再循环通道，因此行程长度不受滚珠的限制。16.试述超精密机床中使用的摩擦驱动机构的原理、结构和优缺点。答：摩擦驱动机构的原理，如图4-26所示。和导轨运动体相连的驱动杆夹在两个摩擦轮之间。上摩擦轮是用弹簧压板压在驱动杆上，当弹簧压板压力足够时，摩擦轮和驱动杆之间将无滑动。两个摩擦轮均有静压轴承支承，可以无摩擦转动。下摩擦轮和直流电功机相连，带动下摩擦轮旋转，靠摩擦力带动驱动杆，带动导轨作非常平衡的直线运动。优缺点：导轨运动的平稳性和精度高，使用效果好，优于滚珠丝杠副的驱动。有两个技术难点：l）超精密机床在精切时，要求导轨的起动速度极慢，因此要求下摩擦轮直径很小，造成定的结构设计困难；2)两个摩擦轮最好都能采用静压轴承支承，但是从结构位置上看，放两套静压轴承(液体或空气)空间位置太挤，结构设计有很大困难；摩擦轮如用滚动轴承支承，则滚动轴承有摩擦，会降低磨擦驱动装置的平稳性，降低导轨直线运动的平稳性。17.精密加工对微量进给装置的性能要求是什么？答：1)精微进给和粗进给应分开、以提高微位移的精度、分辨力和稳定性。2)运动部分必须是低摩擦和高稳定度的，以便实现很高的重复精度。3）末级传动元件必须有很高的刚度，即夹金刚石刀具处必须是高刚度的。4)微量进给机构内部联接必须是可靠联接，尽量采用整体结构或刚性联接，否则这微量进给机构很难实现很高的重复精度。 5)工艺件好，容易制造。6）微量近给机构应又有好的动特性，即具有高的频响。7) 微量进给机构应能实现微进给的自功控制。18.试述压电和电致伸缩传感器的结构和主要性能。答：电致伸缩传感器的结构：平时电致伸缩陶瓷片两片成对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在起，正极联在起，负极联在一起，则组成个电致伸缩传感器。主要性能：图4-3l中给出电致伸缩传感器在不同电压时的伸长量的关系曲线，可看到在加上直流电压时，无论是正电压或负电压，传感器的伸长量是相同的。这曲线的中间部份线性是比较好的。团4-31同时给出压电伸缩传感路的电压伸长量关系曲线，可看到正电压时伸长，负压时缩短。这种传感器在电压上升下降时的伸长量滞后较长。19.介绍几种典型的压电式或电致伸缩式微进给装置的原理、结构和性能。答：图4-32为日本冈崎佑一研制的一种结构。压电传感器后侧为固定支承。刀架体上有4个圆孔和台体外侧面形成薄壁变形无件，在圆孔间用三条缝开通，使前面装车刀部分和台体间能作前后弹性变形位移。当压电传感器在电压作用下伸长时，将推动的面装刀具部分向的移动实现微位移。图4-33是美国LLL实验室的大型光学金刚石车床LODTM上使用的快速电致伸缩式微量进给装置FTS。这微量进给装置中压电伸缩传感器后端支承在固定的装置本体上，刀具装在前部为锥形后部为套简形的位移部件上，这位移部件由前后各一薄膜支承在固定的本体上。在FTS体内有两个差动式电容测微传感器随时检测微位移量的数值。当压电伸缩传感器在电压作用下向前伸长，推动前面带刀具的位移部件向前移动，实现微位移。图4-34为英国Cranfield公司的大型立式超精密机床所用的电致伸缩微量进给装置。压电伸缩佑感器后端支承在装置的本体，用螺钉可以进行预载加力。这装置的位移部分由两个薄膜)支承在本休的外圆筒中。当电致伸缩传感器在电压作用下伸长时，推动带刀具的位移部分向前移动，实现微量进给。在这装置的位移部分内部装有差动式电容测微传感器，可随时检测微进给数值。20.介绍一种两坐标部件位移的激光在线检测系统。答： 如图4-38所示，为美国Fneumo Precision公司生产的MSG-325超精密金刚石车床的位移测量光路，双频激光测量系统采用的是美国HP公司生产的HP5501两坐标双频激光干涉测量系统。本机床的布局为主轴箱装在纵溜板上作z向运动，刀架装在横溜板上作x向运功。双频激光发生器发出的激光经分光镜分成两路，分别测z向和x向的位移。激光测量系统的分辨率为。为避免激光器发热的影响、激光器是用支架支承，放在花岗岩床身的后侧面。这测量系统除移动的测量反射镜是安装在移动部件随主轴箱和刀架移