金刚石刀具精密切削加工课件

第2章金刚石刀具精密切削加工,精密与特种加工的产生背景精密与特种加工的特点精密与特种加工对机械制造领域的影响精密与特种加工的方法精密与特种加工的分类精密与特种加工技术的地位和作用,2.1概述,(1)提高零件的加工精度可提高产品的性能和质量，提高产品的稳定性和可靠性。资料表明，将飞机发动机转子叶片的加工精度由60m提高到12m，加工表面粗糙度Ra0.5m减少到0.3m，则发动机的压缩效率将从89%提高到94%。20世纪80年代初，苏联从日本引进了4台精密数控铣床，用于加工螺旋桨曲面，使其潜艇的水下航行噪声大幅度下降，即使使用精密的声呐探测装置也很难发现潜艇的行踪，此事震惊了西方有关国家的国防部门。,2.1.1现代机械工业致力于提高零件加工精度的原因,(2)提高零件的加工精度可促进产品的小型化。传动齿轮的齿形及齿距误差直接影响了其传递扭矩的能力。若将该误差从目前36m降低到1m，则齿轮箱单位质量所能传递的扭矩将提高近1倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。IBM公司开发的磁盘，其记忆密度由1957年的300bit/提高到l982年的254万bit/c，提高了近1万倍，这在很大程度上应归功于磁盘基片加工精度的提高和表面粗糙度的减小。,(3)提高零件的加工精度可增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配应用，推进自动化生产。自动化装配是提高装配生产率和装配质量的重要手段。自动化装配的前提是零件必须完全互换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而导致零件的加工精度要求极高。精密加工使之成为可能。,2.1概述,1.定义及特点所谓精密加工，是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。不同的发展时期，其技术指标有所不同。目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是1m，与之相对应,2.1.2精密与超精密加工相关概念,精密和超精密加工的指标描述：精密加工:加工精度在0.11m之间，加工表面粗糙度在Ra0.10.02m之间的加工方法称为精密加工；超精密加工:加工精度高于0.1m，加工表面粗糙度小于Ra0.01m的加工方法称为超精密加工。,2.1概述,2.基本刀具（切削）天然金刚石刀具是精密与超精密加工的基本刀具。3.本质与普通切削加工相同：材料在刀具作用下产生剪切、断裂、摩擦挤压，滑移变形的过程。4.应用范围（1）单件大型超精密零件的切削加工（2）大量生产中的中小型精密零件加工例如，光学系统中的反射镜；探测仪器中的各种镜面；日常消费品中，用于加工有机玻璃，各种塑料（投影电视屏幕，相机镜片，树脂眼镜片）,2.1.2精密与超精密加工相关概念,5.各种加工方法所能达到的精度及其发展趋势,微米,原子间隔是0.310-3m,2.1.3超精密加工难点超微量去除技术,1加工精度难以控制加工表面微观的弹性变形和塑性是随机的2加工区切向应力太大加工要在晶体内进行3机床刚度环境温度影响,缺陷尺寸大小分布,2.1.4超精密加工方法,加工方式切削加工磨削加工特种加工复合加工,时间传统加工非传统加工复合加工,方法,2.1.4超精密加工方法,增减材料切除加工结合加工变形加工,2.1.5超精密加工的实现条件,超精密加工机理与工艺方法超精密加工工艺装备超精密加工刀具超精密加工工件材料精密测量与补偿技术超精密加工工作环境和条件,扫描隧道显微镜,2.2超精密机床及其关键部件,与传统机床关键部件的区别,超精密加工工艺对超精密加工机床的要求,2.2.1典型超精密机床简介,1、高加工精度2、高的机床刚度3、高的加工稳定性4、高的自动化,UnionCarbide公司的半球机床,能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6m，表面粗糙度0.025m。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。,2.2.1典型超精密机床简介,Moore车床,由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。,2.2.1典型机床简介,Pneumo公司的MSG-325超精密车床,采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05m。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01m的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。,DTM-3大型超精密车床,采用精密数控伺服方式，控制部分为内装式CNC装置和激光干涉测长仪，精确测量定位，在DC伺服机构内装有压电微位移机构，实现纳米级微位移。,20世纪50年代末期，随着国防技术和尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术，当时称为“SPDT技术”（SignalPointDiamondTurning）或者“微英尺技术”。1微英尺=0.025m目前,世界上超精密加工最高水平的三台大型超精密机床分别是:美国LLNL国家实验室的DTM3型卧式大型光学金刚石车床、LODTM型立式大型光学金刚石车床和英国Cranfield公司研制成功的OAGM2500型超精密机床。,美国LLL实验室的LODTM,LLL=LowrenceLivermoreNationalLaboratory（美国劳伦斯里弗莫尔国立研究所）,大型光学金刚石车床LODTM,LODTM由美国国防部高等研究计划局（DARPA）投资1300万美元，LLL实验室和空军Wright航空研究所等单位合作研制。1980年3月开始到1983年7月初步制成加工光学零件的LODTM大型光学金刚石切削机床（LargeOpticalDiamondTurningMachine），历时40个月。1984年LODTM正式研制成功。该机床可加工大型金属反光镜的范围：尺寸：1625*500mm重量：1360kg,机床结构：立式（减小工件重量产生的变形）机床主轴：油静压径向轴承,液体静压止推轴承,柔性连接驱动方式机床导轨：X轴为V一平面液体静压导轨Z轴为平面空气静压导轨机床底座：6.4x4.6xl.5m3的花岗岩,花岗岩热膨胀系数低,稳定性好,对振动的衰减能力比钢强15倍。,机床结构特点：,吸湿性钻孔埋入螺母,大型光学金刚石车床LODTM,机床采用立式结构，采用止推轴承，7路高分辨率双频激光测量系统，4路激光检测横梁上溜板的运动，3路激光检测刀架上下运动位置，使用在线测量和误差补偿，各发热部件用大量恒温水冷却，用大的地基，地基周围有防振沟，且整个机床用4个大空气弹簧支承。,OAGM2500大型超精密机床,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。床身采用型钢焊接结构，用精密数控驱动，双频激光测量系统检测运动位置。,AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床,有一个x和y向调整的刀架及作B轴转动的高精度转台，借助三轴精密数控，加工平面、球面和非球曲面。采用空气轴承，刀架设计滑板结构，直线移动分辨力0.01m，激光测量反馈，定位精度全行程0.03m。加工模具形状精度0.05m，表面粗糙度0.025m,2.2.2主轴静压轴承,回转精度在主轴空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动的大小。影响回转精度的因素（1）轴承精度和间隙的影响。（2）主轴、支承座等零件中精度的影响。关键在于精密轴承。,分为：液体静压和空气静压,液体静压轴承回转精度高（可达0.1m），且转动平稳，无振动，因此某些超精密机床主轴使用这种轴承。液体静压轴承也存在下列缺点：液体静压轴承的油温升高，在不同转速时温度升高值不相同，因此要控制恒温较难，温升造成的热变形会影响主轴回转度。静压油回油时将空气带入油隙中，形成微小气泡不易排出，这将降低液体静压轴承的刚度和动特性。针对上述问题，目前采取以下两种措施：提高静压油的压力，使油中微小气泡的影响减小。静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温；同时轴承采用恒温水冷却，减小轴承的温升，采用了上述措施后，液体静压轴承主轴得到了令人满意的性能。,液体静压轴承主轴,具有很高的回转精度。主轴在高速转动时空气温升很小，基本达到恒温状态，因此造成的热变形误差很小。空气轴承的刚度较低，只能承受较小的载荷。超精密切削时切削力很小，空气轴承能满足要求，放在超精密机床中得到广泛的应用。,气体静压轴承主轴,空气静压轴承主轴,2.2.3精密机床导轨及其结构形式,1、导轨常见的布局形式,T形布局,十字布局,空间三维布局,极坐标布局,2、常见导轨结构,导轨的形状有燕尾型、平面型、V型和双V型,1）液体静压导轨,液体静压导轨布局,液体静压导轨结构,3）空气静压导轨和气浮导轨,静压导轨,气浮导轨,2.2.4常见的床身材料,2.2.5微进给的驱动,电致伸缩驱动,T形弹簧微驱动,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、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。常用材料不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。,2.3金刚石的结构与性能,2.3.1超精密切削对刀具的要求,金刚石刀具对超精密切削的适应性金刚石刀具的性能特点(优点)硬度极高，比硬质合金的硬度高56倍摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小能磨出极锋锐的刀刃，最小刃口半径15nm。耐磨性能好，比硬质合金高50100倍导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小,缺点：不适宜切削黑色金属很脆，避免振动价格昂贵，刃磨困难天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。,适于金刚石刀具切削的金属Cu、Al、Pb可加工性极好Au、Ag、Pt可加工性良好Be、Ta、Fe、Ni、Mo、Ti、V、W等可加工性差各种塑料的可加工性良好光学元件所使用的Si、Ce等可加工性比切削性能良好的金属差。,晶格模型,晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式.晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。,面心结构,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数a，b，c,组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以、表示。根据6个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于7种类型，即7个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金刚石属于六方晶系。,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。,2.3.2金刚石的晶体结构,人造聚晶金刚石（PCD)。二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石（PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石。但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开。,2.3.2金刚石的晶体结构,根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。,金刚石晶体的密度比,(100)网面之间的距离,(110)网面之间的距离,(111)网面之间的距离；,不同方向的体积密度比为：(100):(110):(111)=8:6.531:9.237,解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。（111）面宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。,金刚石的力学性能有各项异性,1)A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x105m3/(Nms1)；2)B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x105m3/(Nms1)；3)C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为：1x105m3/(Nms1)。可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。,高磨削率方向称为“好磨方向”，低磨削率方向称为“难磨方向”。,2.3.5金刚石晶体各晶面的耐磨性,不同方向的体积密度比为：(100):(110):(111)=8:6.531:9.237,好磨难磨方向,2.4金刚石晶体的定向,1有人工目测定向主要根据金刚石的外形来进行定向(111)面是正三角形；(110)是菱形；(100)是正方形2激光衍射定向3X射线测定向,(100)面衍射,(111)面衍射,(110)面衍射,利用X射线照射晶体,照在不同的晶面在照相底片上产生不同衍射条纹,激光衍射图像,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）设计金刚石刀具时最主要问题有三个：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。,2.5金刚石刀具的结构,2.5.1金刚石刀具的设计,前角,后角,副偏角,主偏角,刃倾角,正交平面参考系,普通刀具的几何结构,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。,刀头形式,刀具几何角度刀具前角一般=00、=60两种。加工塑性材料时，前角应选大些，使得切削能顺利从前面流出，减小切削力。因金刚石刀具较脆，前角取大时易崩裂，故通常取为0，而在加工薄壁零件时取=60后角的作用是减少后间隙与零件的摩擦，一般取=60120,为了改善刀具的传热和增加刀具强度，可取=50。,金刚石车刀举例,1,1,2,3,1：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm,3,4,天然金刚石刀具人造金刚石