精密加工技术课件

超精密金刚石刀具特点及应用,朱孟磊2020/6/6,一超精密金刚石刀具的性能特点,金刚石常以镶包或焊接的方式与刀杆连接，并用切削的方式，以高效、低成本、确定性去除和几乎无亚表面损伤的特点，获得纳米级表面粗糙度和亚微米级尺寸廓形精度，甚至更高。这是由金刚石的机械、物理特性和刀具几何构成所决定的。总的来说，金刚石刀具的主要特点如下,高的硬度和耐磨性,低的线膨胀系数,高的热导性,大的弹性模量,低的摩擦因数,极小的刀刃钝圆半径,平滑的刃口,高硬度和高耐磨性,大量研究表明，能够实现切削的条件必须是刀具的硬度大于被加工材料的硬度。这种差值越大，切削越顺利。天然金刚石的显微硬度高达10000，是当今自然界已经发现的最硬的物质，因此有着极高的耐磨性(比硬质合金约高80l2O倍)，能对绝大多数材料进行切削加工，且在切削过程中金刚石刀具的尺寸保持性极高，若作为成型刀具，有着极高的廓形保持能力。这一特性，十分有益于控制超精切削加工时的尺寸和廓形精度。,低的线膨胀系数,金刚石的线膨胀系数是硬质合金的1/41/6，是高速钢的1/9l/12。因此，切削过程中若切削温度变化相同，则金刚石刀具的尺寸变化明显小，这样十分有益于超精加工的尺寸精度控制。,线膨胀系数,高的热导性,金刚石刀具的导热性明显优于其他刀具材料。因此切削的热量不易集聚，切削温度较低，有益于超精加工尺寸精度控制，同时也减小了对被切削工件表面质量的负面影响。,热,导,性,大的弹性模量,是指材料的应力与应变之比，金刚石的弹性模量比其他刀具材料的弹性模量都大，这就意味着相同应力下，金刚石刀具的应变要比其他材料刀具的要小，这当然也有利于超精加工的尺寸精度控制。,低的摩擦因数,金刚石刀具的前、后刀面能研磨得极光滑(表面粗糙度可达到nm级)，它与有色金属间的摩擦因数在0.10.3之间，比其他材料刀具都低，因此可降低切削区变形，减小了切削力(功)转换成切削热，使切削温度降低，从而有利于超精加工的尺寸精度控制和减小了对被切削工件表面质量的负面影响。,极小的刀刃钝圆半径,金刚刀具刀刃的钝圆半径在超精密切削中扮演着极为重要的角色，刀刃钝圆半径越小，越能实现薄的切削厚度和切削深度，能降低切削区的弹塑性变形，进而降低切削力、切削温度和刀具磨损，使得切削变得十分平稳。这对超精密加工来说是极有价值的，因为弹性、塑性变形引起的尺寸变化是难以掌握和控制的，所以减少这些变形，便是减小影响超精加工中尺寸变化的最佳、最有效的方法，同时也降低了对被切削工件表面质量的负面影响。目前能做到的刀刃钝圆半径为1O20nm，甚至更小。,平滑的刃口,只有金刚石刀具的刃口可以做到极为平滑，可达纳米级。切削加工刃口的形状会直接复印到工件表面上。因此，只有平滑完美的刃口才能加出光滑完美的工件表面。,通过以上对金刚石刀具特点的分析可知，为获得超精切削加工的尺寸和廓形精度，金刚石刀具与其他任何材质的刀具相比，都有着无法比拟的优点此外，它还特别适合微型复杂廓形零件的切削加工当前在超精密加工中，金刚石超精密切削加工扮演着十分重要的角色，随着现代精密机电产品的不断进步和拓展，更突显其价值和广泛应用的潜力。,金刚石刀具的缺点,金刚石不但有极高的硬度和耐磨性，而且切削刃非常锋利，刃部粗糙度值小，摩擦因数低，抗黏结性好，热导率高，切削时不易黏刀及产生积屑瘤，加工表面质量好。能有效地加工非铁金属材料和非金属材料，如铜、铝等有色金属及其合金、陶瓷、未烧结的硬质合金、各种纤维和颗粒加强的复合材料、塑料、橡胶、石墨、玻璃和各种耐磨木材(尤其是实心木和胶合板MDF等复合材料)。金刚石的缺点是韧性差，热稳定性低，与铁族元素接触时有化学反应(4C+3FeFe3C4)，在700800时将碳化(即石墨化)，一般不适于加工钢铁材料。此外，金刚石刀具刃磨困难，价格昂贵。,二金刚石刀具的种类和选用,使用天然单晶金刚石刀具对精密超精密零件进行切削始于50年代末期。初期的被加工零件多为形状简单的圆柱表面、平面和球面，只要求达到RMAX=0.1m即可。后来发展要求加工非球面曲面反射镜，再发展要求加工大型反射镜。要求很高的形状精度和很小的表面粗糙度。目前，天然单晶金刚石刀具的使用已经相当成熟，但是由于其产量低，价格贵，加上人造金刚石的出现，天然单晶金刚石刀具在精密加工领域的使用量的增加趋势有所减弱，几种人造金刚石以其良好的性能价格比和逐步成熟的使用技术，已经逐步占领了要求相对较低的精密加工市场。,金刚石刀具的种类,金刚石刀具的种类,单晶金刚石刀具,单晶金刚石有天然的(ND)和人工合成的2种。单晶金刚石用作切削刀具必须是大颗粒的，一般其质量要大于0.1g，其最小直径和长度均不得小于3mm，单晶金刚石刀具主要用于对表面粗糙度、几何形状精度和尺寸精度有较高要求的精密加工领域。天然单晶金刚石是金刚石中最耐磨的材料。它本身质地细密，经过精细研磨，切削刃的刃口圆弧半径可小到0.0100.002m。但天然单晶金刚石较脆，其结晶各向异性，不同晶面或同一晶面不同方向的晶体硬度均有差异，在进行刃磨和使用时必须选择合适的方向，使用条件较为苛刻，且资源有限，价格十分昂贵。天然单晶金刚石刀具主要用于某些有色金属的超精密切削加工或用于黄金首饰的生产加工中。,单晶金刚石刀具,人工合成单晶金刚石的尺寸、形状和性能都具有良好的一致性，目前由于高温、高压技术日趋成熟，能够制备一定尺寸的人工合成单晶金刚石，南非DeBeers公司和美国生产的合成单晶金刚石颗粒尺寸可达910mm，使人工合成单晶金刚石的应用在工业生产中得到了迅速的发展。尤其在加工高耐磨的层状木板时，其切削性能要优于PCD金刚石，而不会引起刃口的过早钝化。,聚晶金刚石及其复合刀片(PVD/CC),1955年，美国GE公司用高温高压法成功的合成可人造金刚石，1966年研制出了人造聚晶金刚石复合刀片(PCD)，自此人造金刚石作为刀具材料得到了进一步的发展。从70年代至今，PCD刀具以其良好的性能(硬度、耐磨性、磨擦系数、导热性等与天然单晶金刚石接近，而且PCD刀具是多晶体，因此具有各向同性)，较低的价格逐步进入了汽车、摩托车、航空等行业的精密甚至是超精密加工领域。目前PCD刀具的使用已经是一种较为成熟的技术，应用于一般的精密加工中。一般多为可转位刀具、焊接式刀具等。但由于PCD刀具很难加工成复杂的形状，其使用和推广受到一定的限制。,聚晶金刚石及其复合刀片(PVD/CC),我国第一个人造金刚石及其制品的专业生产厂贵阳第六砂轮厂，于1969年投产，标志着我国人造金刚石进人了工业化生产阶段。我国人造金刚石产量虽居世界首位，但产品质量与发达国家还存在很大差距，主要表现在产品的冲击强度和高温冲击强度较低，杂质缺陷多。为提高PCD刀片的韧性和可焊性，可用硬质合金为基底，在其表面烧结或压制一层0.51mm厚的PCD而组成金刚石复合刀片(PCD/CC)。PCD/CC可用钎焊或机夹方式制作刀具。由于其可焊性好，重磨容易，成本低，故应用广泛。,化学气相沉积（CVD）金刚石刀具,CVD金刚石是一种高抗磨性的纯金刚石材料，不含结合剂，它是在低于1000的温度和低压(TFD人工合成单晶金刚石ND；2)对耐磨性、耐腐蚀性而言，应是：人工合成单晶金刚石NDTFDPCD。可见3种人造金刚石各有特点，在一定程度上能相互补充，须根据不同具体情况，以及它们的性能价格比加以选用。通常PCD刀具适合于粗加工和要求刀具有较高断裂韧性的场合，CVD厚膜和单晶金刚石刀具多用于高速精加工和半精加工等场合。,电镀金刚石刀具,电镀金刚石刀具是用电镀金属镍、铜和钴等作结合剂，把大量金刚石的细小颗粒包镶在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面上，再经过适当修磨而制成。此法制造工艺简单，只需要电镀设备即可。例如，郑州磨料磨具磨削研究所和山东蓬莱金刚石工具厂等生产的电镀金刚石铰刀就属于这一类刀具使用表明，用其可成功地加工尺寸精度和几何形状精度都小于2m、表面粗糙度达Rmax=0.40.2m的孔，且加工出的孔尺寸分散度小。该刀具还具有使用寿命长(平均每把刀具可加工12万个工件)、加工效率高的特点。例如，广泛用于液压随动系统和燃油系统精密偶件的阀孔、机械和精密仪表中各种精密孔，目前生产上的最终工序大多用这种铰刀加工。,三超精密金刚石刀具的应用实例,超精密金刚石铲刀为了增加系统的光学性能，减小尺寸和重量，则需要相同尺寸、精度及表面粗糙度的大量的微光学结构元件。因此，在制造当代光学装置中越来越多地采用微结构表面的模压组件，如菲涅耳镜，衍射镜，三棱镜和微反射阵列等。对于模具形状为三棱、多棱或者棱体阵列凹腔的切削加工，用传统的金刚石车削，铣削和刨削都难以做到清根而不能达到光学几何精度要求。为此，推荐采用金刚石微铲削法DMC(diamondmicrochiselling)。,超精密金刚石铲刀,三棱凹腔铲削原理,菲涅耳镜,衍射镜,三棱镜,微反射阵列,超精密金刚石车刀,金刚石车削是一项十分成熟的技术，它特别适合加工旋转对称和复杂、小型微结构的光学零组件。早期应用于红外金属镜和单晶(如硅)光学镜的制造，当今则广泛地应用于塑料光学镜或塑料光学镜模具的制造。现代光学系统中非球面微光学结构，可在改进光学性能的同时减少光学元件的数量，从而达到节约空间和减轻重量等诸多目的。如非球面双曲柱面镜阵用于声-光转换的传递中，明显提高效率，通常可使信噪比降低2/3。又如呈锯齿状的衍射光学元件和菲涅耳光学元件，可集若干光学功能于一个组件。典型实例是用于当代顶尖手机的微型摄像头，为提供1兆像素的分辨率，是由三个非球面光学镜片组成，每个镜片的廓形精度均达到波纹度P-V0.5m。,纳微米超精金刚石成型刀具,随着微光机电子系统