2014现代加工技术第二章切削加工及刀具先进切削精密切削振动切削加工

1、现代加工技术,第二章 切削加工及刀具,2.1 切削机理 2.2 先进切削 2.2.1 高速切削加工 2.2.2 精密与超精密切削 2.2.3 振动切削加工 2.2.4 加热与低温切削,2.2.2 精密与超精密切削,精密与超精密切削,1）概述 2）精密切削加工的工艺规律和机理 3）精密切削加工的机床及应用,精密与超精密切削 概述,精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.020.005m，加工精度0.01m)。 用于加工：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

2、、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。 精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。 金刚石刀具的精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。,精密与超精密切削 概述,精密加工的加工范畴 按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 精密加工：加工精度在0.11m，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0.01m，加工表面粗糙度小于Ra0.01m之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工等 ）。,精密与超精密切削 概述,精密加工的关键技

3、术 1.精密加工机床：主轴回转精度、工作台直线运动精度以及刀具微量进给精度 2.金刚石刀具：金刚石晶面选择、刀具刃口锋利性（刀具刃口圆弧半径） 3.精密切削机理：微量切削过程的特殊性 4.稳定的加工环境：恒温、防振和空气净化 5.误差补偿：根据规律设定补偿，反馈控制系统 6.精密测量技术,精密与超精密切削 加工机理,切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。 原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度10002000m/min，

4、而刀具的磨损甚小。 超精密切削实际速度的选择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。,精密与超精密切削 加工机理,1、微量切削条件,极限切深： = rn-h = rn（1-cos） =45 - -为刀具与工件间的摩擦角,刃口圆弧处任一质点i的受力情况,为熨压层,精密与超精密切削 加工机理,2、微量切削的碾压过程,刃口圆弧切屑分离点之下被碾压,实际只有部分圆弧刃参与切削 刀尖圆弧附近实际切深很小，碾压比重大,精密与超精密切削 加工机理,3、超精密切削加工中刀具刃口锋利程度对切削能力的影响,rc某一较小切深下，刃口的临界钝圆半径 rn刃口的钝圆半径,（能切削）,

5、（不能切削）,精密与超精密切削 加工机理,4、超精密切削表面粗糙度,副偏角对表面粗糙度的影响,进给量对表面粗糙度的影响,精密与超精密切削 加工机理,总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。,精密与超精密切削 加工机理,5、切削参数对积屑瘤生成的影响 1）切削速度的影响,2020/7/9,不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。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。,精密与超精密切削 加工机理,5、切削参数对积屑瘤生成的影响 2）进给量f和

6、背吃刀量ap的影响,由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f5m/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。 由图2-9所示，在背吃刀量 25m后， h0值将随着背吃刀量的增加而增加。,精密与超精密切削 加工机理,6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 1）对切削力的影响,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。,精密与超精密切削 加工机理,6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 1）对切削力的影响,1）积屑瘤前端R大约23m, 实际切削力由刃口半径R起作用，切削力明显增加 。 2）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。 3

7、）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加 hD-hDu，切削力增加。,实际切削厚度,精密与超精密切削 加工机理,6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 2）对加工表面粗糙度的影响,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。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 超精密切削属微量切削，其机理与普通切削差别较大 普通切削精度在1m，切削深度远大于材料晶格尺寸，主要是材料晶格位错滑移实现材料去除。 超精密切削精度在0.01m，刀具需克服的是晶格内部非常大的原子结合力，刀具上的切应力急剧增大，刀刃需能够承受该切应力。 微量切削

8、最主要的问题是刀具的锋利程度。 目前只有金刚石刀具能满足超精密加工的要求。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 1）PCD（聚晶金刚石）,切削非铁类金属：铝和铝合金，锰合金，铜，黄铜，青铜，锌，碳化钨等。 切削非金属类材料：木制材料、陶瓷，纤维玻璃，碳纤维元件，塑料等。 做成PCD刀片：用于上述材料的精密加工。 刃口材质不均，不能用于超精加工。,粘结相,制片,高温高压小颗粒,混合烧结,制成刀片,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 1）PCD（聚晶金刚石）,PCD刀片的前刀面与刀刃,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 2）CVD金刚石,CVD

9、 金刚石是使用化学气相沉积法制造的金刚石，是以多晶片形式制造的。 CVD 金刚石的许多性质与天然金刚石相同。 制成多晶刀片： CVD 金刚石（是多晶）没有单晶方向，无粘结相。 刃口材质均匀，可以用于超精加工。,低压CVD成膜,多晶片,割成刀片,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 3）单晶金刚石,它在严格控制的成晶条件下，经高温高压处理后制成。合成单晶金刚石的物理结构与天然单晶金刚石的物理结构完全相同，为面对中心的立方体结构。在金刚石中，每一个碳原子都通过共价键连接到四个其他碳原子，没有自由电子，因此合成金刚石通常不导电。对于合成金刚石，一个或多个碳原子可能被氮原子替换（或替代

10、），从而使金刚石呈现黄色。 可制成单晶刀片：按一定晶向刃磨，刃口极为锋利。 特别适于作超精加工刀具，但价格仍极为昂贵。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 3）单晶金刚石,单晶金刚石刀具,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 4）天然金刚石,金刚石是已知硬度最大的材料。在所有材料中，它的室温下的导热性最高。其若干机械性质，比如体积弹性模量和临界断裂张应力等，也是已知材料中最高的。它的摩擦系数极低，并且是一种优异的电绝缘体，不会发生腐蚀。 天然金刚石刀具：按晶向能磨出最为锋利的刃口，达nm米级刃口半径。平刃性极高，刃口无缺陷，能得到超光滑的镜面。虽然价格昂贵，但

11、仍被认为是理想的、不可替代的超精密 切削刀具材料。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 4）天然金刚石,天然金刚石刀片的前刀面与圆弧刀刃,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石,金刚石晶面,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 4）天然金刚石刀具刃磨 应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（111）不适合作前后面。 解理面：最容易劈裂的镜面，一般为111晶面。受力不可与此面平行。 定向刃磨的必要性：100晶面与110晶面作后刀面相比，磨损相差6倍。前刀

12、面产生破损的概率，因取向不同而相差103倍。 推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面： 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。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 4）天然金刚石刀具刃磨 磨具：回转的铸铁研磨盘。 晶体定向：确定金刚石的镜面和晶向。 可用于铜、铝及其合金等软金属零件的精密加工。这些材料不易磨削。 铝合金硬盘基板金刚石车削Ra0.003 m ，平面度可达0.2 m

13、 。 金刚石超精切削：很高的主轴回转精度，导轨运动精度，精细走刀的平稳性，环境恒温、净化和隔振等。,精密与超精密切削 加工机理,6、超精密切削刀具金刚石 5）金刚石刀具的固定方法 对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。 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 一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。,精密切削加工的机床及应用,发展概况 精密机床是实现精密加工的首要基础条件。 1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承

14、主轴的超精密机床；19831984研制成功大型超精密金刚石车床DTM3型和LODTM大型超精密车床。 2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。 3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。 4）中国：JCS027超精密车床、JCS031超精密铣床、JCS035超精密车床等。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,Union Carbide 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

15、提高主轴的回转精度。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,Moore 车床,由Moore 3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Moore 3，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。,精密切削加工的机床及应用,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

16、标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪 精密检测位移。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,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。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,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路高分辨力双频激光 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

17、承。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,OAGM 2500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。,精密切削加工的机床及应用,典型机床简介,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0.05 m，表面粗糙度0.025m,精密切削加工的机床及应用,

18、机床的稳定性 各部件的尺寸稳定性好 采用尺寸稳定性好的材料制造机床部件； 各部件经过消除应力； 结构刚度高，变形小 结构刚度高、变形量极小，基本不影响加工精度； 各接触面和联接面的接触良好，接触刚度高，变形极小。,2.2.3 （超声）振动切削,超声波及其特性,声波类型 振动在弹性介质内的传播称为波动, 简称波。波动的物理实质是能量的传递过程。 可闻声波：频率在1616000 Hz之间的声波。 次声波：频率低于16 Hz的声波。 超声波：频率高于16000 Hz的声波。 特超声波：频率高于1010 Hz的声波。,超声波及其特性,声波类型,声波的频率界限图,声波,超声波,次声波,特超声波,超声波及

19、其特性,超声波的基本特性 超声波与声波一样，在气体、液体和固体等不同弹性介质中传播时，其传播速度不同。 超声波能传递很强的能量，它对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。超声波是一种纵波，其振动能量的强弱可用能量密度来衡量, 其能量密度可达100W/cm2 以上。 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化作用，强化加工过程的进行。 超声波会产生反射、干涉和共振现象，出现波的叠加作用，从而获得更大的加工能量。,超声波加工的原理与特点,超声波加工的基本原理 超声波加工是利用超声波作动力，推动磨料以极高的速度冲击工件表面，工件材料在磨料打击下被破坏、脱落。,超声波加工的原理与特点,超

20、声波加工的基本原理 超声发生器将交流电转变为超声电振荡； 换能器将电振荡转变为机械振动； 变幅杆将振幅放大至0.050.1mm，驱动工具作超声振动。 工具推动磨料高速撞击、抛磨工件，击碎工件表面材料，并使之去除； 工作液产生的液压冲击波和空化作用加快了表面材料的裂纹扩展和破坏。 超声波加工是机械撞击、抛磨、空化作用的综合结果。其中撞击起主要作用。,超声波空化作用：指存在于液体中的微小气泡，在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括3个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。,超声波加工的原理与特点,超声波加工的特点 适合加工各种硬脆材料，特别是不导电的非

21、金属材料，例如玻璃、陶瓷、石英、宝石、金刚石等。 工具可用较软的材料做较复杂的形状。 工具与工件相对运动简单，使机床结构简单。 切削力小、切削热少，不会引起变形及烧伤，加工精度与表面质量也较好。 超声波加工的面积较小，工具头磨损较大，因此，生产率低。,超声波加工设备,超声波加工设备又称超声波加工装置 一般由超声发生器、超声振动系统（声学部件）、机床本体和磨料工作液循环系统等部分组成。,超声波加工装置,1-冷却器 2-磨料悬浮液抽出 3-工具 4-工件 5-磨料悬浮液送入 6-变幅杆 7-换能器 8-超声波发生器,超声波加工设备,超声波加工装置 （1）超声发生器 作用：将工频交流电转变为具有一定

22、功率输出的超声频电振荡。 要求：输出的功率和频率在一定范围内连续可调。,超声发生器的组成方图,超声波加工设备,超声波加工装置 （2）声学部件 作用：将超声波发生器输出的高频率电能转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面作高频率、小振幅振动以进行超声加工。 组成：换能器、变幅杆和工具。 A）换能器 作用：将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动。 分类：压电式换能器（利用压电效应制成）；磁致伸缩式换能器（利用磁致伸缩效应制成,超声波加工设备,超声波加工装置 （2）声学部件 组成：换能器、变幅杆和工具。 B）变幅杆 作用：将换能器获得的超声振动振幅加以扩大，以达到加工所需的振幅。 分类：锥形-扩大比

23、较小（5-10倍），易制造；指数形-扩大比中等（1020倍），难制造；阶梯形-扩大比大（20倍以上），易制造。,超声波加工设备,超声波加工装置 （2）声学部件 组成：换能器、变幅杆和工具。 B）变幅杆 扩大振幅的原因 通过变幅杆任一截面的振动能量不变（传播损耗不记）; 截面越小，能量密度越大 ，振动振幅也就越大; 能量密度与振幅的平方成正比。,超声波加工设备,超声波加工装置 （2）声学部件 组成：换能器、变幅杆和工具。 C）工具 作用：推动磨料和悬浮液冲击工件表面，加工出形状和尺寸。 形状和尺寸：取决于被加工表面的形状和尺寸，它们相差一个“加工间隙”。 材料：45钢、碳素工具钢一般硬脆材料；硬

24、质合金、淬火钢加工精度高；金刚石镀覆特殊要求。,超声波加工设备,超声波加工装置 （3）机床本体,1工作台； 2工具； 3变幅杆； 4换能器； 5标尺； 6导轨； 7支架； 8平衡重锤,超声波加工设备,超声波加工装置 （4）磨料工作液及其循环系统 （1）工作液 常用、效果较好水 表面质量要求高煤油或机油 （2）磨料 碳化硼、碳化硅或氧化铝 生产率要求高颗粒大 加工精度、表面质量要求高颗粒小 （3） 循环系统 小型加工设备人工浇注、定期更换 大型加工设备流量泵自动供给 工具、变幅杆尺寸较大在其中开孔，由孔内抽吸。,超声波加工的工艺规律,加工速度及其影响因素 定义：加工速度指单位时间内去除材料的多少

25、，以mm3/min或g/min为单位来表示。 影响加工速度的因素：主要有工具的振幅和频率、进给压力、磨料的种类和粒度、被加工材料、磨料悬浮液的浓度。,超声波加工的工艺规律,加工速度及其影响因素 工具振幅和频率的影响 过大的振幅和过高的频率会使工具和变幅杆承受很大的内应力，振幅一般在0.010.1mm之间，频率在1600025000Hz之间。 在实际加工中需根据不同工具调至共振频率，以获得最大振幅，从而达到较高的加工速度。,超声波加工的工艺规律,加工速度及其影响因素 进给压力的影响 加工时工具对工件应有一个适当的进给压力。 压力过小时，工具端面与工件加工表面间的间隙增大，从而减少了磨料对工件的锤

26、击力； 压力增大，间隙减少，当间隙减少到一定程度则会降低磨料与工作液的循环更新速度，从而降低生产率。,超声波加工的工艺规律,加工速度及其影响因素 磨料种类和粒度的影响 加工时针对不同强度的工件材料可选择不同的磨料。 磨料强度愈高，加工速度愈快，但要考虑价格成本。 加工宝石、金刚石等超硬材料，必须选用金刚石；加工淬火钢、硬质合金，应选用碳化硼；加工玻璃、石英和硅、锗等半导体材料，选用氧化铝磨料。,超声波加工的工艺规律,加工速度及其影响因素 磨料悬浮液浓度的影响 磨料悬浮液浓度低，加工间隙内的磨粒少，特别是在加工面积大、深度较大时可能造成加工区局部没有磨料，使加工速度大大降低。 磨料浓度的增加，加

27、工速度也增加，但浓度太高，磨粒在加工区域内的循环运动和对工件的撞击运动受到影响，又会导致加工速度降低。 被加工材料的影响 被加工材料愈硬脆，则承受冲击载荷的能力愈低，愈易被去除加工，反之，韧性愈好，愈不易加工。,超声波加工的工艺规律,加工精度的影响因素 超声波的加工精度，除了机床、夹具精度影响外，主要与以下因素有关： （1）磨料粒度； （2）工具精度及其磨损情况； （3）工具横向振动大小； （4） 加工深度； （5）被加工材料性质等。 超声波加工的孔径范围0.190mm，孔深为孔径的1020被以上。孔的精度可达0.02mm或更高。,超声波加工的工艺规律,表面质量的影响 超声波加工具有良好的表面

28、质量，不会产生表面变质层和烧伤； 超声波加工的表面粗糙度主要与磨粒尺寸、工件材料性质、超声波振幅以及磨料悬浮液的成分等有关。 磨粒尺寸愈小，超声振幅愈小，工件材料越硬，生产率愈低，表面粗糙度愈会得到明显改善； 用煤油或者润滑油代替水可使表面粗糙度值减小，提高表面质量。,超声波加工的应用,超声波加工的生产率虽然比电火花加工和电解加工低，但其加工精度和表面质量都优于它们。 更重要的是可以加工它们难以加工的半导体和非金属的硬脆材料，如玻璃、陶瓷、石英、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。 对于电火花加工后的一些淬火钢、硬质合金冲模、拉丝模、塑料模等，最后还经常用超声波抛磨、光整加工，使表面粗糙度进一步降低。,

29、超声波加工的应用,（1）、型（腔）孔加工 超声波目前主要应用在脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、套料、微细孔等的加工。,图7-12 超声波加工的型孔、腔孔类型,超声波加工的应用,（2）、切割加工 对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。,图7-15 超声波切割加工,振动切削,超声波振动车削原理,运动轨迹,车刀,V,AF,运动轨迹,车刀,V,AF,单向超声波振动切削,椭圆超声波振动切削,超声波振动切削组成,V,Vibration,Vibration,椭圆超声振动车削轨迹,振动切削,普通切削,单向振动切削,椭圆振动切削,吃刀抗力 N,工件长度方向位置 mm,椭圆振动切削的刚性化效果切削力降低两个数量级,振动切削,普通切削,单向振动切削,椭圆振动切削 （负背分力）,振动切削,椭圆振动刨削装置,2.2.3 振动切削,椭圆超声精密