精密特种加工第2讲精密切削加工

1、Precision and ultraprecision machiningPrecision and ultraprecision machining（超超）精密加工精密加工（超超）精密切削精密切削加工加工（超超）精密磨精密磨料加工料加工（超超）精密特种加工精密特种加工复合加工复合加工微纳加工微纳加工第二讲第二讲 （超）精密切削加工（超）精密切削加工（超）精密切削加工学习提纲（超）精密切削加工学习提纲1、金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围、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、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

2、成规律和它对切削过程和加工、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。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。、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、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、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、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。、试述超精密切削用金刚石刀

3、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、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）精密切削加工学习提纲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、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、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、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

4、晶面、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。、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。、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。、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、单晶金刚石刀具质量的好坏如何评定?超精密切削加工概述超精密切削加工概述超精密切削加工机理超精密切削加工机理 金刚石刀具金刚石刀具超精密切削机床超精密切削机床超精密切削加工（金刚石车削加工）超精密切削加工（金刚石车削加工）（超）精密加工（超）精密加工 精密加工是指在精车、精镗、精

5、铰、精磨的基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）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。刀细刨和金刚石刀具切削等。用刮刀刮除工件表面薄层的加工方法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在普通精刨和精铣基础上由手工操作 刮削余量为刮削余量为0.050.4mm 平面刮削平面刮削的直线度的直线度可达可达

6、0.0lmm/m 目前，大多数学者都将超精密加工技术分为两大类：机械超目前，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。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、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电子束加工、离子束加工、激光束加工等非传

7、统加工的精密化、微型化。化、微型化。即即超精密特种加工技术，而且包含了集成电路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。制作的一些微细加工技术。机械超精密加工技术机械超精密加工技术用刃口圆弧半径很小的车刀进行高速、微量切削而获得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高精度的工艺方法称为（超）精密车削（超）精密车削。当代超精密加工技术（当代超精密加工技术（SPDT）是美国在）是美国在20世纪世纪60年代初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

8、环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，表面粗糙度境条件下，可以得到超光滑表面，表面粗糙度Ra0.020.05m，精度，精度0. 01 m 。使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，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）。可以直接切出超光滑的加工表面（镜面）。金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削金刚石超精密切削技术，包括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车削技术和金刚石超精密铣削金刚石超精密铣削（飞切）技术，是超精密加工的重要分（飞切）技术，是超精密加工的重要分支，也

9、是超精密加工技术发展最早、应用最为广泛的技术支，也是超精密加工技术发展最早、应用最为广泛的技术之一。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。工出符合光学质量要求的光学零件。波及工件内层，可获得高精度和好表面质量机理、特点机理、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

10、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。概念概念精密车削主要用于铜、铝及其合金制件的最终加工，其它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。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。加工方法。l超精密加工脆性材料时，由于材料的脆性，切削加工表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

11、凹坑等脆性破坏。层极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。l随着随着l脆性材料要实现脆性材料要实现切屑类型切屑类型l陀螺仪、光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型陀螺仪、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，印机的多面棱镜，录像机的磁头，复印机的硒鼓，菲尼尔透镜等菲尼尔透镜等应用应用-典型产品典型产品经经SPDT加工的光学元件成品示意图加工的光学元件成品示意图u图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材

12、料图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料平面镜的切削平面镜的切削u平面度平面度0.06 mu表面粗糙度表面粗糙度Rmax0.02 m玻璃镜的切削玻璃镜的切削超精密切削研究是从金刚石车削开始的。超精密切削研究是从金刚石车削开始的。应用天然金刚石应用天然金刚石车刀对铝、铜和其他软金属及其合金机械切削加工，可以车刀对铝、铜和其他软金属及其合金机械切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚石精密车削加工方法。刚石精密车削加工方法。在此基础上，又发展了金刚石精密铣削和镗削加工方法在此基础上，又发展了金刚石精密铣削和镗削加工方

13、法，分别用于加工平面、型面和内孔也可以得到极高的加工精分别用于加工平面、型面和内孔也可以得到极高的加工精度和表面质量。度和表面质量。除金刚石刀具材料外，还有除金刚石刀具材料外，还有立方氮化硼、复方氮化硅和复立方氮化硼、复方氮化硅和复方陶瓷方陶瓷等新型超硬刀具材料，它们主要用于等新型超硬刀具材料，它们主要用于黑色金属的精黑色金属的精密加工密加工。根据加工表面及加工刀具的特点，精密与超精密切削加工可分为四类：金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和滑移变形的过程，超精密切削也是生剪切断裂、摩擦挤压和滑移变形的过程

14、，超精密切削也是金属切削的一种，它当然也服从金属切削的普遍规律金属切削的一种，它当然也服从金属切削的普遍规律 。但它。但它同时也有不少的特殊规律。在精密切削中，由于采用的是微同时也有不少的特殊规律。在精密切削中，由于采用的是微量切削方法，一些对普通切削影响不显著的因素将成为影响量切削方法，一些对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削过程的主要因素。因此，应对精密切削的特殊性精密切削过程的主要因素。因此，应对精密切削的特殊性（加工机理）进行系统研究，掌握其变化规律。（加工机理）进行系统研究，掌握其变化规律。由于超精密切削的切削层极薄以及金刚石刀具的特殊物理化由于超精密切削的切削层极薄以及金刚

15、石刀具的特殊物理化学性能，使得超精密切削和普通切削在加工机理上并不相同。学性能，使得超精密切削和普通切削在加工机理上并不相同。实现金刚石精密切削关键问题是如何均匀、稳实现金刚石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。定地切除如此微薄的金属层。研究这些问题对提高切削加工表面质量，减少变质层研究这些问题对提高切削加工表面质量，减少变质层和实现微应力切削等有重要意义。和实现微应力切削等有重要意义。一般的金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成。普一般的金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成。普通切削加工的加工精度在通切削加工的加工精度在10m级以上，其允许的切削深度和级以上

16、，其允许的切削深度和进给量均较大，切削深度一般远大于材料的晶粒尺寸，切削加进给量均较大，切削深度一般远大于材料的晶粒尺寸，切削加工以数十计的晶工以数十计的晶 粒团为加工单位，在切应力的作用下从基体粒团为加工单位，在切应力的作用下从基体上去除金属。上去除金属。超精密切削的切削层很薄或尺寸微小，切削深度和进给量必然超精密切削的切削层很薄或尺寸微小，切削深度和进给量必然非常小，特别是亚微米和纳米级的超精密切削，切削深度通常非常小，特别是亚微米和纳米级的超精密切削，切削深度通常小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，由于切深由于切深一般小于材料晶格尺寸

17、，一般小于材料晶格尺寸，切削是将金属晶体一部分一部分地去切削是将金属晶体一部分一部分地去除除。刀具切削要克服的是晶粒内部非常大的原子结合力，刀具刀具切削要克服的是晶粒内部非常大的原子结合力，刀具上的切削力急剧增大（比普通切削大得多）；在晶粒内部上的切削力急剧增大（比普通切削大得多）；在晶粒内部大约大约l m左右的间隙内就有一个位错缺陷，这时的切削左右的间隙内就有一个位错缺陷，这时的切削相相当于对一个个不连续体进行切当于对一个个不连续体进行切 削，所以超精密切削是一种削，所以超精密切削是一种断续切削。断续切削。由于材料存在微观缺陷以及材质分布的不均匀由于材料存在微观缺陷以及材质分布的不均匀性，使

18、刀具在切削时的切削力变化较大，且切削刃将受到性，使刀具在切削时的切削力变化较大，且切削刃将受到较大的冲击和振动较大的冲击和振动。材料微观缺陷分布类型或材质分布的不均匀材料微观缺陷分布类型或材质分布的不均匀性分为：性分为：晶格原子、分子晶格原子、分子 它的破坏方式就是把原子、分子一个一个地去它的破坏方式就是把原子、分子一个一个地去除。除。点缺陷点缺陷 点缺陷就是在晶体中存在的空位和填隙原子以及杂质原点缺陷就是在晶体中存在的空位和填隙原子以及杂质原子。点缺陷的破坏是以原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。子。点缺陷的破坏是以原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。位错缺陷和微裂纹位错缺陷和微裂纹 位错缺

19、陷就是晶格位移，它在晶体中呈连续位错缺陷就是晶格位移，它在晶体中呈连续的线状分布，又称线缺陷，即有一列或若干列原子发生了有规律的线状分布，又称线缺陷，即有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种破坏方式是通过位错线的滑移或微裂纹引起晶的错排现象。这种破坏方式是通过位错线的滑移或微裂纹引起晶体内的滑移变形。体内的滑移变形。晶界、空隙和裂纹晶界、空隙和裂纹 它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。材料微观缺陷分布模型材料微观缺陷分布模型 在去除加工时，如加工应力在去除加工时，如加工应力仅仅限制在上述各种缺陷空仅仅限制在上述各种缺陷空间范围内，则只能获得与

20、其间范围内，则只能获得与其作用区域相对应的破坏形式，作用区域相对应的破坏形式，并且工件材料去除的难易程并且工件材料去除的难易程度与加工应力作用范围成正度与加工应力作用范围成正比比。随着材料加工单位尺寸的不随着材料加工单位尺寸的不同，其加工机理也会变化。同，其加工机理也会变化。 在精密切削中，采用的是微量切削法，切入深度在精密切削中，采用的是微量切削法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃刃口圆弧承担，较小，切削功能主要由刀具切削刃刃口圆弧承担，能否从被加工材料上切下切屑，主要取决于刀具能否从被加工材料上切下切屑，主要取决于刀具刃口圆弧处被加工材料质点受力情况。刃口圆弧处被加工材料质点受力情况

21、。 正交切削条件下，质点正交切削条件下，质点i 仅有仅有两个方向的切削力，即垂直力两个方向的切削力，即垂直力PYi和水平力和水平力PZi，水平力使被切，水平力使被切削材料质点向前移动，经过挤削材料质点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力入则将压形成切屑，而垂直力入则将被切削材料压向被切削零件本被切削材料压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。体，不能构成切屑形成条件。最终能否形成切屑，取决于作最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的垂直力和水平用在此质点上的垂直力和水平力的比值。力的比值。正交切削条件下，切削刀口圆正交切削条件下，切削刀口圆弧处任弧处任质点质点i的受力情况的受力情况根据材料的

22、最大剪切应力理论，根据材料的最大剪切应力理论，最大剪切应力应发生在与切削最大剪切应力应发生在与切削合力合力Pi成成45 的方向上。此时，的方向上。此时，若切削合力的方向与切削运动若切削合力的方向与切削运动方向成方向成45 ，即，即Pyi=Pzi，则，则作用在材料质点作用在材料质点i上的最大剪应上的最大剪应力与切削运动方向一力与切削运动方向一 致，该质致，该质点点i处材料被刀具推向前方，形处材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点成切屑，而质点i处位置以下的处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形。性、塑性变形。因此，因此， Pzi Pyi 时，材料时，材料质点被

23、推向切削运动方向，质点被推向切削运动方向，形成切屑；形成切屑；当当 Pzi Pyi 时，材料质点时，材料质点被压向零件本体，被加工材被压向零件本体，被加工材料表而形成挤压过程，无切料表而形成挤压过程，无切屑产生。屑产生。 Pyi=Pzi时所对应的切入深度时所对应的切入深度便是最小切入深度。便是最小切入深度。正交切削条件下，切削刀口圆正交切削条件下，切削刀口圆弧处任弧处任质点质点i的受力情况的受力情况刀刃圆弧处的碾压：刀刃圆弧处的碾压：在刃口在刃口圆弧处，不同的切削深度，圆弧处，不同的切削深度，刀具的实际前角是变化的，刀具的实际前角是变化的，如果如果 ，则实际前角变，则实际前角变为负前角。当切削

24、深度很小为负前角。当切削深度很小时，实际前角为较大的负值，时，实际前角为较大的负值，在刀具刃口圆弧处将产生很在刀具刃口圆弧处将产生很大的挤压摩擦作用，称之为大的挤压摩擦作用，称之为碾压效应碾压效应。这时，被加工表。这时，被加工表而通常将产生残余压应力。而通常将产生残余压应力。刀刃圆弧处的碾压刀刃圆弧处的碾压刀尖圆弧处的碾压：刀尖圆弧处的碾压：精密车削时，加工余量很小，切削精密车削时，加工余量很小，切削刃的直线部分可能不参加切削，而刃的直线部分可能不参加切削，而只是圆弧部分参加切削，这时，刀只是圆弧部分参加切削，这时，刀尖圆弧上各点的主偏角（副偏角）尖圆弧上各点的主偏角（副偏角）是变化的，且小于

25、名义值。是变化的，且小于名义值。在刀尖圆弧各点的切削厚度也是变在刀尖圆弧各点的切削厚度也是变化的，最小厚度为零。当切削厚度化的，最小厚度为零。当切削厚度逐渐变小，切削深度达到最小切削逐渐变小，切削深度达到最小切削深度时，将不会产生切削作用，仅深度时，将不会产生切削作用，仅有弹性变形和塑性变形，这时该处有弹性变形和塑性变形，这时该处仅有碾压作用。仅有碾压作用。刀尖圆弧处的碾压刀尖圆弧处的碾压在超精密切削过程中，在被加工表面形成过程中在超精密切削过程中，在被加工表面形成过程中伴随的碾压作用占很大的比例，故被加工表面的伴随的碾压作用占很大的比例，故被加工表面的质量在很大程度上受碾压效果的影响。质量在

26、很大程度上受碾压效果的影响。 在机床切削条件最佳时，采用极锋利的金刚在机床切削条件最佳时，采用极锋利的金刚石刀具可以实现纳米级的连续稳定的切削。石刀具可以实现纳米级的连续稳定的切削。 能稳能稳定切削的最小有效切削厚度（即能稳定排出切屑定切削的最小有效切削厚度（即能稳定排出切屑时的最小切削厚度）称为时的最小切削厚度）称为最小切削厚度最小切削厚度 。 最小切削厚度决定切削加工中加工准确度的最小切削厚度决定切削加工中加工准确度的控制极限，最小切削厚度是反映超精密切削加工控制极限，最小切削厚度是反映超精密切削加工水平的重要标志。水平的重要标志。带状切屑带状切屑tan超精密切削的最小切削厚度超精密切削的

27、最小切削厚度刀刃圆弧半径刀刃圆弧半径刀具与工件材料的摩擦角，刀具与工件材料的摩擦角，tan=(摩擦系数），摩擦系数），用金刚石刀具切削铝合金时摩擦系数约为用金刚石刀具切削铝合金时摩擦系数约为0.060.13 (随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化），在切随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化），在切削过程中摩擦系数可假设为上述数值的两倍，即为削过程中摩擦系数可假设为上述数值的两倍，即为0.12 0.26。正应力方向与切削速度方向的夹角，正应力方向与切削速度方向的夹角，值与工件值与工件材料的强度、伸长率、材料的强度、伸长率、 摩擦系数以及摩擦系数以及A点位置的高低点位置的高低有关，根据经验有关，根

28、据经验 =3845。l超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度石刀具刀刃锋锐度 (刀具刃口的圆弧半径刀具刃口的圆弧半径)有关，和有关，和被切材料的物理力学性能有关。被切材料的物理力学性能有关。 l超精密切削实际能达到的最小切削厚度还与使用超精密切削实际能达到的最小切削厚度还与使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等都的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等都直接有关。直接有关。最小切削厚度与刀刃圆弧半径最小切削厚度与刀刃圆弧半径的关系的关系项目项目hDmin值值=36=40=42=45=0.120.2950.2710.2460

29、.214=0.260.2060.1580.1650.138可见，刀具切削刃钝圆半径越小，刀具越锋利，极限最小切可见，刀具切削刃钝圆半径越小，刀具越锋利，极限最小切削厚度越小，切薄能力越强。若要实现切削厚度为纳米级的削厚度越小，切薄能力越强。若要实现切削厚度为纳米级的超薄切削，此时所用金刚石刀具的刃口圆弧半径应刃磨为超薄切削，此时所用金刚石刀具的刃口圆弧半径应刃磨为46nm。国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可。国外报道研磨质量最好的金刚石刀具，刃口半径可以小到以小到24 m的水平，国内现在磨的金刚石刀具，刃口半的水平，国内现在磨的金刚石刀具，刃口半径也可达到径也可达到0.10.08 m

30、 。目前刀具刃口半径测量用。目前刀具刃口半径测量用SEM，但刃口半径但刃口半径0.01 m时，测量就是一个难题。时，测量就是一个难题。现在我国生产中使用的金刚石刀具，切削刃锋锐度约为现在我国生产中使用的金刚石刀具，切削刃锋锐度约为 =0.20.5m，特殊精心研磨可以达到，特殊精心研磨可以达到 =0.1 m 。 1986年开始日本大阪大学和美国年开始日本大阪大学和美国LLL实验室合作进行了实验室合作进行了一项具有时代意义的实验研究一项具有时代意义的实验研究“超精密切削的极限超精密切削的极限”。这项。这项研究取得突破性的重大成果。研究取得突破性的重大成果。 这项研究结果之一证明，使用极锋锐的刀具和

31、机床条件这项研究结果之一证明，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可以实现切削厚最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。度为纳米级的连续稳定切削。 实验使用的单晶金刚石刀具是日本大阪金刚石公司特制实验使用的单晶金刚石刀具是日本大阪金刚石公司特制的。切削试验的机床是的。切削试验的机床是LLL实验室的超精密金刚石车床。实验室的超精密金刚石车床。试试验中所用的刀具，其刃口半径推算为验中所用的刀具，其刃口半径推算为24nm(这是极为锋锐的这是极为锋锐的金刚石刀具，比现在生产中用的要小很多。金刚石刀具，比现在生产中用的要小很多。)，成功切

32、出了约，成功切出了约1nm厚度的切屑，被认为达到了超精密切削的极限。厚度的切屑，被认为达到了超精密切削的极限。日本大阪大学和美国日本大阪大学和美国LLL实验室得实验室得到的切削厚度极小的切屑到的切削厚度极小的切屑(SEM照片照片)切削厚度分别为切削厚度分别为30nm、3nm和和1nm从从SEM照片中可以看到在切削厚度极小时照片中可以看到在切削厚度极小时(1nm)，仍能得到连续稳定的切屑，说明切削过程是连续、仍能得到连续稳定的切屑，说明切削过程是连续、稳定和正常的。稳定和正常的。用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验研究能达到的最小切削厚用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验研究能达到的最小切削厚度。得

33、到如下结果：度。得到如下结果： 用用W18Cr4V刀具切刀具切Q235钢时，钢时，hDmin=0.248 ； 用用W18Cr4V刀具切刀具切45钢时，钢时，hDmin=0.274 ； 用用K30刀具切刀具切Q235钢时，钢时，hDmin=0.350 ； 用用K30刀具切刀具切45钢时，钢时，hDmin=0.377 ；在对加工表面质量有特殊高要求时，特别是在要求残留应力和变在对加工表面质量有特殊高要求时，特别是在要求残留应力和变质层很小时，需要进一步提高切削刃的锋锐度。质层很小时，需要进一步提高切削刃的锋锐度。积屑瘤积屑瘤 积屑瘤的产生对加工表面质量影响极大。因此积积屑瘤的产生对加工表面质量影响

34、极大。因此积屑瘤的生成规律和减小积屑瘤的办法是超精密切屑瘤的生成规律和减小积屑瘤的办法是超精密切削中必须研究的重要问题。削中必须研究的重要问题。有人做过实验，用金刚石刀具精密切削有色金属，有人做过实验，用金刚石刀具精密切削有色金属，不用切削液，在所有进行实验的切削参数下都产不用切削液，在所有进行实验的切削参数下都产生积屑瘤。生积屑瘤。积屑瘤一般都很小，需用倍数较大的显微镜观察。积屑瘤一般都很小，需用倍数较大的显微镜观察。l例如金刚石刀具精切硬铝例如金刚石刀具精切硬铝2A12时，时，不同的切削速度都产生积屑瘤。不同的切削速度都产生积屑瘤。但但切削速度变化切削速度变化将影响积屑瘤的高度。将影响积屑

35、瘤的高度。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到度达到 一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。大。 1 1、切削速度对积屑瘤的影响、切削速度对积屑瘤的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响从从图图可看到当切削速度较低可看到当切削速度较低时，积屑瘤高度时，积屑瘤高度ho最高，而最高，而当切削速度当切削速度v大于大于314m/min 时，积屑瘤趋于稳定，高度时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。这说明变化不大。这说明在低速切在低速切削时削时,切切 削温度比较低，较削温度比较低，较适于积屑增生长，且在低速适于积

36、屑增生长，且在低速时时ho值比较稳定值比较稳定，在中速时，在中速时ho值不稳定。值不稳定。l切黄铜和纯铜，积屑瘤不稳定且比较小。高切黄铜和纯铜，积屑瘤不稳定且比较小。高度度h0在在0.10.75 m 。l刀刃的微观缺陷直接影响积屑瘤的高度。刀刃的微观缺陷直接影响积屑瘤的高度。在某相同的切削条件下，完整刃的积屑瘤高在某相同的切削条件下，完整刃的积屑瘤高度为度为5m ，而有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度，而有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度为为18m 。 1 1、切削速度的影响、切削速度的影响2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量apap的影响的影响在实验的切削参数范围内在实验的切削参数范围内都有积屑

37、瘤产生。都有积屑瘤产生。如图如图：在进给量很小时，：在进给量很小时，积屑瘤的高度积屑瘤的高度ho 较大，在较大，在f=5m/r时时ho值最小，值最小，f值值再增大时，再增大时，ho值稍有增加，值稍有增加， 这这是由于切削温度变化所是由于切削温度变化所引起的引起的。2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量apap的影响的影响在背吃刀量在背吃刀量ap25 m 后，积屑后，积屑瘤高度将随瘤高度将随ap值的增加而值的增加而增加，这增加，这是由于切削温度是由于切削温度变化和积屑瘤底部粘附面变化和积屑瘤底部粘附面积的变化所造成的。积的变化所造成的。3 3、积屑瘤对切削力的影响、积屑瘤对切削力的影响

38、l实验证明实验证明超精切削时切削超精切削时切削力的变化规律和普通切削是力的变化规律和普通切削是有区别的。有区别的。如图超精密切削铝合金和如图超精密切削铝合金和紫铜时，紫铜时，低速时切削力大，低速时切削力大，随切削速度增加，切削力急随切削速度增加，切削力急剧下降。剧下降。到到200300mmin后，切削力基本保持不变。后，切削力基本保持不变。 l这规律和积屑瘤高度这规律和积屑瘤高度h0随切削速度的变化规律一致。随切削速度的变化规律一致。 即即积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也 小，小，和普通和普通切削切钢时的规律正好相反。切削切钢时的规律正好相反。 3

39、3、积屑瘤对切削力的影响、积屑瘤对切削力的影响3 3、积屑瘤对切削力的影响、积屑瘤对切削力的影响l普通切削切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实普通切削切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，故际前角，故积屑瘤增大可使切削力下降，积屑瘤增大可使切削力下降， l但超精密切削时却使切削力增大。但超精密切削时却使切削力增大。 积屑瘤使切削力增大的原因分析积屑瘤使切削力增大的原因分析 鼻形积屑瘤前端的圆弧鼻形积屑瘤前端的圆弧半径半径R大约为大约为23m，较原来金刚石车刀的刃较原来金刚石车刀的刃口口rn= 0.20.3大得多。大得多。由于超精切削切削层极由于超精切削切削层极薄，实际切削是由刃口薄，实际切削是由刃口

40、半径半径R起作用，这将导起作用，这将导致切削力明显增加；致切削力明显增加； 积屑瘤使切削力增大的原因分析积屑瘤使切削力增大的原因分析 积屑瘤存在时，它代替金积屑瘤存在时，它代替金刚石刀刃进行切削，积屑刚石刀刃进行切削，积屑瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面之间的摩瘤和已加工表面之间的摩擦都很严重，摩擦力很大，擦都很严重，摩擦力很大，大大超过金刚石和这些材大大超过金刚石和这些材料之间的摩擦力，这导致料之间的摩擦力，这导致切削力的增加；切削力的增加； 积屑瘤使切削力增大的原因分析积屑瘤使切削力增大的原因分析 积屑瘤呈鼻形并自刀积屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，这导致实刃前伸出，这

41、导致实际切削厚度超过名义际切削厚度超过名义值。超精密切削的切值。超精密切削的切削厚度原来就甚小，削厚度原来就甚小，增加切削厚度将使切增加切削厚度将使切削力明显增加。削力明显增加。l超精切削的积屑瘤呈鼻形，代替刀刃进行切削，积屑瘤超精切削的积屑瘤呈鼻形，代替刀刃进行切削，积屑瘤 和己加工表面剧烈摩擦，使表面粗糙度加大。和己加工表面剧烈摩擦，使表面粗糙度加大。l加工表面粗糙度直接和积屑瘤的高度有关，即积屑瘤高加工表面粗糙度直接和积屑瘤的高度有关，即积屑瘤高 度大，表面粗糙度大；积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。度大，表面粗糙度大；积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。4 4、积屑瘤对表面粗糙度的影响、积屑瘤对

42、表面粗糙度的影响如图如图可看到加工硬铝时，如加航可看到加工硬铝时，如加航 空汽油为切削液，可明显减小加空汽油为切削液，可明显减小加 工表面粗糙度，并且在低速时表工表面粗糙度，并且在低速时表 面粗糙度亦很小。面粗糙度亦很小。 这说明使用切削液后，已消除了这说明使用切削液后，已消除了 积屑瘤对加工表面粗糙度的影响。积屑瘤对加工表面粗糙度的影响。 这时切削速度已和加工表面粗糙这时切削速度已和加工表面粗糙 度无关，度无关，这情况是和普通切削时这情况是和普通切削时切钢的规律不同。切钢的规律不同。 加工黄铜时，切削液无加工黄铜时，切削液无 明显效果，低速时加工明显效果，低速时加工 表而粗糙度不大，故加表而

43、粗糙度不大，故加工黄铜可使用也可不使工黄铜可使用也可不使用切削液。用切削液。 5 5、切削力的来源切削力的来源1 1、切削力来源、切削力来源a.a.是克服切屑形成过程中金属产生弹、塑性是克服切屑形成过程中金属产生弹、塑性 变形的变形的变形变形抗力所需要的力；抗力所需要的力；b.b.是克服切屑与刀具前刀面、刀具后刀面与是克服切屑与刀具前刀面、刀具后刀面与 工件表面之间的工件表面之间的摩擦摩擦阻力所需要的力。阻力所需要的力。1 1、切削力来源、切削力来源 作用在刀具上的力作用在刀具上的力 切削合力和分力切削合力和分力 u切削力能清晰地反映切屑去除过程，因此对于切削特性的切削力能清晰地反映切屑去除过

44、程，因此对于切削特性的理解，它是一个很重要的物理参数。理解，它是一个很重要的物理参数。u超精密切削加工是一种超微量分离技术，切削时金刚石刀超精密切削加工是一种超微量分离技术，切削时金刚石刀具刃口附近的切削力为亚牛顿级甚至更小，因此切削力很难具刃口附近的切削力为亚牛顿级甚至更小，因此切削力很难被精确地测量。被精确地测量。u国内外一些关于微切削中切削力特征的研究成果表明，力国内外一些关于微切削中切削力特征的研究成果表明，力非常之小而且被尺寸效应、法线方向相对于切线方向的力的非常之小而且被尺寸效应、法线方向相对于切线方向的力的高比率（尤其是在极薄切削中）所表征。高比率（尤其是在极薄切削中）所表征。u

45、超精密切削时的切削力特征为：切削力微小，单位切削力超精密切削时的切削力特征为：切削力微小，单位切削力大；切削力随切削深度的减小而增大，而在切深很小时切削大；切削力随切削深度的减小而增大，而在切深很小时切削力却急速上升。这就是切削力的尺寸效应。力却急速上升。这就是切削力的尺寸效应。2 2、切削力特性、切削力特性u超精密切削时切削力的物理模型超精密切削时切削力的物理模型与刀具刃口的亚微米结构关系密切。与刀具刃口的亚微米结构关系密切。由于由于刃口圆弧半径的存在刃口圆弧半径的存在，切削刃，切削刃在纳米量级切削时刀具实际工作前在纳米量级切削时刀具实际工作前角为负值，切削过程伴随着强烈的角为负值，切削过程

46、伴随着强烈的挤压摩擦，使切削变形增大，故切挤压摩擦，使切削变形增大，故切削时的单位切削力大；同时，由于削时的单位切削力大；同时，由于超精密切削往往在晶粒内部进行，超精密切削往往在晶粒内部进行，切削力必须大于晶体内部的分子、切削力必须大于晶体内部的分子、原子结合力，原子结合力，因而使单位切削面积因而使单位切削面积上的切削力急剧增大。上的切削力急剧增大。超精密切削时切削刃钝圆的作用超精密切削时切削刃钝圆的作用2 2、切削力特性、切削力特性u与普通切削时切削力随切削深度与普通切削时切削力随切削深度的增大而增大不同，超精密切削时的增大而增大不同，超精密切削时的切削深度和进给量都很小。切削的切削深度和进

47、给量都很小。切削深度很小时，刀深度很小时，刀刃刃圆弧半径造成的圆弧半径造成的附加变形占总切削变形的比例很大，附加变形占总切削变形的比例很大，刀刀刃刃圆弧半径圆弧半径值的微小变化都将值的微小变化都将使切削变形变化，进而使切削力和使切削变形变化，进而使切削力和已加工表面质量产生很大的变化。已加工表面质量产生很大的变化。由于切削力的尺寸效应，切削深度由于切削力的尺寸效应，切削深度越小，切削力越大。越小，切削力越大。超精密切削时切削刃钝圆的作用超精密切削时切削刃钝圆的作用切削深度切削深度对切削力的影响对切削力的影响2 2、切削力特性、切削力特性u(1)切削速度。切削速度。实际生产中一般都要采用切削液来

48、消除积屑瘤实际生产中一般都要采用切削液来消除积屑瘤对加工的影响。不考虑积屑瘤的存在，采用硬质合金车刀和采对加工的影响。不考虑积屑瘤的存在，采用硬质合金车刀和采用天然金刚石车刀进行精密切削，切削速度对切削力的影响规用天然金刚石车刀进行精密切削，切削速度对切削力的影响规律是不一样的。律是不一样的。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素u(1)切削速度。切削速度。u用硬质合金车刀进行精密切削时，切削速度对切削力的用硬质合金车刀进行精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显。影响不明显。这是因为在微量切削时，前刀面前的切削区这是因为在微量切削时，前刀面前的切削区的变形及摩擦在整个切削中所占比例较小，

49、因此当的变形及摩擦在整个切削中所占比例较小，因此当v增加增加时，这部分变形及摩擦减小很不明显；同时由于硬质合金时，这部分变形及摩擦减小很不明显；同时由于硬质合金车刀切削刃刃口半径较大，刃口圆弧部分对加工面所产生车刀切削刃刃口半径较大，刃口圆弧部分对加工面所产生的挤压所占的比例较大，切削速度的增加，对其影响很小，的挤压所占的比例较大，切削速度的增加，对其影响很小，因此用硬质合金车刀精密切削时，切削速度对切削力的影因此用硬质合金车刀精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显。响不明显。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素u(1)切削速度。切削速度。u用天然金刚石车刀时，情况就不一样，它的刃口圆

50、弧半径比用天然金刚石车刀时，情况就不一样，它的刃口圆弧半径比硬质合金小很多，虽然切削用量相同，切下的切屑要从前刀面硬质合金小很多，虽然切削用量相同，切下的切屑要从前刀面流出。但因前刀面的切削区的变形及摩擦所占的比例加大，当流出。但因前刀面的切削区的变形及摩擦所占的比例加大，当切削速度增加时，这部分变形及摩擦要减少，所以用天然金刚切削速度增加时，这部分变形及摩擦要减少，所以用天然金刚石车刀精密切削时，切削力随切削速度的增加而下降。石车刀精密切削时，切削力随切削速度的增加而下降。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素u(1)切削速度切削速度3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(a)硬质合

51、金车刀精密车削硬质合金车刀精密车削(b)天然金刚石车刀精密车削天然金刚石车刀精密车削u(1)切削速度。切削速度。u若考虑积屑瘤的影响，若考虑积屑瘤的影响，情况有所不同情况有所不同u低速时切削力随切削速低速时切削力随切削速度增加，切削力急剧下降。度增加，切削力急剧下降。到到200300m/min后，切后，切削力基本保持不变削力基本保持不变，规律，规律和积屑瘤高度随切削速度和积屑瘤高度随切削速度的变化规律一致，即积屑的变化规律一致，即积屑瘤高时切削力大，积屑瘤瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也小，这和普小时切削力也小，这和普通切削时规律正好相反。通切削时规律正好相反。3 3、影响切削力的因素、影响

52、切削力的因素u原因是积屑瘤的存在，使原因是积屑瘤的存在，使刀具的刃口半径增大；积屑刀具的刃口半径增大；积屑瘤呈鼻形并自切削刃前伸出，瘤呈鼻形并自切削刃前伸出，这导致实际切削厚度超过名这导致实际切削厚度超过名义值许多；积屑瘤代替刀具义值许多；积屑瘤代替刀具进行切削，积屑瘤和切屑及进行切削，积屑瘤和切屑及已加工表面之间的摩擦比刀已加工表面之间的摩擦比刀具和它们之间的摩擦要严重具和它们之间的摩擦要严重许多。许多。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(1)切削速度切削速度u进给量和切削深度决定着切削面积的大小，因而是影响切削进给量和切削深度决定着切削面积的大小，因而是影响切削力的重要因素。进给量

53、对切削力的影响的试验结果见表。力的重要因素。进给量对切削力的影响的试验结果见表。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(2)进给量进给量从表中可以清楚地看出：进给量对切削力有明显的影响，且当从表中可以清楚地看出：进给量对切削力有明显的影响，且当进给量小于一定值时，进给量小于一定值时， FY FZ，这是精密切削时切削力变化的，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。特殊规律。u用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见表。用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见表。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(2)进给量进给量从表中可以清楚地看出：从表中可以清楚地看出： 用天然金刚石车刀

54、进行精密切用天然金刚石车刀进行精密切削时，削时， FZ FY 。u背吃刀量对切削力的影响试验结果见表。背吃刀量对切削力的影响试验结果见表。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(3)背吃刀量背吃刀量u从表中可知，使用硬质合金车刀时，背吃刀量对切削力有明从表中可知，使用硬质合金车刀时，背吃刀量对切削力有明显的影响，对显的影响，对FZ的影响大于对的影响大于对FY的影响。的影响。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素从表中可知，使用天然金刚石车刀时，从表中可知，使用天然金刚石车刀时，FZ仍然大于仍然大于FY。原因是。原因是切削用量直接影响切削用量直接影响FZ的大小。切削刃口半径的大小决定后刀

55、面的大小。切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着上正压力大小，直接影响着FY的大小。当切削用量减小时，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，到一定值之后， FY才能大于才能大于FZ ，但是由于天然金刚石车刀可以，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

56、削，小，虽然是微量切削， FZ仍然大于仍然大于FY(3)背吃刀量背吃刀量3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素u一般切削时，一般切削时， FZ与与FY的比值总是大于的比值总是大于1，而精密切削时情况，而精密切削时情况不一定是这样的，它取决于切削用量不一定是这样的，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，比值。当切削用量与刃口半径之比值达到一定数值时， FZ与与FY的比值可以小于的比值可以小于1。u另外，在一般切削时，另外，在一般切削时， 背吃刀量背吃刀量ap对切削力的影响大于进给对切削力的影响大于进给量量f对切削力的影响。

57、对切削力的影响。在精密切削时则恰恰相反，进给量对切削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。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。量大于背吃刀量的切削方式有关。3 3、影响切削力的因素、影响切削力的因素(4)刀具材料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，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削时，采用天然金刚石刀具所产生

58、的切削要比其他材料刀具小。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。切削相似。1 1、切削热、切削热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。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。变形所消耗的功转变为热。变形所消耗的功包括两部分：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。很小

59、，而后者较大。 (2)摩擦所消耗的功转变为热摩擦所消耗的功转变为热。摩擦所消耗的功也包括两部。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。摩擦所产生的热。1 1、切削热、切削热QQQQQQ介刀工屑总传u切削热的来源切削热的来源QQQQ后摩前摩变形总切削时大量的切削热是由切屑、工件、刀具和周围介质传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、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

60、同。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。件及周围介质。1 1、切削热、切削热(1)车削加工：车削加工：50%86%由切屑带走由切屑带走，10%40%传入车刀，传入车刀，3%9%传入工件，传入工件，1%左右通过左右通过辐射传入空气。辐射传入空气。(2)钻削加工：钻削加工：28%由切屑带走，由切屑带走，14.5%传入刀具传入刀具，52.5%传入工件传入工件，5%左右传入周围介质。左右传入周围介质。(3)磨削加工：磨削加工：4%由磨屑带走，由磨屑带走，12%传给砂轮，传给