影响单点金刚石超精密车削加工精度因素的研究_权艳红

Equipment Manufacturing Technology No.2，2013 单点金刚石车削( S P D T ) 加工技术是获得纳米级 表面粗糙度及形状精度的加工技术，其是用超精密 数控车床和天然单晶体金刚石作刀具，在计算机控 制下进行加工， 已广泛应用于光学元件、 航空航天、 激光技术等领域。 用金刚石刀具对工件进行超精密车削的目的就 是为了获得不仅具有较高的尺寸精度，还具有良好 的表面完整性 （如较低的表面粗糙度、 较小的表面变 质层 ） 的高品质零件。 由于现阶段科学技术的局限性， 切削过程不可能像理想状态那么完善， 因此为了实现 高品质切削， 就必须知道究竟有哪些因素， 以什么程 度影响金刚石超精密切削的加工精度。 由于已加工表 面是通过刀具与工件之间的相对运动来形成的， 而该 相对运动的精度直接受所使用机床的精度的影响， 因 此机床的性能是对工件加工精度最基本的、 最主要的 影响因素。但对于单点金刚石切削加工而言， 要想提 高现有机床的精度是非常困难的， 因此更应关注机床 以外的因素。本文在总结前人研究成果的基础上， 从 车削加工技术的原理出发， 分析了影响单点金刚石超 精密车削加工精度的五个因素及解决办法。 1 单点金刚石超精密车削原理 单点金刚石车削加工技术是超精密加工中常用 的技术。由于金刚石的硬度高， 耐磨性强， 导热性优 越， 因此， 金刚石刀具的刃口可以非常锋利( 刃口半径 可以小于 0 . 0 5 m甚至更小) 。 在理想状态下， 采用圆 弧刃单点金刚石刀具进行超精密车削加工时， 在工件 加工表面形成轮廓峰和轮廓谷， 它们之间的距离就是 理论残留高度或者理论粗糙度， 如图 1（a ） 所示。 在实际超精密切削塑性材料时，主切削刃和前 刀面的主要任务是去除材料，切削层在前刀面的挤 压作用下发生剪切滑移和塑性变形，然后形成切屑 沿前刀面流出， 如图 1（b ） 所示。 前刀面的形状直接影 响塑性变形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之 间的摩擦特性， 并直接对切削力、 切削温度、 切屑的 折断方式和加工表面品质形成显著影响。主切削刃 是前刀面和后刀面的交线，实际上前刀面和后刀面 的交线不可能为理想直线， 而是一微观交接的曲线。 该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面 相交成交线的平均曲率半径来反映，称其为刃口半 径 。刃口半径越小， 应力越集中， 变形越容易， 切削 力越小， 加工表面品质越好。 目前计算机仿真技术与求解方法，已经被广泛 应用于科学研究的各个领域，此方法减少了物理实 验的成本， 加速了实验的过程。近年来， 有限元仿真 方法也被广泛的应用于加工过程的仿真中，作为一 种预测切削力与工件表面品质的工具，如图 2 是使 用 M S C . M a r c 进行单点金刚石车削原理的仿真，图 3 则是通过三维仿真的切削力变化情况。 2 影响加工精度的因素分析 2 . 1单点金刚石机床设备 单点金刚石超精密机床是实现超精密切削的首 影响单点金刚石超精密车削加工精度因素的研究 权艳红 （云南广播电视大学光电工程学院， 云南 昆明 6 5 0 5 0 0 ） 摘 要： 在夜视仪的光学系统中， 大量的光学元件都依靠单点金刚石车削加工， 因此研究影响单点金刚石超精密车削加 工精度的因素具有极其重要的意义。对单点金刚石切削加工技术的原理作了较全面的分析， 其中重点介绍了三维仿真 技术。为进一步提高加工水平及精度， 从五个方面分析了影响加工精度的因素， 并提出了解决问题的相关方法。 关键词： 单点金刚石车削； 仿真； 机床； 环境； 材料； 刀具 中图分类号： T G 5 1文献标识码： B文章编号： 1 6 7 2 - 5 4 5 X （2 0 1 3 ） 0 2 - 0 0 8 4 - 0 3 收稿日期： 2 0 1 2 - 1 1 - 1 1 作者简介： 权艳红 （1 9 7 6 ） ， 女， 云南昆明人， 讲师， 硕士， 主要从事光学零件制造及检测方向。 图 1 单点金刚石切削原理示意图 切 削 深 度 切屑 恢 复 层 分流线 刀具 0 R X Y h （a ） 理论残留高度（b ） 切削原理 84 装备制造技术 2 0 1 3 年第 2 期 要条件， 要想获得较高的加工精度和表面品质， 就需 要高精度的单点金刚石机床。单点金刚石机床的总 体精度是机床各组成部分 （如主轴、 导轨、 床身、 传动 系统、 控制系统等等） 精度的综合体现。机床主轴的 回转精度是超精密单点金刚石机床的一个重要精度 指标。随着对传统机床主要部件的精化以及一些高 新技术的应用， 如新型的磨擦驱动方式、 可实现纳米 级定位进给装置、 主轴的运动误差分析和补偿技术， 使单点金刚石机床的精度有了较大幅度的提高。同 时， 为了保证机床精度的长期稳定性， 用于制造单点 金刚石机床床身的材料需要具有较低的热膨胀系数 和较高的尺寸稳定性。 目前，常用的 N a n o f o r m2 5 0 机床是具有先进水 平的商用单点金刚石车床，其采用气浮主轴以保证 主轴运行平稳， 靠油压导轨保证导轨的平稳运动， 并 用花岗岩做机床底座以保证机床的热稳定性和刚 性， 气垫隔震， 最大加工直径为 3 0 0 m m 。 2 . 2加工环境 超精密切削必须在超稳定的加工环境中进行， 加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。一般 超精密环境条件主要指防振、恒温和超净三个方面 的条件， 具体如下： （1 ）为提高超精密切削系统的动态稳定性， 除了 在机床设计和制造上采取各种措施外，还必须采用 隔震系统保证机床不受或小受外界振动的影响。例 如美国 D T M - 3型金刚石车床就使用了空气弹簧隔 振系统， 隔振后轴承部件的相对振幅为 2 n m ， 并可防 止 1 . 5 2 H z 的外界振动的传入。 （2 ）在类似车削大口径锗透镜的加工时， 加工系 统和工件的热变形对加工精度有很明显的影响。实 践证明即使尺寸变化，其方向刚好在精度的敏感方 向上， 影响就很严重了。因此为了保证加工精度， 必 须将加工置于多层恒温条件下进行，即不仅放置机 床的房间恒温， 还对机床采取特殊的恒温措施。 （3 ）空气中的尘埃可能弄脏加工表面， 给清洗带 来麻烦， 并且如果尘埃的尺寸足够大， 也可能造成加 工表面的划伤 （尤其对软金属） ， 从而损坏已加工表 面品质，因此单点金刚石超精密切削还须有超净化 的环境。 2 . 3加工工件的材料 应用于红外光学的单晶锗、 单晶硅等脆性材料一 直被认为是 “不可以用金刚石切削” 的材料， 因为在普 通切削条件下， 金刚石刀具磨损极快， 无法保证加工 所需精度。最早成功实现金刚石超精密切削的工件材 料的有铜合金、 铝合金、 非电解镍及金、 银等韧性材料。 目前在特定的条件下， 也实现了对脆性的金刚石切削， 并应用于生产。 实践证明， 使用液氮将金刚石刀尖和工 件表面的温度控制在 1 5 0 K ， 可抑制金刚石刀具磨损， 使切削表面的粗糙度达到 R a 0 . 0 2 5m 。 然而， 即使是对 可加工性良好的材料， 由于材料的微观缺陷， 如杂质和 沉积物等， 也会对加工表面的品质带来影响。 大量的实验研究工作已经表明单点金刚石切削 中的许多物理现象，如切削力的波动等都与工件材 料的晶体取向有关，所以为了进一步认识单点金刚 石超精密切削的形成机理， 提高已加工表面品质， 迫 切需要从微观的角度来研究剪切角、切削力与工件 材料晶体取向之间的关系。 2 . 4金刚石刀具品质的影响 天然单晶金刚石由于其极高的硬度、优良的耐 磨性、 导热性和化学稳定性， 加之和有色金属的磨擦 系数比较低， 亲合力小， 还有最为重要的一点， 即由 其晶体结构本身所决定的可磨出极锋利的刃口和光 洁度极高的刀面， 因此， 一致被公认为最理想的超精 密切削用刀材料。 由于在超精密切削中， 机床的精度很高， 这时所 能达到的加工精度主要取决于实际最小切削深度。 金刚石刀具的刃口锋利度是影响最小切削深度的基 本因素，刀具刃口半径越小，可实现的最小切深越 小， 切削变形就越小， 可能达到的加工精度和表面品 质就越高。对于金刚石刀具来说， 不但要求刃口极锋 利，而且对切削刃的几何形状精度也有较高的要求， 在制造刀具时， 必须采用高精度的测量技术， 严格控 制刀具的刃口半径和几何形状。据相关资料报道， 研 磨品质最好的金刚石刀具， 其刃口半径可达到纳米级 水平； 对于其几何形状， 刃口直线度可达 0 . 0 3 m ， 对 圆弧刃刀具， 轮廓精度可达 0 . 0 5 m 。 2 . 5切削参数的影响 有了超高精度的机床和加工环境，加上高品质 的金刚石刀具和可加工材料，如果切削参数选择不 当， 也难以得到高品质的加工表面。以红外光学最常 用的单晶锗为例， 实验结果表明， 改变切削速度， 加 工表面的粗糙度变化不大；而进给量对加工表面品 质的影响较大， 进给量越大表面品质越差。 图 3 切削力变化结果图图 2 三维仿真结果图 85 Equipment Manufacturing Technology No.2，2013 S t r u c t u r eF a c t o r A n a l y s i s o f A f f e c t i n gt h eC o g g i n gT o r q u eo f P e r ma n e n t - ma g n e t Mo t o r C H E NH e ， S H A OWe i - p i n g ， H A OY o n g - p i n g ， Z H A N GJ i a - y i ( R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t C e n t e r o f C A D / C A M ， S h e n y a n g l i g o n g U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 5 9 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A i m e da t e x c e s s i v ef l u c t u a t i o no f t h eo u t p u t t o r q u ea n ds m o o t hr o t a t i o no f t h ep e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r , b a s e do nt w o - d i m e n s i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd e s i g nt h e o r y , u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d , w eh a v es t u d i e dt h e f a c t o r s a f f e c t i n g c o g g i n g t o r q u e s u c ha s p o l e - s l o t c o m b i n a t i o na n dt h e a i r g a pl e n g t ho f t h e p e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r . A n d t h e r u l e s o f t h e e f f e c t o n c o g g i n g t o r q u e i s p r o p o s e d , w h i c h s u p p l i e s t h e r e f e r e n c e f o r t h e f o l l o w i n g r e s e a r c h w o r k . K e y w o r d s ： p e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r ； c o g g i n g t o r q u e ； f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ； c h o p p i n g c o n t r o l 2 B . Z h a n g , Y . L i , Y . Z u o . A D S P - b a s e df u l l yd i g i t a lP M S M s e r v o d r i v e su s i n go n - l i n e s e l f - t u m i n gc o n t r o l l e r J . I E E EI P E M C C o n f ， 2 0 0 0 : 3 3 - 3 6 . 3 唐任远. 特种电机原理及应用 M . 北京: 机械工业出版社， 2 0 1 0 . 4 王秀和. 永磁电机 M . 北京: 中国电力出版社， 2 0 0 7 . 5 赵 博. A n s o f t 1 2在工程电磁场中的应用 M . 北京: 中国水 利水电出版社， 2 0 1 0 . A f f e c t S i n g l eP o i n t D i a mo n du l t r a - p r e c i s i o nT u r n i n gMa c h i n i n gA c c u r a c y F a c t o r s Q U A NY a n - h o n g （c o l l e g e Y u n n a n R a d i o a n d T VU n i v e r s i t y ， C o l l e g e o f O p t o e l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， K u n m i n g 6 5 0 5 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I nt h en i g h t v i s i o nd e v i c eo f o p t i c a l s y s t e m , al a r g en u m b e r o f o p t i c a l c o m p o n e n t s d e p e n do ns i n g l ep o i n t d i a m o n dt u r n i n g p r o c e s s i n g , s o t h e i n f l u e n c e s i n g l ep o i n t d i a m o n du l t r a - p r e c i s i o nt u r n i n gm a c h i n i n gp r e c i s i o nf a c t o r h a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e .F o rs i n g l ep o i n td i a m o n dc u t t i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h ep r i n c i p l eo f c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s , o f w h i c hm a i n l y i n t r o d u c e s t h r e ed i m e n s i o n a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y . I no r d e r t oi m p r o v et h e l e