精密特种加工第2讲精密切削加工

精密加工与特种加工,Precisionandultraprecisionmachining,（超）精密加工方法,第二讲（超）精密切削加工,（超）精密加工与特种加工,（超）精密切削加工学习提纲,（超）精密加工与特种加工,1、金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围?2、金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择?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。4、试述各工艺参数对超精密切削表面质量的影响。5、超精密切削时如何才能使加工表面成为优质的镜面?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?7、超精密切削时极限最小切削厚度是多少?8、试述超精密切削用金刚石刀具的磨损和破损特点。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?,（超）精密切削加工学习提纲,（超）精密加工与特种加工,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?13、单晶金刚石有哪几个主要晶面?14、比较直线修光刃和圆弧修光刃金刚石刀具的优缺点。15、试述金刚石刀具的金刚石固定方法。16、试述单晶金刚石刀具的研磨加工方法。17、单晶金刚石刀具质量的好坏如何评定?,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,（超）精密加工与特种加工,超精密切削加工（金刚石车削加工）,十五863子课题验收汇报,（超）精密加工,精密加工是指在精车、精镗、精铰、精磨的基础上，旨在获得比普通磨削更高精度（IT6IT5或更高）和更小的表面粗糙度（Ra0.10.01m）的研磨、珩磨、超级光磨和抛光等加工，从广义上讲，它还包括刮削、宽刀细刨和金刚石刀具切削等。,一、超精密切削加工概述,十五863子课题验收汇报,用刮刀刮除工件表面薄层的加工方法,在普通精刨和精铣基础上由手工操作,刮削余量为0.050.4mm,平面刮削的直线度可达0.0lmm/m,刮研,十五863子课题验收汇报,目前，大多数学者都将超精密加工技术分为两大类：机械超精密加工技术和非机械超精密加工技术。前者主要指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法的精密化、微型化。后者主要指微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等非传统加工的精密化、微型化。即超精密特种加工技术，而且包含了集成电路制作的一些微细加工技术。,一、超精密切削加工概述,机械超精密加工技术,十五863子课题验收汇报,用刃口圆弧半径很小的车刀进行高速、微量切削而获得高精度的工艺方法称为（超）精密车削。当代超精密加工技术（SPDT）是美国在20世纪60年代初用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。用金刚石刀具进行超精密切削，在符合要求的机床和环境条件下，可以得到超光滑表面，表面粗糙度Ra0.020.05m，精度0.01m。使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接切出超光滑的加工表面（镜面）。,一、超精密切削加工概述,金刚石刀具超精密切削,十五863子课题验收汇报,金刚石超精密切削技术，包括金刚石超精密车削技术和金刚石超精密铣削（飞切）技术，是超精密加工的重要分支，也是超精密加工技术发展最早、应用最为广泛的技术之一。金刚石超精密切削技术是在超精密数控车床上，采用具有纳米级锋利度的天然单晶金刚石刀具，在对机床加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点切削加工出符合光学质量要求的光学零件。,一、超精密切削加工概述,金刚石超精密切削加工技术,十五863子课题验收汇报,切削层非常薄，常在0.1m以下，切削在晶粒内进行，切削力原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）；刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受；高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,金刚石超精密加工技术,机理、特点,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0.1m数量级和表面粗糙度Ra值为0.01m数量的超精加工表面的一种精密切削方法。,概念,一、超精密切削加工概述,十五863子课题验收汇报,加工塑性材料，如有色金属（铜、铝及其合金）、金、银、无电镍等加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe晶体等加工有机玻璃和各种塑料精密车削主要用于铜、铝及其合金制件的最终加工，其它如纯金属、塑料、玻璃纤维、合成树脂及石墨等不宜采用磨削而加工要求较高的零件，也常使用精密车削。金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料最主要的精密加工方法。,可加工的材料,一、超精密切削加工概述,十五863子课题验收汇报,超精密加工脆性材料时，由于材料的脆性，切削加工表层极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。随着超精密切削技术的发展，车削脆性材料获得高质量的超光滑表面已成为可能。脆性材料要实现超精密切削的关键，加工表层的材料不是脆性破碎切除，而是实现塑性切削形成。,可加工的材料,一、超精密切削加工概述,切屑类型,陀螺仪、光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片、雷达的波导管内腔，计算机磁盘激光打印机的多面棱镜，录像机的磁头，复印机的硒鼓，菲尼尔透镜等,一、超精密切削加工概述,应用-典型产品,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,经SPDT加工的光学元件成品示意图,图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料,十五863子课题验收汇报,平面镜的切削,平面度0.06m表面粗糙度RmaxFY。,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,背吃刀量对切削力的影响试验结果见表。,3、影响切削力的因素,(3)背吃刀量,从表中可知，使用硬质合金车刀时，背吃刀量对切削力有明显的影响，对FZ的影响大于对FY的影响。,十五863子课题验收汇报,3、影响切削力的因素,从表中可知，使用天然金刚石车刀时，FZ仍然大于FY。原因是切削用量直接影响FZ的大小。切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着FY的大小。当切削用量减小时，FZ随之减小。由于切削刃口半径是固定值，所以当切削用量减小到一定值之后，FY才能大于FZ，但是由于天然金刚石车刀可以磨得很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由刃口圆弧部分产生的挤压小，后刀面上的正压力小，从而FY小，虽然是微量切削，FZ仍然大于FY,(3)背吃刀量,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,3、影响切削力的因素,一般切削时，FZ与FY的比值总是大于1，而精密切削时情况不一定是这样的，它取决于切削用量(f、ap)与刀具刃口半径的比值。当切削用量与刃口半径之比值达到一定数值时，FZ与FY的比值可以小于1。另外，在一般切削时，背吃刀量ap对切削力的影响大于进给量f对切削力的影响。在精密切削时则恰恰相反，进给量对切削力的影响大于切削深度的影响。这与精密切削时通常采用进给量大于背吃刀量的切削方式有关。,十五863子课题验收汇报,3、影响切削力的因素,(4)刀具材料,天然金刚石对切屑的摩擦因数比其他刀具材料要小很多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的切削要比其他材料刀具小。其他有关刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般切削相似。,十五863子课题验收汇报,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,切削中所消耗的能量绝大部分转变为切削热。切削热来自三个切削变形区的金属弹性变形、塑性变形和摩擦。(1)变形所消耗的功转变为热。变形所消耗的功包括两部分：弹性变形所消耗的功和塑性变形所消耗的功。前者占的比例很小，而后者较大。(2)摩擦所消耗的功转变为热。摩擦所消耗的功也包括两部分：前刀面与切屑摩擦所产生的热和后刀面与工件加工表面摩擦所产生的热。,十五863子课题验收汇报,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,切削热的来源,十五863子课题验收汇报,切削时大量的切削热是由切屑、工件、刀具和周围介质传导的。各部分所传出热量的比例，随工件材料、切削用量、刀具材料及刀具几何角度、加工情况等的变化而有所不同。通常情况下，切屑传出的热量最多，其余依次为刀具、工件及周围介质。,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,十五863子课题验收汇报,(1)车削加工：50%86%由切屑带走，10%40%传入车刀，3%9%传入工件，1%左右通过辐射传入空气。(2)钻削加工：28%由切屑带走，14.5%传入刀具，52.5%传入工件，5%左右传入周围介质。(3)磨削加工：4%由磨屑带走，12%传给砂轮，84%传入工件。,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,十五863子课题验收汇报,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,切削温度,切削热通过改变切削温度来影响切削过程。切削温度一般是指切屑、工件和刀具接触表面上的平均温度。刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响最大。切削温度的高低决定于切削时切削热产生的多少和散热条件。精密切削时，当切削单位从数微米缩小到小于1微米以下时，刀具刀尖部分会受到很大的应力作用，在单位面积上会产生很大的热量，使刀尖局部区域产生极高的温度。,十五863子课题验收汇报,自然热电偶法测量切削区域的平均温度人工热电偶法测量刀具、切屑、工件上指定点的温度，并可得出温度分布场。,a）自然热电偶法,b）、c）人工热电偶法,切削温度的测量,十五863子课题验收汇报,切削热对精密加工影响很大。切削热不但直接传到工件上，使工件的温度升高，而且还传到切削液中，使切削液温度上升，高温切削液反过来也会使工件的温度升高。在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总误差的4070。因此，在精密加工中必须严格控制工件的温度和环境温度的变化，否则无法达到精密加工所要求的高精度。例如，精密加工100mm长的铝合金零件，温度每变化1，将产生2.25m的误差。若要求确保0.1m的加工精度，则工件及环境温度就必须控制在0.05的范围内。,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,十五863子课题验收汇报,目前减小切削热对精密加工影响的主要措施是采用切削液浇注工件的方法。为了使工件充分冷却、切削液的浇注方式可以采用浇注加淋浴式，将大量的这种切削液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内。切削液的冷却方式可通过在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通以自来水，使切削液冷却。必要时还可以在冷却水箱中放入冰块，通过冰水混合液能可靠地把切削温度控制在所要求的范围内。通过优化刀具几何角度，切削用量也可以达到减小切削热的目的。,1、切削热,超精密切削时的切削热和切削液,十五863子课题验收汇报,2、切削液,超精密切削时的切削热和切削液,切削液对精密加工影响很大。图示曲线是在SI-125精密车床上用金刚石刀具切削铝合金时，干切削与使用切削液的切削对比。干切削比用切削液时的粗糙度差115个小级，甚至差1个大级。,物理吸附和化学吸附,十五863子课题验收汇报,刀具材料：天然金刚石车刀。工件材料：LYl2-CZ硬铝。切削用量：ap=0.002mm，f=0.01mm/r，v=68m/min。机床：CGM6125。,2、切削液,超精密切削时的切削热和切削液,十五863子课题验收汇报,美国加利福尼亚大学的Bryan等人，利用缝纫机用的矿物油喷淋加工区。国外还有利用大量的煤油和橄榄油对切削区进行冷润滑和冲洗。在用金刚石刀具切削计算机磁盘端面时，用酒精进行喷雾冷却润滑，取得了良好的效果。,2、切削液,超精密切削时的切削热和切削液,(1)抑制积屑瘤的生成。(2)降低加工区域温度，稳定加工精度。(3)减少切削力，摩擦减少。(4)减小刀具磨损，提高刀具耐用度。,切削液的作用,十五863子课题验收汇报,超精密切削时使用天然单晶金刚石刀具，切削刃可磨得极锋利。切削速度向来是影响刀具寿命最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具寿命极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具寿命甚高，可用很高的切削速度10002000m/min，而刀具的磨损甚小。,超精密切削时的切削速度,十五863子课题验收汇报,超精密切削要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度，这要求刀具有高的尺寸寿命。高速切削时刀具磨损亦甚慢。因此超精密切削时，切削速度并不受刀具寿命的制约。这是和普通的切削规律不同的。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。在该转速时表面粗糙度最小、加工质量最高。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。,超精密切削时的切削速度,十五863子课题验收汇报,例如：某超精密车床在700800r/min时振动最大。因此用这机床进行超精密切削时，要避开该转速范围，用高于或低于该转速切削，均可得到较好的加工表面质量。在加工批量小时可选低转速；在批量大要求生产率高时提高转速。,超精密切削时的切削速度,十五863子课题验收汇报,由于金刚石刀具存在微磨损，在切削一段时间后，刀具磨损会逐渐加剧，有时甚至会突然恶化。金刚石刀具的失效有两种形式：崩刃和磨损。金刚石刀具的机械磨损和微观崩刃是由刀刃处的微观解理造成的，其磨损的本质是微观解理的积累。金刚石刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上，在经过数百公里的切削长度之后，这种磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用，金刚石刀具也会产生热化学磨损。崩刃是当刀具刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受力时发生的。,超精密切削时刀具的磨损和寿命,十五863子课题验收汇报,超精密切削时刀具的磨损和寿命,天然单晶金刚石刀具用于超精密切削，破损或磨损而不能继续使用的标志为加工表面粗糙度超过规定值。,十五863子课题验收汇报,金刚石刀具的寿命平时以其切削路径的长度计。用天然单晶金刚石刀具对有色金属进行精密切削，如切削条件正常，刀具无意外损伤，刀具磨损极慢，刀具耐用度极高。金刚石刀具的寿命可达数百公里。,超精密切削时刀具的磨损和寿命,十五863子课题验收汇报,图示为美国LLL实验室进行的刀具磨损试验的结果，图a为切最初300m时的加工表面粗糙度，图b为切20km时的表面粗糙度。可以看到，在切削长度超过20km后，加工表面粗糙度Ra仍在0.01m以内，刀具仍能继续使用。由于刀具的磨损甚少，故同一刀具可以加工很多零件，零件的尺寸一致，基本不受刀具磨损的影响。,超精密切削时刀具的磨损和寿命,十五863子课题验收汇报,实际使用中金刚石刀具常达不到上述的寿命，常常是由于切削刃产生微小崩刃而不能继续使用，这主要是由于切削时的振动或刀刃的碰撞引起的。注意：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刀，不能继续使用。金刚石刀具要求使用维护极为小心，不允许在有振动的机床上使用。在刀具设计时应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃有较高强度。,超精密切削时刀具的磨损和寿命,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,超精密切削表面的形貌（粗糙度）是由刀具的轮廓映射到工件上的结果，主要影响因素有几何特性、塑性变形和机械加工振动等。几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度，主偏角、副偏角和进给量对残留面积高度的影响与普通车削一样。,1、几何特性,超精密切削的表面质量,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,金刚石刀具超精密切削时，刀具切削刃钝圆半径小，切薄能力强，形成流动切屑，因此切削作用是主要的。但由于实际切削刃钝圆半径不可能为零以及修光刃等的作用，因此还伴随着挤压作用。因此金刚石刀具超精密切削表面由微切削和微挤压形成，并以微切削为主。金刚石刀具超精密切削时，工件表层产生塑性变形，内层产生弹性变形。切削后，内层弹性恢复，受到表层阻碍，从而使表层产生残余压应力。另一方面，由于微挤压作用，也使得工件表层有残余压应力。,塑性变形,超精密切削的表面质量,十五863子课题验收汇报,超精密切削的表面质量,切削速度变化将影响切削变形，将影响加工表面的粗糙度和变质层，但在常用的超精密速度范围内对加工表面粗糙度的影响并不显著。这里讨论切削速度对加工表面粗糙度的影响时，只考虑使用切削液的情况。,切削速度对表面质量的影响,十五863子课题验收汇报,如图给出了一组切削速度变化对加工表面粗糙度影响关系的实验结果。可以看到有切削液的条件下切削速度对加工表面粗糙度的影响其微。不同切削速度下均能得到表面粗糙度极小的加工表面镜面。,超精密切削的表面质量,切削速度对表面质量的影响,十五863子课题验收汇报,切削速度对加工表面粗糙度基本无影响，表面粗糙度略有变化，主要是受机床动特性的影响。在刀具、机床、环境条件都符合条件时，从极低到很高切削速度，都能够得到粗糙度极小的加工表面(Ra0.01m)。,超精密切削的表面质量,切削速度对表面质量的影响,十五863子课题验收汇报,进给量和修光刃的影响,为使加工表面粗糙度值减小，超精切削都采用很小的进给量，刀具制成带修光刃的。,超精密切削的表面质量,实验数据表明，使用有修光刀的刀具时，f0.02mm/r时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大。,十五863子课题验收汇报,如图是在超精密切削条件下，变化进给量得到的加工表面粗糙度实验结果（实验中使用圆弧切削刃刀具）。可看到在进给量f5m/r时，均达到Rmax0.05m的镜面。,进给量和修光刃的影响,超精密切削的表面质量,十五863子课题验收汇报,超精密切削时用的单晶金刚石刀具，有做成直线修光刃的，也有的做成圆弧刃。刀具有直线修光刃时，可减少残留面积，减小加工表面的粗糙度值。修光刃的长度常取0.050.20mm。若长度过长，对提高加工表面质量效果不大。对有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。生产中常使用对刀显微镜来精确对刀。,进给量和修光刃的影响,超精密切削的表面质量,十五863子课题验收汇报,超精密切削的表面质量,在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量变化对加工表面粗糙度影响很小。,背吃刀量的影响,实验结果（图）：在v314m/min、f2.5m/r的超精密切削条件下，背吃刀量ap=0.55m时均得到极小表面粗糙度的镜面。,十五863子课题验收汇报,切削实验：采用v=314m/min、f=2.5m/r，加工材料硬铝2A12。使用日本生产的X射线应力测量仪测残留应力。实验结果（如图）：背吃刀量减少，表面残留应力亦减小，但小过某临界值时，背吃刀量减小反而使加工表面残留应力增加。临界值的大小和刀刃锋锐度(刀口半径rn)有关。即刀刃锋锐时该临界值就要小些。,超精密切削的表面质量,背吃刀量的影响,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,实现超精密切削的关键是极薄（超微量）去除技术，其难度比常规的大尺寸去除加工技术大得多，原因：1、由于刀具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，准确度难控制；2、工艺系统的刚度和热变形对加工准确度有很大影响；3、去除层越薄，被加工表面所受到的剪切应力越大，材料就越不易被去除。当去除厚度在1m以下时，就需在晶粒内进行加工，这时材料被去除的区域内产生的剪切应力急剧增大。,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,材料微量加工性材料的去除过程不仅取决于切削刀具，同时也严格受制于被加工材料本身。影响材料微量加工性的因素包括被切削材料对金刚石刀具的内部亲和性（化学反应）、材料本身的晶体结构、缺陷、分布和热处理状态等,十五863子课题验收汇报,精密加工和超精密加工应该用相应的精密加工和超精密加工用的材料，才能保证加工质量，用一般加工用的材料或不合要求的材料不能达到预期效果。具体要求：质地均匀，成分准确，性能稳定、一致，无外部和内部微观缺陷。化学成分杂质含量的误差应在10-210-3数量级；物理力学性能，如抗拉强度、硬度、伸长率、弹性模量、热导率、膨胀系数等，膨胀系数应达10-510-6数量级。冶炼、铸造、轧辗、热处理等工艺过程均应严格控制，温度、熔渣过滤、晶粒大小、均匀性及方向性等对材料在物理、化学、力学、加工等性能方面有很大影响。,超精密切削加工的特点,材料微量加工性,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,单位切削力大超精密切削是一种极薄切削，切削厚度可能小于晶粒的大小，故切削力的特征是切削力微小，但单位切削力非常大。实现纳米级超精密加工的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除，因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子结合力。当切削深度和进给量极小时，单位切削面积上的切削力将急剧增大，同时产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度升高，因此在微细切削时对刀具要求较高，需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的超硬刀具材料。,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,切削温度由于超精密切削的切削用量极小以及金刚石刀具和工件材料具有高导热性，因此，与传统切削相比，超精密切削的切削温度相当低。但对于精度极高的超精密加工来说，加工温度的微小变化对加工精度的影响也是不可忽略的。同时，切削温度对刀具磨损影响较大，切削温度在金刚石刀具的化学磨损中的影响也极为显著。,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,刃口圆弧半径对最小切削厚度的限制刀具刃口半径限制了其最小切削厚度，刀具刃口半径越小，允许的最小切削厚度也越小。目前常用的金刚石刀具的刀刃锋利度约0.20.5m，最小切削厚度0.030.15m，经过特殊刃磨的刀具可达最小切削厚度可达0.0140.026m。若需加工切削厚度为lnm的工件，刀具刃口半径必须小于5nm，目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用还比较困难。,十五863子课题验收汇报,超精密切削加工的特点,切削过程中的微振动加工表面粗糙度由刀具和工件之间相对运动的精度及刀具刃口形状决定。超精密切削时，由于切削深度常常小于材料的晶粒直径，所以相当于对一个个不连续体进行切削。这种微观上的断续切削及机床的动特性会引起切削过程中的微振动。超精密切削中的微振动对加工表面质量的影响也不容忽略。,十五863子课题验收汇报,保证超精密切削加工质量的措施与方法,减小刃口圆弧半径选择适当的刀具前、后刀面稳定的机床动特性和加工环境降低切削温度,十五863子课题验收汇报,超精密切削用金刚石刀具,三、超精密切削加工刀具,1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。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，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数不低，以得到极好的加工表面完整性。,十五863子课题验收汇报,三、超精密切削加工刀具,金刚石有甚高的硬度、较高的导热系数、和有色金属间的摩擦因数低、开始氧化的温度较高，这些都是超精密切削刀具所要求的。人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，刀刃圆弧半径很难达到小于1m，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。大颗粒人造单晶金刚石已能工业生产，并用于超精密切削，但价格仍很昂贵。立方氮化硼（CBN）刀具现用于加工黑色金属，但还达不到超精密镜面切削。,十五863子课题验收汇报,单晶金刚石可以研磨达到极锋利的刃口(rn可以小到0.050.01m)，没有其它任何材料可以磨到这样锋锐并且能长期切削而磨损很小。金刚石成为理想的、不能代替的超精密切削刀具材料。天然单晶金刚石在超精密切削的发展初期，人们把金刚石刀具切削和超精密切削等同起来，称SPDT（SinglePointDiamondTurning）,三、超精密切削加工刀具,十五863子课题验收汇报,超精密切削用金刚石刀具,三、超精密切削加工刀具,工业用金刚石A天然单晶金刚石b人造大颗粒单晶金刚石,十五863子课题验收汇报,超精密切削用金刚石刀具,三、超精密切削加工刀具,十五863子课题验收汇报,单晶金刚石片,十五863子课题验收汇报,衡量金刚石刀具的标准：能否加工出高质量的超光滑表面（Ra0.0050.02m）能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）设计的主要问题：优选切削部分的几何形状；前、后面选择最佳晶面；确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。,金刚石刀具的设计,三、超精密切削加工刀具,十五863子课题验收汇报,刀头形式金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.10.2mm国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.53mm。金刚石刀具的主偏角，平时采用3090度，用得较多的是45度。,金刚石刀具的设计,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,前角和后角由于金刚石的脆性，在保证获得较小的加工表面粗糙度前提下，为增加刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角，故刀具的前角和后角都取得较小。后角：o=58，多采用0=56加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取0=10前角根据加工材料，切铝、铜合金前角取010。,金刚石刀具的设计,十五863子课题验收汇报,金刚石刀具的设计,十五863子课题验收汇报,1,1,2,3,3,4,金刚石车刀举例1：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm,金刚石刀具的设计,该金刚石车刀工厂实际使用效果良好，能稳定地加工出Ra小于0.020.005的表面。,十五863子课题验收汇报,应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面，理由如下：1)（100）晶面的耐磨性高于（110）晶面；2)（100）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，（100）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多；3)（100）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（110）晶面的摩擦系数。,金刚石刀具的设计,十五863子课题验收汇报,对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。在小刀头上的固定方法有：机械夹固；粉末冶金法固定；粘结或钎焊固定。一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。,金刚石刀具的设计,十五863子课题验收汇报,超精密切削用金刚石刀具,三、超精密切削加工刀具,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,日本精密金刚石切削刀具,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,十五863子课题验收汇报,第二讲结束,十五863子课题验收汇报,应用该机床切黄铜粗糙度RZ1,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,超精密切削过程机理研究,金刚石刀具具有较高的耐磨性及形状再现性。金刚石超精密加工的切削深度一般在微米量级，可加工出微米级亚微米级的形状精度及纳米级表面粗糙度的精密工件。,十五863子课题验收汇报,刀具的磨损和破损由于金刚石刀具存在微磨损，在切削一段时间后，刀具磨损会逐渐加剧，有时甚至会突然恶化。金刚石刀具的失效有两种形式：崩刃和磨损。金刚石刀具的机械磨损和微观崩刃是由刀刃处的微观解理造成的，其磨损的本质是微观解理的积累。积累的金刚石刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上，在经过数百公里的切削长度之后，这种磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用，金刚石刀具也会产生热化学磨损。崩刃是当刀具刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受力时发生的，崩刃是所有的刀具问题中最难进行预测和控制的，而且对加工表面质量的影响比前、后刀面磨损的影响要大。抗磨损的有效措施是降低切削温度。此外，在充满饱和碳气体中进行切削也可抑制金刚石刀具向碳化方向的转变。,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,十五863子课题验收汇报,金刚石刀具超精密车削表面的形成,二、超精密切削加工机理,用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素：几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进绘量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度，主偏角、副偏角和进给量对残留面积高度的影响与普通车削一样。Ra=f/(ctgkr+ctgkr),Ra=f2/8r(r0)塑性变形不仅影响横向表面粗糙度，而且影响与切削运动方向相平行的纵向表面租糙度。加工中的振动对纵向表面粗糙度有影响，因此，超精密切削中，振动是不允许的。,十五863子课题验收汇报,金刚石刀具超精密车削的切屑形成,二、超精密切削加工机理,金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平，当前，最小切削深度可达0.1m以下，其主要影响因素是刀具的锋利程度，一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。如果切削深度太小，则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况。切削层的切向分力Fz使质点向前移动，形成切屑；法向分力Fy使质点压向被加工表面，形成挤压而无切屑。所以，切屑的形成取决于Fz和Fy的比值，当FzFy时有切削过程，形成切屑；当FzFy时有切削过程，形成切屑；当Fz314m/min时，积屑瘤较小且趋于稳定。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h0值比较稳定，在中速时h0值不稳定。切黄铜和纯铜，积屑瘤不稳定且比较小。高度h0在0.10.75m。,1切削速度对积屑瘤产生的影响,2U精罂与特种加工技术(1)机械磨损。机械磨损是由于机械摩擦所造成的磨损。在刀具开始切削的初磨阶段，刀具和工件、切屑的接触表面高低不平，形成犬牙交错现象，在相对运动中，双方的高峰都逐渐被磨平。最普遍的机械磨损现象是由于切屑或工件表面有一些微小的硬质点，如炭化物等，在刀具前刀面上划出沟纹而造成的磨料磨损。金刚石刀具使用一段时间后，在前、后刀面卜出现细长而光滑的磨损带，刀棱逐渐变成圆滑过渡的圆弧，随着力I11的继续会形成较大的圆弧或者发展成前面和后面之间的斜面。随着切削距离的增长，副后刀面上磨损增大，并ji；现两段不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。直线刃刀具的磨损情况如图218所示。右边的磨损部分磨损量很大，称为第1磨损区，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。左边磨损部分的磨损量较小，称为第1磨损区，这是因为右边部分的切削刃出现了硬损，使左边部分切削刃参加切削，切去I区残留的余量，因此II区的切削刃也产生了一定的磨损。但由于I区切削刃切削的深度远远大于II区切削刃切削深度，两个磨损区的磨损量大不相同，即形成了阶梯形磨损。前刀面上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩擦下，通常形成一条凹槽形的磨损带。磨损门槽的形状和刀具形状有关。图219所示是刀尖半径为2“m的切削刃前刀面卜出现的磨损门槽的形状。图218中左边为凹槽的剖面图，刀具材料为天然金刚石，工件材料为铝镁合金。当切削距离为100km时U槽的深度达到01pm。前向后向图218阶梯形磨损图219磨损凹槽金刚石刀具的这种机械磨损量非常微小，刀具后刀面的磨损区及前刀面的磨损凹槽表面非常平滑，使用这种磨损的刀具进行加工不会显著地影响加工表面质量。这种机械磨损主要产生在用金刚石刀具加工铝、铜、尼龙等物质材料时。加工这些材料时，切削过程稳定，无冲击振动。(2)刀具的破损。金刚石刀具破损的原因为如下几种：裂纹。结构缺陷可产生裂纹，另外当切屑经过刀具表面时，金刚石受到循环应力的作用也可产生裂纹，刀具表面研磨应力也会产生裂纹。这些裂纹在切削过程中会加剧，进而造成刀具的严重破损。碎裂。由于金刚石材料较脆，在切削过程中受到冲击和振动都会使金刚石切削刃产生微细的解理，形成碎裂。刀具的碎裂会降低切削刃的表面质量，影,OJDnl质量，甚至会20,十五863子课题验收汇报,第2章ti密切削加工2l形成较大范围的解理。解理。当垂直于金刚石(111)晶面的拉力超过某特定值时，两相邻的(111)面分离，产生解理劈开。如果金刚石晶面方向选择不当，切削力容易引起金刚石的解理，使刀具寿命急剧下降，尤其是在有冲击振动、切削不稳定的条件下，更容易产生解理。最新研究表明，为了增加切削刃的微观强度，减小破损概率，应选用微观强度最高的(110)晶面作为金刚石刀具的前后刀面。2)刀具磨损对加工质量的影响刀具的磨损形式在很大程度上取决于工件材料性质、金刚石特性的利用及机床的动态性能。特别是金刚石的特性与磨损有很大关系，合理地使用金刚石刀具，可以在较长时间内保持较高的加工质量。为了研究刀具的磨损形式与加工质量的关系，有人进行了相关的试验，试验结果如图220和图221所示。gi、蜊裂爨旧懈gj旮蜊犁翼恒擀切削距离km图220后刀面磨损及表面粗糙度同切削距离的关系工件材料：铝合金。刀具：直刃刀。尼龙(圆弧功切削距离km图221表面粗糙度同切削距离之间的关系21袁根福祝锡晶主编闫伟林陈远龙尹成龙副主编.21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材精密与特种加工技术.北京大学出版社,2007年08月第1版.,十五863子课题验收汇报,22。精密与特种加工技术工件材料：尼龙。从图220可知，用直刃金刚石刀具DH*铝合金时，刀具表面产生机械磨损，刀具表面磨损区的表面光滑。用这类磨损的刀具加工时，对工件加工表面粗糙度影响不大。虽然随着切削距离的增加，刀具磨损量不断增加，但由于这种磨损面很光滑，所以加工表面的粗糙度不发生改变。图221表示加工尼龙时工件表面粗糙度和加工距离之间的关系。在加工纯尼龙时，刀具不产生破损，加工表面粗糙度一直能保持不变。从图221还可看出，用圆弧刀切削含硬质点填料的尼龙时，工件表面粗糙度随着切削距离的增加而增加，这是因为尼龙中的硬质点填料在切削过