金刚石切削与精密磨削

2.0金刚石切削与精密磨削,2.0.1金刚石超精密切削1金刚石超精密切削技术的进展金刚石超精密切削是超精密加工技术的一个重要组成部分，早期主要用来加工有色金属如无氧铀或铝合金等。采用金刚石超精密切削技术可达到纳米级加工水平，不少国防尖端产品零件(如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等)都需要利用金刚石超精密切削来加工。用刃磨得极为锋利的单晶金刚石刀具切削有色金属和非金属材料可获得Ra0.0020.02m的镜面。用双坐标数控超精密机床可加工出几何精度极高的球面和非球曲面。经精细研磨达到极高刃口锋锐度的金刚石刀具可切除厚度仅为1nm的切屑。,2金刚石超精密切削机理金刚石超精密切削机理与一般切削机理有很大的不同。金刚石超精密切削时，其背吃刀量ap可在1m以下，刀具可能处于工件晶粒内部切削状态，即切除晶粒的一部分，保留另一部分。切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大的热量，造成刀刃在局部区域内的高应力、高温的工作状态。从刀刃锐利度方面来看，当刀具楔角为70时，一般硬质合金刀具的刃口半径只能达到1824m，高速钢刀具的刃口半径可达到1215m，而金刚石刀具的刃口半径则可达0.010.005m。,图3.23极限切削厚度与刃口半径的关系,金刚石超精密切削时，切削厚度极小，刀具所能达到的极限切削厚度与摩擦系数（剪切角）及刀具刃口半径密切相关：当=0.12时，可得：hDmin=0.322当=0.26时，可得：hDmin=0.249若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径为3-4nm。国外，金刚石刀具刃口半径可达数纳米、而国内一般为0.1-0.5微米。,3金刚石超精密切削的关键技术(1)加工设备,用于金刚石超精密切削的加工设备，要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能等。右图为一款典型的金刚石车床。,3.3精密与超精密加工技术,(2)金刚石刀具天然单晶金刚石被公认为是不能代替的超精密切削刀具材料。因为金刚石具有以下特性：极高的硬度，HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400；能磨出锋锐刃口，刃口半径可达纳米，普通刀具5-30m；热化学性能优越、导热性好，与有色金属摩擦系数低、亲和力小与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13；耐磨性好，刀刃强度高。(3)适宜金刚石超精密切削的加工材料有色金属及其合金铜铝合金及金、银、镁、锡、铅、锌、铂及非电解镍镀层、铍钢、黄铜等树脂及塑料甲基丙烯酸树脂、聚碳酸酪树脂、聚丙基树脂、聚乙烯树脂、聚四氟乙烯树脂、环氧树脂等结晶体锗、硒化锌、硫化锌、铌酸锂、碘化铯、二氢磷化铟、硅、庥化钾及磷酸二氢钾(KDP)等,3.3精密与超精密加工技术,2.0.2精密与超精密磨削加工对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工是当前最主要的精密加工手段。磨削加工可分为砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等加工方法，这里仅介绍超精密砂轮磨削加工。1超精密磨削的内涵超精密磨削，是指加工精度达到或高于0.1m，表面粗糙度低于Ra0.025m的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。(1)砂轮的选择超精密磨削中所使用砂轮，其材料多为金刚石和立方氮化硼(CBN)，因其硬度极高，故一般称为超硬磨料砂轮(或超硬砂轮)。超硬磨料砂轮具有耐磨性好，耐用度高，磨削能力强，磨削效率高等优点，故超精密磨削广泛被用来加工各种高硬度、高脆性金属及非金属材料(加工铁金属用CBN)。,金刚石砂轮：较强的磨削能力，较高的磨削效率，适合于加工非金属硬脆材料、硬质合金、有色金属及其合金，不适宜加工铁族元素；CBN砂轮：较好的热稳定性和化学惰性，适合于加工硬而韧且热导率低的钢铁材料，价格较贵。超硬磨料砂轮结合剂：树脂结合剂：能保持良好锋利性，加工表面质量好，耐磨性差，磨粒保持力小，自锐性好；用于磨削硬质合金、金属陶瓷等难磨材料。金属结合剂：耐磨性好，磨粒保持力大，形状保持性好，自锐性差，砂轮修整困难。用于金刚石砂轮磨削石材、陶瓷、玻璃等材料，因为砂轮的锋利性和寿命长。陶瓷粘结剂：化学稳定性高、耐热、耐酸碱，脆性较大。,(2)砂轮的修整超硬砂轮的修整与一般砂轮有所不同，分整形和修锐两步进行。修整的主要方法有：车削法用金刚笔车削金刚石砂轮，修整效率和精度高，但砂轮表面平滑，切削能力差，且成本高；磨削法用普通砂轮（碳化硅、刚玉等）进行对磨，修整效率和质量较好，普通砂轮磨损消耗量较大；是常用的方法。喷射法将碳化硅、刚玉等磨粒高速喷射到转动的砂轮表面，去除部分结合剂，使超硬磨粒突出；主要用于修锐。电解在线修锐法（ELID)应用电解原理完成砂轮修锐过程。电火花修整应用电火花放电原理完成砂轮修整。可用于修形和修锐，且效率高。,3.24在线电解修锐法,3.25电火花修整法,（3）磨削速度与磨削液磨削速度金刚石砂轮的磨削速度为12-30m/s，不能太高也不能太低。太低，磨削质量差、砂轮磨损加剧；太高，因为金刚石砂轮的热稳定性低700800摄氏度，也造成磨损增加。CBN砂轮的磨削速度要高的多，可达80-100m/s，因为其热稳定性好12501350摄氏度。磨削液磨削液的作用，除润滑、冷却、清洗、防锈外，渗透性、提高切削性功能。磨削液主要有油性液和水溶性液。选择应视具体情况定，金刚石砂轮磨硬质合金用煤油不用乳化液；树脂结合剂不用苏打水；CBN砂轮易用油性磨削液不用水溶性液。,2典型的超精密磨削工艺（1）塑性磨削(DuctileGrinding)塑性磨削主要是针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺的切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（ShareModeGrinding）。由此磨削后的表面没有微裂纹形成，也没有脆性剥落时的无规则的凹凸不平，表面呈有规则的纹理。塑性磨削的机理至今尚不十分清楚，但部分研究表明：在特定条件下，当磨削厚度达到某特定的值时，切屑形成由脆断向塑性剪切转变为塑断，即能够实现脆性材料的塑性磨削。这一切削深度被称为临界切削深度。临界切削深度与工件材料特性和磨粒的几何形状有关，一般在100m以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。根据这一理论，有些人提出了一种观点，即塑性磨削要靠特殊磨床来实现。这种特殊磨床必须满足如下要求：极高的定位精度和运动精度；极高的刚性。,（2）镜面磨削(MirrorGrinding)顾名思义，镜面磨削关心的不是切屑形成的机理而是磨削后的工件表面的特性。当磨削后的工件表面反射光的能力达到一定程度时，该磨削过程被称为镜面磨削。镜面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金属材料如钢、铝和钼等。镜面磨削的基本出发点是：要达到境面，必须使用尽可能小的磨粒粒度，比如说粒度2m乃至0.2m。在ELID发明之前，微粒度砂轮在工业上应用很少，原因是微粒度砂轮极易堵塞，砂轮必须经常进行修整，修整砂轮的辅助时间往往超过了磨削的工作时间。,ELID磨削方法除适用于金刚石砂轮外，也适用于氮化硼砂轮，它的结合剂通常为青铜或铸铁。磨削后的工件表面粗糙度可达Rq1nm的水平，即使在可见光范围内，这样的表面确实可以作为镜面来使用。,2.0.3影响精密与超精密加工的主要因素影响因素很多，包括精密和超精密切削机床、超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、计量技术、工况检测及质量控制等，精密与超精密加工机床将在3.3.3中讲述，这里主要分析加工环境、计量技术和误差补偿三个因素。,1.加工环境防振、恒温、超净减振隔振是精密及超精密加工机床非常重要的问题。超精密机床多安放在带防振沟和隔振器的防振地基上，还可使用空气弹簧(垫)对低频振动进行隔离。如图3.18所示为美国LLL实验室LODTM大型超精密机床的支承。,图3.18美国LLL实验室LODTM大型超精密机床的支承,热变形是超精密加工中误差的主要来源之，如100mm长的铝合金零件温度变化1C将产生2.25m的误差；若要求确保0.1m加工精度，环境温度应保持0.05C范围内。随着超精密加工技术的快速发展，对空气洁净度提出了更加苛刻的要求，被控制的微粒直径从0.5m减小到0.3m，有的甚至减小到0.1m或0.01m。2.计量技术精密和超精密加工必须具备相应的检测技术和手段，测量仪器的精度一般要求比机床的加工精度高一个数量级。目前，超精密加工所用测量仪器多为激光干涉仪和高灵敏度的电气测量仪，激光干涉仪的测量精度为0.08m；而多次光波干涉显微镜的分辨能力可达0.5nm；电气测量仪的放大倍数可达100万倍、重复精度为0.5nm，已能满足纳米级精度的测量要求。3.误差补偿,2.0.4精密与超精密加工机床1精密与超精密切削机床的性能要求(1)很高的精度(包括高的静精度和动精度)主要指标有主轴的回转精度、导轨运动精度、定位精度、重复定位精度，分辨率及分度精度。精密车床主轴回转精度一般在1m之内，导轨直线度小于10m/100mm，精密坐标磨床的定位精度在13m，分辨率一般为0.01m，具有能够进行微量切削并具有在线误差补偿的微量进给系统。而超精密车床主轴的回转精度大多在0.030.05m，导轨直线度为0.10.2m/250mm，定位精度为0.01m，重复定位精度为0.006m，进给分辨率为0.0030.008m，分度精度为0.5。(2)具有较高的刚度(包括静刚度、动刚度和热刚度)(3)高稳定性(4)精密的微进给系统实例1实例2,2精密与超精密切削机床的结构特点超精密机床的质量主要取决于机床的主轴部件、床身导轨、进给驱动系统和微量进给机构等关键部件的质量。(1)主轴部件,滚动轴承回转精度达1m,表面粗糙度Ra0.04-0.02m；液体静压轴承回转精度0.1m，刚度阻尼大，转动平稳；不足：液压油温升高，影响主轴精度，会将空气带入液压油降低轴承刚度；应用：一般用于大型超精密机床。,典型液体静压轴承主轴结构原理图1-径向液压轴承2-止推液压轴承3-真空吸盘,双半球空气轴承主轴1-前轴承2-供气孔3-后轴承4-定位环5-旋转变压器6-无刷电动机7-外壳8-轴9-多孔石墨,空气静压轴承高回转精度、工作平稳，温升小；不足：刚度较低，承载能力不高；应用：超精密机床中得到广泛的应用。,(2)床身导轨床身要求：抗振衰减能力强、热膨胀系数低、尺寸稳定性好。床身材料：多采用人造花岗岩，尺寸稳定性好、热膨胀系数低、硬度高、耐磨、不生锈、可铸造成形，克服了天然花岗岩有吸湿性不足，并加强了振动的衰减。导轨要求：高直线精度，不得爬行，导轨耦合面不能有磨损，有液体静压导轨、空气静压导轨，均具有运动平稳、无爬行、摩擦因数接近于零。,平面型空气静压导轨示意图1-静压空气2-移动工作台3-底座,(3)进给驱动系统和微量进给机构超精密机床对进给驱动系统的总的要求是：刚度高、运动平稳、传动无间隙、移动灵敏度高、调速范围宽。超精密机床一般采用分辨率为0.01m的精密数控驱动系统，采用直流或交流伺服电动机通过精密丝杆带动导轨上的运动件。精密与超精密切削时，要实现1m或更小的微量进给，就必须具有微量进给机构。要求微量进给机构满足如下的要求：精微进给与粗进给分开；运动部分必须是低摩擦和高稳定性；末级传动元件必须有很高的刚度；工艺性好，容易制造；应能实现微进给的自动控制，动态性能好。,双T形弹形变形式微量进给机构：分辨率为0.01m，最大输出位移为20m，输出位移方向的静刚度为70N/m，满足切削负荷要求。压电陶瓷式微量进给机构：最大位移为1516m，分辨率为0.01m，静刚度为60N/m。该进给机构能实现高刚度无间隙位移，能够实现极精细