精密超精密加工技术

第二章

超精密切削与金刚石刀具超精密切削应用范围与切削速度应用范围：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、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、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。选择依据：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。积屑瘤一、切削参数对积屑瘤生成的影响切削速度：当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。进给量：进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在进给量＝5μm/r时，积屑瘤的高度值最小，进给量值再增大时，积屑瘤的高度值稍有增加。背吃刀量：背吃刀量<25μm时，积屑瘤的高度变化不大，但在背吃刀量>25μm后，积屑瘤的高度值将随着背吃刀量的增加而增加。二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响及预防措施积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。原因：有效刃口半径增大；摩擦增加；实际切削厚度增加。预防措施：使用切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。切削参数变化对加工表面质量的影响切削速度：在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。进给量和修光刃：使用很小的进给量，刀具制成带修光刃。切削刃形状：直线修光刃、圆弧刃，要精确对刀。背吃刀量：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。背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响刀刃锋锐度对切削变形：金刚石车刀具锋锐度对表面粗糙度是有一定影响的，特别是在进给量和背吃刀量较小的时候。刀刃锋锐度对加工表面质量：切削表面层的冷硬和组织位错：刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。刃口半径越小，表面组织位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。加工表面残留应力：刃口半径越小，残留应力越低；背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。超精密切削时的最小切削厚度精度：纳米级；切削刃与钝圆半径：当刀刃刃口半径rn为某值时，切下的最小切削厚度和临界点处的比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。根据经验，A点处的比值一般在0.8～1范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取。

Pro/Engineer软件刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响三个晶面特征：（100）晶面的摩擦系数曲线有4个波峰和波谷；（110）晶面有2个波峰和波谷；（111）晶面有3个波峰和波谷；（100）晶面的摩擦系数最低；（110）最高；（100）晶面的摩擦系数差别最大；（111）晶面最小。晶面不同对切削变形的影响用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）晶面的2号车刀。晶面不同对加工表面质量的影响摩擦系数小的（100）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使切削变形减小，并可减小后面与加工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力。晶面不同对刀具磨损的影响（110）晶面的刀具磨损较快，切削相当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05μm；（100）晶面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表面粗糙度仍<0.05μm，即刀具耐用度明显较高。刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构超精密切削对刀具的要求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。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。金刚石晶体的性能硬度最高，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。金刚石的晶体结构：根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，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。解理现象: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）面的宽的面间距（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。金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向耐磨性：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”。摩擦因数：(110)晶面摩擦系数最大，(100)晶面次之，(111)晶面最小。摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数低时磨削率也低。摩擦系数曲线的波峰方向即是磨削率最高的“好磨方向”；摩擦系数曲线的波谷方向即是磨削率最低的“难磨方向”。根据摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向。金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理的积累；主要产生于（111）晶面的解理。金刚石刀具的最佳前后面：刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，当作用力相同时，（110）面破损的机率最大，（100）面破损机率最小。设计金刚石刀具时，应选用微观强度最高的（100）作为金刚石刀具的前面和后面。选用微观强度最高的（100）晶面作为金刚石刀具的前后面。单晶金刚石刀具的磨损破损机理人工目测定向:X射线定向:当一定波长的X光束穿透晶体，晶体内振动的电子将在各个方向发出散射光，该散射光在某些方向被反射增强，形成所谓的衍射光束，能在荧光屏上观察到，并能使照片底片感光。激光定向:利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的。金刚石晶体的定向一、金刚石刀具的设计金刚石刀具的设计与制造设计的主要问题：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。前角与后角：为增加刀刃的强度，采用较大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得较小。后角：多采用加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取前角根据加工材料，切铝、铜合金前角取。前后刀面：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。金刚石刀具的固定方法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；金刚石刀具的研磨粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金刚石微粉的粒度有关。找到所磨晶面的好磨方向线速度高加大研磨压力（