第 6章 精密加工与特种加工简
介
6.1 精密加工和超精密加工
6.2 特种加工
6.1 精密加工和超精密加工
? 6.1.1 精密加工和超精密加工的基本概念
? 6.1.2 精密加工和超精密加工的特点
? 6.1.3 精密加工和超精密加工方法
6.1.1 精密加工和超精密加工的基本
概念
? 精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。
超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。可见，精密加
工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精
密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在 19世纪，加工工件尺寸
公差为 1μm的加工被称为超精密加工，而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公
差为 0.1μm-0.01μm数量级的加工方法。
6.1.2 精密加工和超精密加工的特点
? 1,加工方法
? 目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类,
? 切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等；
? 磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等；
? 特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等；
? 复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光
等。
? 在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。
? 2,加工原则
? 一般加工时，机床的精度总是高于这被加工零件的精度，这一规律被称为“蜕化”
原则。而对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，
通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。 这种方法称为进化加工。
? 3,加工设备
? 加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采
用液体静压或空气静压元件。
? 定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。
? 设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。
? 4,切削性能
? 当精密切削的切深在 1um以下时，切深可能小于工件材料晶粒的尺寸，因此切削
就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除
切屑，于是具上的剪切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大
的剪切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受
的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。
? 5,加工环境
? 精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要 求。
? 6,工件材料
? 用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀 性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。
? 7,加工与检测一体化
? 精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的
测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光 栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器。
6.1.3 精密加工和超精密加工方法
? 1,金刚石精密切削
? (1) 概念
? 金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为 0.1μm数量级
和表面粗糙度 Ra值为 0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚
石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。
? (2) 金刚石精密切削的机理
? 金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在 0.1μm以下，切削常在晶粒
内进行，要求切削力大于原子、分子间和结合力，剪切应力高达 13000Pa。由于
切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石
刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以 刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径可达 0.02μm,因而可加工 出粗糙度值很小的表
面。又金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层，
因而可获得高的加工精度。
? (3) 影响金刚石超精密切削的主要因素
? 1) 加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能地。
? 2) 金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研
磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刀口圆角半径尽可能小。理
论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达 1nm，实际仅到 5nm。
? 3) 由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺
陷。
? 4) 工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。
? (4) 金刚石精密切削的应用
? 目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金
片基，表面粗糙度 Ra可达 0.003μm，平面度可达 0.2μm 。切削铁金属时，由于碳
元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工
质量。
? 2砂带磨削
? 砂带磨削是用砂带作为工具，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的
一种方法。
? 2）闭式磨削方式
? 采用环形砂带，通过张紧轮，由电机通过接触轮带动砂带高速运动。工件作回转
或移动，砂带架作纵向及横向进给，从而实现对工件的加工。
? （ 2）砂带
? 砂带由磨料，基底和粘结剂等组成。由粘结剂利用静电吸附原理将磨料粘结在布
质基底上，将砂带烘干后再涂上一定厚度的粘结胶。磨料大多是精选出来的针状
磨粒
（ 1）砂带磨削方式
砂带磨削方式可分为开式和闭式两种（见图 6
－ 1）。
1）开式砂带磨削：采用成卷的砂带，有电动
机经减速机构通过卷带轮带动砂带作缓慢的移
动，砂带绕过接触轮外圆以一定的工作压力与
工件被加工表面接触，工件回转或移动，砂带
头架或工作台作纵向及横向进给，从而实现对
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，因此磨
削质量好
图 6－ 1
? （ 3）砂带磨削的特点及应用
? 1）砂带与工件表面是柔性接触，磨削的工件，其表面变形强化程度和残余应力均
大低于砂轮磨削。
? 2）砂带磨削效率高，磨削热量少，散热条件好，有效地减少了工件表面的烧伤。
? 3）砂带制造工艺比砂轮的简单，价格便宜
? 4）适宜加工大，中型尺寸的外圆，内圆很平面
? 5）砂带磨削多在砂带磨床上进行，亦可在卧式车床，立式车床上利用砂带磨头和
砂带轮磨头进行。
? 6）可加工各种金属和非金属
? 3,油石抛光
? 油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨
基甲酸 (乙 )酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光，能够加工出比较理想的
镜面，这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、
碳化硅、金刚石粉等，其加工表面粗糙度可达 Rz0.005um。
? 它的加工机理是微切削作用，当加工压力增加时，油石与加工表面的接触面积增
加，参加微切削的磨粒也增加，但压力增加不能太大，否则被加工表面易产生划
痕，甚至产生微裂纹。抛光时，油石与被加工表面之间可加润滑液
? 油石抛光的工作原理如图 6-2所示。加工时
油石以较低的压力和切削速度对工件表面
进行精密加工。工件和油石共有三个无能
运动，即工件低速回转运动、磨头轴向进
给运动油石高速往复振动。这三种运动的
合成使磨粒在工件表面上形成不重覆的轨
迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动，则
磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线，
如图 6-2所示。
? 图中,
? A — 油石振幅, 约为 1mm～ 5mm。
? f— 油石振动频率, 约为 10Hz～ 25Hz。
? p— 油石在工件上的压强, 约为 15× 104Pa。
? v— 油石往复振动速度, υ=πAf cosφ/1000。
图 6－ 2
? 4,珩磨
? 珩磨是用装有磨条 (油石 )的珩磨头对孔进
行光整加工的方法。珩磨时，工件固定
不动，装有几个磨条的珩磨头插入被加
工孔中，并使磨条以一定的压力
(0.4Mpa-2MPa)与孔壁接触。珩磨头由
机床主轴带动旋转，同时沿轴向作往复
运动，使磨条从孔壁上切除极薄的一层
金属。由于磨条在工件表面上的切削轨
迹是均匀而不重复的交叉网纹，因此可
获得很高的精度和很小的表面粗糙度。
珩磨时，为了及时排出切削，降低切削
温度和减小表面粗糙度，需要大量的切
削液。珩磨铸铁和钢件时，常用煤油加
少量机油作切削液。珩磨后工件圆度和
圆柱度一般可控制在 0.003mm-0.005mm；
尺寸精度可达 IT5-IT6；表面粗糙度 Ra值
0.2μm-0.025μm。
? 珩磨一般在专门的珩磨机上进行。有时
也将普通车床或立式钻床进行适当的改
装，来完成珩磨加工。图 6-3为珩磨加工
示意图。
图 6－ 3
? 5,游离磨料抛光
? 游离磨料抛光是利用一个抛光工具作为参考表面，与被加工表面形成一定大小的
间隙，并用一定粒度的磨料和抛光液来加工工件表面。如果加工设备精度较高，
加工工具运用行当，则加工精度可达 0.01μm，表面粗糙度 Rz可达 0.005μm,平
面度可达 0.1μm。
? 游离磨料抛光加工方法有弹性发射加工、液体动力抛光、机械化学抛光、化学机
械抛光等，如图 6-4所示
? 超精密游离磨料抛光的机理是微切削和微塑性流动作用，抛光工具要与被加工表
面形成一定大小的间隙，它不但提高被加工表面的质量，而且能提高其几何精度。
图 6－ 4
6.2 特种加工
? 6.2.1 电火花加工
? 6.2.2 电解加工
? 6.2.3 超声波加工
? 6.2.4 激光加工
6.2.1 电火花加工
? 1,电火花加工的基本原理
? 电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法，其加工原理是使工件和
工具之间产生周期性的、瞬间的脉冲放电，依靠电火花产生的高温将金属熔蚀，
并在工件上形成与工具电极截面形状相同的精确形状，而工具电极的形状保持原
有的形状。电火花加工是基于脉冲放电的腐蚀原理，故也称放电加工或电蚀加工。
电火花加工原理如图 6－ 5所示。
图 6－ 5
? 如图 6.1-1所示, 在充满液体介质的工具电极和工件之间的很小间隙上, 施加脉冲
电压, 当两极间隙达到一定值时, 其间的液体绝缘介质最先被击穿而电离成电子
和正离子, 形成放电通道 。 在电场力作用下, 电子高速奔向阳极, 正离子奔向阴
极, 产生火花放电 。 工具电极由电液伺服系统 2控制进给 。 放电通道中电子, 正离
子受到磁场力和周围液体介质的压缩, 致使通道截面积很小而电流密度很大
(104~107A／ cm2),放电能量高度集中 。 此外, 由于放电时间很短 (约为 106s~108s)，
且发生在放电区的小点上, 所以 能量高度集中, 使放电 区的温度高达
10000℃ ~12000℃, 于是工件上这一小部分金属材料被迅速熔化或气化, 并具有爆
炸性质 。 爆炸力将熔化或气化了的金属微粒迅速抛出, 并在液体介质中很快冷却
和凝固成细小的金属颗粒被循环的液体介质带走 。 每次放电后在工件表面上形成
一个微小凹坑, 放电过程多次重复进行, 大量微小凹坑重叠在工件上, 既可把工具电极的轮廓形状相当精确地复制在工件上, 达到加工的目的 。
? 在电火花加工时, 不仅工件电极被蚀除, 工具电极也同样遭到蚀除, 但两极的蚀
除量是不一样的 。 为减少工具损耗和提高生产率, 加工中应使工具电极的电蚀程
度比工件小得多, 因此应根据加工要求, 正确选择极性, 将工具接到蚀除量小的
一极 。 — 般, 当直流脉冲电源为高频时, 工件接在电源正极；电源为低频时, 工
件接在电源负极；当用钢作工具电极时, 工件一般接负极 。
? 电火花加工在专用的电火花加工机床上进行 。 常用的工作液有煤油, 去离子水,乳化液等 。
? 2,电火花加工的工艺特点
? (1) 电火花可加工任何硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料，在一定条件下，还
可加工半导体材料和非导电材料。
? (2) 加工时无切削力，有利于小孔、薄壁、空槽以及各种复杂截面的型孔、曲线
孔和型腔等零件的加工，也适于精密细微加工。
? (3) 当脉冲宽度不大时，对整个工件而言，几乎不受热影响，可提高加工质量，
适于加工热敏感性强的材料。
? (4) 脉冲参数可任意调节，能在同一台机床上连续进行粗、半精、精加工。精加
工时精度为 0.005mm,表面粗糙度 Ra值为 1.6~0.8μm，尺寸精度；精微加工时精度
可达 0.002mm~0.001mm，表面粗糙度 Ra值为 0.05~0.01μm。
? (5) 直接使用电能加工，易于实现自动化。
? 3,电火花加工的应用
? 目前电火花加工主要有两种类型，即电火花成形加工和电火花线切割。
? (1) 穿孔加工 加工型孔 (圆孔、方孔、多边形孔和异形孔 )、曲线孔 (弯孔、螺纹
孔 )、小孔、微孔，例如落料模、复合模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。
? (2) 型腔加工 锻模、压铸模、挤压模、塑料模，以及整体叶轮、叶片等各种典
型零件的加工。
? (3) 线切割加工 进行线电极切割，例如切断、切割各类复杂型孔 (例如冲裁模 )。
? (4) 电火花切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两种类型。快走丝速度一
般为 10m/s左右，电极丝可往复移动，并可以循环反复使用。慢走丝速度通常为
2~8m/min，为单向运动，电极丝为一次性使用。慢走丝线切割走丝平稳，无振动，
电极丝损耗小，加工精度高，是发展方向。
? 电火花加工主要适用于单件小批生产。
6.2.2 电解加工
? 1,电解加工的基本原理
? 电解加工就是利用金属在电解液中产生
阳极溶解的电化学腐蚀原理对工件进行
成形加工的一种方法 (也称电化学加工 )。
图 6－ 6为电解加工原理图。工件接阳极，
工具 (铜或不锈钢 )接阴极，两极间加
(6~24v)r的直流电压，工具阴极连续缓
慢均匀向工件进给，极间保持 0.1~1mm
间隙。具有一定压力 0.5~2MPa)的电解
液 (10~20%的食盐水 )从两极间隙中高速
(5~60 m/s)流过。阳极工件表面的金属
逐渐按阴极型面的形状溶解．电解产物
被高速电解液带走，于是在工件表面上
加工出与阳极型面基本相似的形状。 图 6－ 6
? 2,电解加工的工艺特点
? (1) 电解加工能以简单的进给运动，一次加工出形状复杂的型面和型腔 (如锻模、
叶片等 )；
? (2) 可加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金
等；
? (3) 加工型面和型腔的效率比电火花加工高 5— 10倍；
? (4) 加工中无机械切削力或切削热，加工面质量好、无残余应力和毛刺；
? (5) 加工中阴极损耗小，一般可加工上千个零件；
? (6) 因影响电解加工的因素很多，故难于实现高精度的稳定加工。尺寸精度低于
电火花加工，且不易控制，一般型孔加工为,0.03~0.05mm，型腔加工为
0.05~0.2mm；
? (7) 电解液对机床有腐蚀作用，设备费用高，电解产物的处理和回收较困难，污
染较严重。
? 3,电解加工应用
? 电解加工主要用于加工各种型腔模具，各种型孔、花键孔、深孔、小孔等复杂型
面 (如汽轮机、航空发动机的叶片 )以及套料、膛线 (炮管、枪管的来复线等 )等。此
外还有电解抛光、倒棱、去毛刺、切割和刻印等。电解加工适于成批和大量生产，
多用于粗加工和半精加工。
6.2.3 超声波加工
? 1,超声波加工原理 ? 超声波比声波能量大得多，它对其传播方向上的障碍物产生很大的压力，能量强
度可达几十瓦到几百瓦每平方厘米，因此用超声波可进行机械加工。超声波加工
正是利用超声振动 (16kHz-30kHz)的工具冲击磨料对工件进行加工的一种方法，其
加工原理如图 6－ 7 所示。
起声波发生器 1产生超声频电振荡, 由能量转换器 3将其转变为
超声频机械振动 。 机械振动的振幅很小, 不能用来进行机械加
工, 需要再通过振幅扩大棒 4将振幅扩大 。 加工时, 工具 8固定
在振幅扩大棒端头, 获得超声频机械振动, 在工具与工件之间
不断地注入悬浮液 9,当工具与工件接触时, 由于工具高速冲
击悬浮液, 使悬浮液中的液体分子及固体磨粒以极高的速度冲
击工件被加工面, 冲击加速度可达重力加速度的一万倍左右,
在加工面上产生很大的瞬间压力, 通过磨料的作用使工件局部
材料破碎成粉末被打击下来 。 与此同时, 由于悬浮液的扰动,
磨料还以很高的速度和频率抛光研磨工件的加工面 。 悬浮液的
循环流动, 可使磨料不断更新, 并带走被粉碎下来的材料微粒,
工具逐渐向工件伸入, 工具形状就可复制在工件上 。
工具材料常用不淬火的 45钢。工具的形状和尺寸应比被加工
面的形状和尺寸相差一个, 加工间隙, 。磨料常用碳化硼、碳
化硅、氧化铝或金刚石粉等。工具振动频率一般选择在
16~25kHz，工具端部的振幅一般是 20~80μm。
图 6－ 7
? 2,超声波加工的特点和应用
? (1) 超声波加工主要适于加工各种硬脆材料，特别是不导电材料和半导体材料，
如玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等。对于难以切削加工的高硬度、高强度的金属材
料，如淬火钢、硬质合金等，也可加工，但效率较低。因为超声波加工主要是靠
磨粒的冲击作用，材料越硬、越脆加工效率越高，对于韧性好的材料，由于缓冲
作用大则不易加工；
? (2) 易于加工各种形状复杂的型孔、型腔和成形表面，也可进行套料、切割和雕
刻等；
? (3) 对工件的宏观作用力小、热影响小，可加工某些不能承受较大切削力的薄壁、
薄片等零件；
? (4) 工具材料的硬度可低于工件硬度；
? (5) 超声波加工能获得较好的加工质量。尺寸精度可达 0.01~0.05mm，表面粗
糙度 Ra值为 0.4~0.1μm。因此，一些高精度的硬质合金冲压模、拉丝模等，常先
用电火花粗加工和半精加工，后用超声波精加工。
? 目前，超声波主要用于硬脆材料的孔加工、套料、切割、雕刻以及研磨金刚石拉
丝模等。
6.2.4 激光加工
? 1,激光加工的基本原理
? 激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小
和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相
近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达 107~1011w／
cm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将
瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷
射出去，这就是激光加工的工作原理。图 6－ 8是利用固体激光器加工的
原理示意图。当激光工作物 质 (如红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等 )受
到光泵 (即激励脉冲氙灯 )的激发后，吸收特定波长的光，在一定条件下可
形成工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，这种现象称
为粒子数反转。此时，一旦有少数激发粒子自发辐射发出光子，即可感
应所有其它激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大。并通过谐振腔的
反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光。通过透镜将激光束聚焦到
待加工表面上，即可对工件进行加工。
图 6－ 8
1－全反射镜 2－工作物质 3－光泵 4－部分反射镜 5－透镜 6－ 工作
?2,激光加工的特点和应用
?(1) 加工材料范围广，激光几乎对所有的金屈材料和非金属材料都可进行加
工。特别适于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。
?(2) 激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，
加工精度。
?(3) 工件可离开加工机进行加工，并可通过空气、惰性气体或光学透明介质
进行加工。例如，激光能透过玻璃在真空管内进行焊接，这是普通焊接方法不能作 到的
?(4) 可进行微细加工。激光聚焦后可实现直径 0.01mm的小孔加工和窄缝切割。
在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片。
?(5) 加工速度 快，加工效率高。如在宝石上打孔，加工时间仅为机械加工方
法的 1%,
?(6) 不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。
?(7) 可控性好，易于实现自动化。
?此外，激光还可用于动平衡校正、划线、薄膜蒸发等工作。
介
6.1 精密加工和超精密加工
6.2 特种加工
6.1 精密加工和超精密加工
? 6.1.1 精密加工和超精密加工的基本概念
? 6.1.2 精密加工和超精密加工的特点
? 6.1.3 精密加工和超精密加工方法
6.1.1 精密加工和超精密加工的基本
概念
? 精密加工是指在一定的发展时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工工艺。
超精加工是指加工精度和表面质量达到最高程度的精密加工工艺。可见，精密加
工和超精密加工的概念是与某个时期的加工工艺水平相关联的，随着科技进步精
密加工和超精密加工所能达到的精度将逐步提高。例如在 19世纪，加工工件尺寸
公差为 1μm的加工被称为超精密加工，而现在超精密加工一般是指工件的尺寸公
差为 0.1μm-0.01μm数量级的加工方法。
6.1.2 精密加工和超精密加工的特点
? 1,加工方法
? 目前精密和超精密加工方法根据加工机理可分为四大类,
? 切削加工：精密切削、微量切削和超精密切削等；
? 磨削加工：精密磨削、微量磨削和超精密磨削等；
? 特种加工：电火花加工、电解加工、激光加工、电子束加工、离子束加工等；
? 复合加工：将几种加工方法复合在一起，如机械化学研磨、超声磨削、电解抛光
等。
? 在精密和超精密加工中特种加工和复合加工方法应用得越来越多。
? 2,加工原则
? 一般加工时，机床的精度总是高于这被加工零件的精度，这一规律被称为“蜕化”
原则。而对于精密加工和超精密加工时，有时可利用低于工件精度的设备、工具，
通过工艺手段和特殊的工艺装备，加工出精度高于“母机”的工作母机或工件。 这种方法称为进化加工。
? 3,加工设备
? 加工设备的几何精度向亚微米级靠近。关键元件，如主轴、导轨、丝杆等广泛采
用液体静压或空气静压元件。
? 定位机构中采用电致伸缩、磁致伸缩等微位移结构。
? 设备广泛采用计算机控制、适应控制、在线检测与误差补偿等技术。
? 4,切削性能
? 当精密切削的切深在 1um以下时，切深可能小于工件材料晶粒的尺寸，因此切削
就在晶粒内进行，这样切削力一定要超过晶粒内部非常大的原子结合力才能切除
切屑，于是具上的剪切应力就变得非常大，刀具的切削刃必须能够承受这个巨大
的剪切应力和由此产生的很大的热量，这对于一般的刀具或磨粒材料是无法承受
的。这就需要找到满足加工精度要求的刀具材料和结构。
? 5,加工环境
? 精密加工和超精密加工环境必须满足恒温、防振、超净三个方面对环境提出的要 求。
? 6,工件材料
? 用于精密加工和超精密加工的材料要特别注重其加工性。工件材料必须具有均匀 性和性能的一致性，不允许存在内部或外部的微观缺陷。
? 7,加工与检测一体化
? 精密测量是进行精密加工和超精密加工的必要条件。不具备与加工精度相适应的
测量技术，就无法判断被加工件的精度。在精密和超精密加工中广泛采用精密光 栅、激光干涉仪、电磁比较仪、圆度仪等精密测量仪器。
6.1.3 精密加工和超精密加工方法
? 1,金刚石精密切削
? (1) 概念
? 金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为 0.1μm数量级
和表面粗糙度 Ra值为 0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。实现金刚
石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。
? (2) 金刚石精密切削的机理
? 金刚石超精密切削属微量切削，切削层非常薄，常在 0.1μm以下，切削常在晶粒
内进行，要求切削力大于原子、分子间和结合力，剪切应力高达 13000Pa。由于
切削力大，应力大，刀尖处会产生很高的温度，使一般刀具难以承受。而金刚石
刀具不仅有很好的高温强度和高温硬度，而且因其材料本身质地细密，刀刃可以 刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径可达 0.02μm,因而可加工 出粗糙度值很小的表
面。又金刚石超精密切削速度很高，工件变形小，表层高温不会波及工件内层，
因而可获得高的加工精度。
? (3) 影响金刚石超精密切削的主要因素
? 1) 加工设备要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能地。
? 2) 金刚石刀具的刃磨是一个关键技术。金刚石刀具通常在铸铁研磨盘上进行研
磨，研磨时应使金刚石的晶向与主切削刃平行，并使刀口圆角半径尽可能小。理
论上，金刚石刀具的刃口圆角半径可达 1nm，实际仅到 5nm。
? 3) 由于金刚石精密切削的切深很小，因此要求被加工材料组织均匀，无微观缺
陷。
? 4) 工作环境要求恒温、恒湿、净化和抗振。
? (4) 金刚石精密切削的应用
? 目前金刚石超精密切削主要用于切削铜、铝及其合金。如高密度硬磁盘的铝合金
片基，表面粗糙度 Ra可达 0.003μm，平面度可达 0.2μm 。切削铁金属时，由于碳
元素的亲和作用，会使金刚石刀具产生“碳化磨损”，从而影响刀具寿命和加工
质量。
? 2砂带磨削
? 砂带磨削是用砂带作为工具，根据加工要求以相应的接触方式对工件进行加工的
一种方法。
? 2）闭式磨削方式
? 采用环形砂带，通过张紧轮，由电机通过接触轮带动砂带高速运动。工件作回转
或移动，砂带架作纵向及横向进给，从而实现对工件的加工。
? （ 2）砂带
? 砂带由磨料，基底和粘结剂等组成。由粘结剂利用静电吸附原理将磨料粘结在布
质基底上，将砂带烘干后再涂上一定厚度的粘结胶。磨料大多是精选出来的针状
磨粒
（ 1）砂带磨削方式
砂带磨削方式可分为开式和闭式两种（见图 6
－ 1）。
1）开式砂带磨削：采用成卷的砂带，有电动
机经减速机构通过卷带轮带动砂带作缓慢的移
动，砂带绕过接触轮外圆以一定的工作压力与
工件被加工表面接触，工件回转或移动，砂带
头架或工作台作纵向及横向进给，从而实现对
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，因此磨
削质量好
图 6－ 1
? （ 3）砂带磨削的特点及应用
? 1）砂带与工件表面是柔性接触，磨削的工件，其表面变形强化程度和残余应力均
大低于砂轮磨削。
? 2）砂带磨削效率高，磨削热量少，散热条件好，有效地减少了工件表面的烧伤。
? 3）砂带制造工艺比砂轮的简单，价格便宜
? 4）适宜加工大，中型尺寸的外圆，内圆很平面
? 5）砂带磨削多在砂带磨床上进行，亦可在卧式车床，立式车床上利用砂带磨头和
砂带轮磨头进行。
? 6）可加工各种金属和非金属
? 3,油石抛光
? 油石抛光是一种由切削过程过渡到摩擦抛光过程的加工方法。它是利用低发泡氨
基甲酸 (乙 )酯和磨料混合制成的油石对工件表面进行抛光，能够加工出比较理想的
镜面，这是一种固定磨料的抛光方法。油石一般都是细粒度磨料。材料有氧化铝、
碳化硅、金刚石粉等，其加工表面粗糙度可达 Rz0.005um。
? 它的加工机理是微切削作用，当加工压力增加时，油石与加工表面的接触面积增
加，参加微切削的磨粒也增加，但压力增加不能太大，否则被加工表面易产生划
痕，甚至产生微裂纹。抛光时，油石与被加工表面之间可加润滑液
? 油石抛光的工作原理如图 6-2所示。加工时
油石以较低的压力和切削速度对工件表面
进行精密加工。工件和油石共有三个无能
运动，即工件低速回转运动、磨头轴向进
给运动油石高速往复振动。这三种运动的
合成使磨粒在工件表面上形成不重覆的轨
迹。如果不考虑磨头的轴向进给运动，则
磨粒在工件表面形成的轨迹是正弦曲线，
如图 6-2所示。
? 图中,
? A — 油石振幅, 约为 1mm～ 5mm。
? f— 油石振动频率, 约为 10Hz～ 25Hz。
? p— 油石在工件上的压强, 约为 15× 104Pa。
? v— 油石往复振动速度, υ=πAf cosφ/1000。
图 6－ 2
? 4,珩磨
? 珩磨是用装有磨条 (油石 )的珩磨头对孔进
行光整加工的方法。珩磨时，工件固定
不动，装有几个磨条的珩磨头插入被加
工孔中，并使磨条以一定的压力
(0.4Mpa-2MPa)与孔壁接触。珩磨头由
机床主轴带动旋转，同时沿轴向作往复
运动，使磨条从孔壁上切除极薄的一层
金属。由于磨条在工件表面上的切削轨
迹是均匀而不重复的交叉网纹，因此可
获得很高的精度和很小的表面粗糙度。
珩磨时，为了及时排出切削，降低切削
温度和减小表面粗糙度，需要大量的切
削液。珩磨铸铁和钢件时，常用煤油加
少量机油作切削液。珩磨后工件圆度和
圆柱度一般可控制在 0.003mm-0.005mm；
尺寸精度可达 IT5-IT6；表面粗糙度 Ra值
0.2μm-0.025μm。
? 珩磨一般在专门的珩磨机上进行。有时
也将普通车床或立式钻床进行适当的改
装，来完成珩磨加工。图 6-3为珩磨加工
示意图。
图 6－ 3
? 5,游离磨料抛光
? 游离磨料抛光是利用一个抛光工具作为参考表面，与被加工表面形成一定大小的
间隙，并用一定粒度的磨料和抛光液来加工工件表面。如果加工设备精度较高，
加工工具运用行当，则加工精度可达 0.01μm，表面粗糙度 Rz可达 0.005μm,平
面度可达 0.1μm。
? 游离磨料抛光加工方法有弹性发射加工、液体动力抛光、机械化学抛光、化学机
械抛光等，如图 6-4所示
? 超精密游离磨料抛光的机理是微切削和微塑性流动作用，抛光工具要与被加工表
面形成一定大小的间隙，它不但提高被加工表面的质量，而且能提高其几何精度。
图 6－ 4
6.2 特种加工
? 6.2.1 电火花加工
? 6.2.2 电解加工
? 6.2.3 超声波加工
? 6.2.4 激光加工
6.2.1 电火花加工
? 1,电火花加工的基本原理
? 电火花加工是直接利用电能对零件进行加工的一种方法，其加工原理是使工件和
工具之间产生周期性的、瞬间的脉冲放电，依靠电火花产生的高温将金属熔蚀，
并在工件上形成与工具电极截面形状相同的精确形状，而工具电极的形状保持原
有的形状。电火花加工是基于脉冲放电的腐蚀原理，故也称放电加工或电蚀加工。
电火花加工原理如图 6－ 5所示。
图 6－ 5
? 如图 6.1-1所示, 在充满液体介质的工具电极和工件之间的很小间隙上, 施加脉冲
电压, 当两极间隙达到一定值时, 其间的液体绝缘介质最先被击穿而电离成电子
和正离子, 形成放电通道 。 在电场力作用下, 电子高速奔向阳极, 正离子奔向阴
极, 产生火花放电 。 工具电极由电液伺服系统 2控制进给 。 放电通道中电子, 正离
子受到磁场力和周围液体介质的压缩, 致使通道截面积很小而电流密度很大
(104~107A／ cm2),放电能量高度集中 。 此外, 由于放电时间很短 (约为 106s~108s)，
且发生在放电区的小点上, 所以 能量高度集中, 使放电 区的温度高达
10000℃ ~12000℃, 于是工件上这一小部分金属材料被迅速熔化或气化, 并具有爆
炸性质 。 爆炸力将熔化或气化了的金属微粒迅速抛出, 并在液体介质中很快冷却
和凝固成细小的金属颗粒被循环的液体介质带走 。 每次放电后在工件表面上形成
一个微小凹坑, 放电过程多次重复进行, 大量微小凹坑重叠在工件上, 既可把工具电极的轮廓形状相当精确地复制在工件上, 达到加工的目的 。
? 在电火花加工时, 不仅工件电极被蚀除, 工具电极也同样遭到蚀除, 但两极的蚀
除量是不一样的 。 为减少工具损耗和提高生产率, 加工中应使工具电极的电蚀程
度比工件小得多, 因此应根据加工要求, 正确选择极性, 将工具接到蚀除量小的
一极 。 — 般, 当直流脉冲电源为高频时, 工件接在电源正极；电源为低频时, 工
件接在电源负极；当用钢作工具电极时, 工件一般接负极 。
? 电火花加工在专用的电火花加工机床上进行 。 常用的工作液有煤油, 去离子水,乳化液等 。
? 2,电火花加工的工艺特点
? (1) 电火花可加工任何硬、脆、韧、软和高熔点的导电材料，在一定条件下，还
可加工半导体材料和非导电材料。
? (2) 加工时无切削力，有利于小孔、薄壁、空槽以及各种复杂截面的型孔、曲线
孔和型腔等零件的加工，也适于精密细微加工。
? (3) 当脉冲宽度不大时，对整个工件而言，几乎不受热影响，可提高加工质量，
适于加工热敏感性强的材料。
? (4) 脉冲参数可任意调节，能在同一台机床上连续进行粗、半精、精加工。精加
工时精度为 0.005mm,表面粗糙度 Ra值为 1.6~0.8μm，尺寸精度；精微加工时精度
可达 0.002mm~0.001mm，表面粗糙度 Ra值为 0.05~0.01μm。
? (5) 直接使用电能加工，易于实现自动化。
? 3,电火花加工的应用
? 目前电火花加工主要有两种类型，即电火花成形加工和电火花线切割。
? (1) 穿孔加工 加工型孔 (圆孔、方孔、多边形孔和异形孔 )、曲线孔 (弯孔、螺纹
孔 )、小孔、微孔，例如落料模、复合模、拉丝模、喷嘴、喷丝孔等。
? (2) 型腔加工 锻模、压铸模、挤压模、塑料模，以及整体叶轮、叶片等各种典
型零件的加工。
? (3) 线切割加工 进行线电极切割，例如切断、切割各类复杂型孔 (例如冲裁模 )。
? (4) 电火花切割加工按走丝速度可分为快走丝和慢走丝两种类型。快走丝速度一
般为 10m/s左右，电极丝可往复移动，并可以循环反复使用。慢走丝速度通常为
2~8m/min，为单向运动，电极丝为一次性使用。慢走丝线切割走丝平稳，无振动，
电极丝损耗小，加工精度高，是发展方向。
? 电火花加工主要适用于单件小批生产。
6.2.2 电解加工
? 1,电解加工的基本原理
? 电解加工就是利用金属在电解液中产生
阳极溶解的电化学腐蚀原理对工件进行
成形加工的一种方法 (也称电化学加工 )。
图 6－ 6为电解加工原理图。工件接阳极，
工具 (铜或不锈钢 )接阴极，两极间加
(6~24v)r的直流电压，工具阴极连续缓
慢均匀向工件进给，极间保持 0.1~1mm
间隙。具有一定压力 0.5~2MPa)的电解
液 (10~20%的食盐水 )从两极间隙中高速
(5~60 m/s)流过。阳极工件表面的金属
逐渐按阴极型面的形状溶解．电解产物
被高速电解液带走，于是在工件表面上
加工出与阳极型面基本相似的形状。 图 6－ 6
? 2,电解加工的工艺特点
? (1) 电解加工能以简单的进给运动，一次加工出形状复杂的型面和型腔 (如锻模、
叶片等 )；
? (2) 可加工高硬度、高强度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、高温合金
等；
? (3) 加工型面和型腔的效率比电火花加工高 5— 10倍；
? (4) 加工中无机械切削力或切削热，加工面质量好、无残余应力和毛刺；
? (5) 加工中阴极损耗小，一般可加工上千个零件；
? (6) 因影响电解加工的因素很多，故难于实现高精度的稳定加工。尺寸精度低于
电火花加工，且不易控制，一般型孔加工为,0.03~0.05mm，型腔加工为
0.05~0.2mm；
? (7) 电解液对机床有腐蚀作用，设备费用高，电解产物的处理和回收较困难，污
染较严重。
? 3,电解加工应用
? 电解加工主要用于加工各种型腔模具，各种型孔、花键孔、深孔、小孔等复杂型
面 (如汽轮机、航空发动机的叶片 )以及套料、膛线 (炮管、枪管的来复线等 )等。此
外还有电解抛光、倒棱、去毛刺、切割和刻印等。电解加工适于成批和大量生产，
多用于粗加工和半精加工。
6.2.3 超声波加工
? 1,超声波加工原理 ? 超声波比声波能量大得多，它对其传播方向上的障碍物产生很大的压力，能量强
度可达几十瓦到几百瓦每平方厘米，因此用超声波可进行机械加工。超声波加工
正是利用超声振动 (16kHz-30kHz)的工具冲击磨料对工件进行加工的一种方法，其
加工原理如图 6－ 7 所示。
起声波发生器 1产生超声频电振荡, 由能量转换器 3将其转变为
超声频机械振动 。 机械振动的振幅很小, 不能用来进行机械加
工, 需要再通过振幅扩大棒 4将振幅扩大 。 加工时, 工具 8固定
在振幅扩大棒端头, 获得超声频机械振动, 在工具与工件之间
不断地注入悬浮液 9,当工具与工件接触时, 由于工具高速冲
击悬浮液, 使悬浮液中的液体分子及固体磨粒以极高的速度冲
击工件被加工面, 冲击加速度可达重力加速度的一万倍左右,
在加工面上产生很大的瞬间压力, 通过磨料的作用使工件局部
材料破碎成粉末被打击下来 。 与此同时, 由于悬浮液的扰动,
磨料还以很高的速度和频率抛光研磨工件的加工面 。 悬浮液的
循环流动, 可使磨料不断更新, 并带走被粉碎下来的材料微粒,
工具逐渐向工件伸入, 工具形状就可复制在工件上 。
工具材料常用不淬火的 45钢。工具的形状和尺寸应比被加工
面的形状和尺寸相差一个, 加工间隙, 。磨料常用碳化硼、碳
化硅、氧化铝或金刚石粉等。工具振动频率一般选择在
16~25kHz，工具端部的振幅一般是 20~80μm。
图 6－ 7
? 2,超声波加工的特点和应用
? (1) 超声波加工主要适于加工各种硬脆材料，特别是不导电材料和半导体材料，
如玻璃、陶瓷、宝石、金刚石等。对于难以切削加工的高硬度、高强度的金属材
料，如淬火钢、硬质合金等，也可加工，但效率较低。因为超声波加工主要是靠
磨粒的冲击作用，材料越硬、越脆加工效率越高，对于韧性好的材料，由于缓冲
作用大则不易加工；
? (2) 易于加工各种形状复杂的型孔、型腔和成形表面，也可进行套料、切割和雕
刻等；
? (3) 对工件的宏观作用力小、热影响小，可加工某些不能承受较大切削力的薄壁、
薄片等零件；
? (4) 工具材料的硬度可低于工件硬度；
? (5) 超声波加工能获得较好的加工质量。尺寸精度可达 0.01~0.05mm，表面粗
糙度 Ra值为 0.4~0.1μm。因此，一些高精度的硬质合金冲压模、拉丝模等，常先
用电火花粗加工和半精加工，后用超声波精加工。
? 目前，超声波主要用于硬脆材料的孔加工、套料、切割、雕刻以及研磨金刚石拉
丝模等。
6.2.4 激光加工
? 1,激光加工的基本原理
? 激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小
和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相
近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达 107~1011w／
cm2，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将
瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷
射出去，这就是激光加工的工作原理。图 6－ 8是利用固体激光器加工的
原理示意图。当激光工作物 质 (如红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等 )受
到光泵 (即激励脉冲氙灯 )的激发后，吸收特定波长的光，在一定条件下可
形成工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，这种现象称
为粒子数反转。此时，一旦有少数激发粒子自发辐射发出光子，即可感
应所有其它激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大。并通过谐振腔的
反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光。通过透镜将激光束聚焦到
待加工表面上，即可对工件进行加工。
图 6－ 8
1－全反射镜 2－工作物质 3－光泵 4－部分反射镜 5－透镜 6－ 工作
?2,激光加工的特点和应用
?(1) 加工材料范围广，激光几乎对所有的金屈材料和非金属材料都可进行加
工。特别适于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料。
?(2) 激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，
加工精度。
?(3) 工件可离开加工机进行加工，并可通过空气、惰性气体或光学透明介质
进行加工。例如，激光能透过玻璃在真空管内进行焊接，这是普通焊接方法不能作 到的
?(4) 可进行微细加工。激光聚焦后可实现直径 0.01mm的小孔加工和窄缝切割。
在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片。
?(5) 加工速度 快，加工效率高。如在宝石上打孔，加工时间仅为机械加工方
法的 1%,
?(6) 不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作。
?(7) 可控性好，易于实现自动化。
?此外，激光还可用于动平衡校正、划线、薄膜蒸发等工作。
