第四章 金刚石刀具精密切削加工.ppt

1、第四章是金刚石工具的精密切削，在第一节中进行了总结。首先，精密切削的历史。20世纪60年代初，由于对各种镜盒的高精度要求，如航空航天用的陀螺仪、计算机用的磁鼓和磁盘、光学扫描用的多边形棱镜、大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜、各种复杂形状的红外光立体镜等，都采用了磨削、抛光等方法进行加工，这不仅降低了加工成本，因此，高精度、高刚度的机床和金刚石工具的切削方法得到了研究和发展。(2)超精密加工的难点(1)刀具和工件表面的微弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制(2)工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响。3.去除层越薄，加工表面上的剪切应力越大，去除材料就越困难。4.当拆除厚度小于1

2、m时，拆除区域的剪应力急剧增加。超精密加工方法1。切割2。研磨加工。特殊加工4。复合加工第2节。精密切削机床及其应用。精密机床发展概述1。国外第二次世界大战后，美国首先发展了金刚石工具的精密切削技术，并为此开发了带空气轴承的高性能精密车床。在过去的50年里，超精密切削机床得到了研究和发展。近年来，精密和超精密切削技术已广泛应用于民用产品。中国在20世纪60年代发展了精密机床。1987年，北京密云机床研究所成功加工出JSC-027超精密球面车床。北京航空精密机械研究所成功研制了超精密车床和带空气轴承的金刚石镗床，性能良好。精密和超精密加工机床的精度指标普通车床的径向跳动通常为0.01毫米，导轨的

3、直线度为0.02毫米/1000毫米；精密车床主轴的径向跳动通常为0.0030.005毫米，导轨的直线度为0.01毫米/1000毫米。超精密机床有较高的技术要求。加工设备的精度必须高于零件的精度，有时要求比零件的精度高一个数量级。精密机床加工视频(5轴4联动，德国德马格机床)，3。典型超精密机床的基本要求1。高精度2。高刚性3。高稳定性4。高度自动化。3.精密主轴部件要求极高的旋转精度和无振动的稳定旋转，关键在于所用的精密轴承。早期使用超精密滚动轴承。(很难制造)目前，主要使用静压轴承和空气静压轴承。1.静压轴承的主轴旋转精度可达0.1m，且旋转平稳无振动，因此一些超精密机床主轴采用这种轴承。(

4、1)原理压力油通过节流孔进入轴承耦合面之间的油腔，使轴悬浮在轴套中，没有固体摩擦。当重要官员被偏压时，耦合表面之间的漏油间隙改变，导致相对于油腔的油压差，这将使振动主轴返回到其原始中心位置。为了减小热变形的影响，静压推力轴承的两个相对推力面在同一端，因此热变形长度较小，不会引起推力轴承间隙的明显变化，有利于保持轴承的刚度、承载能力和轴向精度。2)缺点静压轴承的油温升高。不同速度下的温升不同，因此很难控制恒温。温度上升引起的热变形会影响居民的精度。当静压油返回时，空气将被带入油源，微小气泡不易排出，这将降低静压轴承的刚度和动态特性。3)采取相应措施增加静压油的压力，以减少油中微小气泡的影响，静压

5、轴承用油应由于空气轴承面为球面，具有自动调心功能，可以提高前后轴承的同心度，提高主轴的旋转精度。3.轴承主轴材料不易磨损、生锈，膨胀系数低，轴承气隙不易改变，轴瓦接近恒温油温花岗岩、玻璃、陶瓷、轴承钢、氮化钢和多孔石墨；4.主轴驱动方式1)电机采用皮带传动的驱动方式，电机采用DC电机或交流变频电机，可无级调速。为了在不换档的情况下减少振动，电机需要经过精确的动平衡，并使用单独的基础来防止振动影响机床的精度。传动带由柔软的无缝丝绸材料制成。为了进一步隔离传动引起的主轴振动，皮带轮有自己的轴承支架。2)电机通过柔性联轴器驱动机床主轴，结构紧凑，广泛应用于超精密机床。为了提高主轴旋转的精度，电机应进

6、行精确的动平衡。安装电机时，尽量保证电机轴和主轴同心，并使用柔性联轴器消除安装误差引起的振动和旋转误差。然而，主轴部件的轴向长度较长，这使得机床的尺寸较大。3)内置同轴电机用于驱动机床主轴电机的定子，定子安装在主轴箱内，转子的旋转由机床的高精度空气轴承支撑。电机采用无刷DC电机，便于无级变速电机工作时定子发热和温升，导致主轴部件热变形。电机定子强制通风冷却、定子外壳夹层、恒温油或水冷却等措施。主轴箱的轴向长度缩短，成为独立、方便的运动部件。床身和精密导轨零件1。床身和导轨材料是精密机床的基本零件，其材料性能对精密机床的整体性能有很大影响。床身和导轨材料应具有良好的尺寸稳定性、较小的热膨胀系数、

7、较强的减振能力、良好的耐磨性和良好的加工工艺。普通导轨材料：优质耐磨铸铁是制造床身和导轨的传统材料。其优点是工艺性好，抗腐蚀性弱，易生锈。花岗岩已成为制造精密机床床身和导轨的首选。优点：与铸铁相比，花岗岩在尺寸稳定性、热膨胀系数、减振能力、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等方面具有优越的性能。缺点：具有吸湿性，吸湿后会产生微小变形，影响精度。此外，花岗岩难以加工，其工艺性不如铸铁，因此无法铸造成型。人造花岗岩是由花岗岩颗粒和树脂粘合而成的。2.超精密机床总体布局：1)T型布局主轴箱和滑架滑板完成纵向和横向运动；2)十字形布局车头不动，车厢安装在十字形滑板上；3)可改变小车导轨的转角和半径，加工非球面；4

8、)垂直结构布局适用于大工件直径和重量。3.导轨类型1)滚动导轨已在普通机床和精密机床上使用多年，滚动导轨技术不断提高。直线运动精度可达微米级，摩擦系数可达0.003以下。直线滚动导轨采用直线滚子轴承，滚子带保持架在导轨的结合面上直线滚动，轴承长度根据工作行程确定。再循环滚动组件再循环滚动组件由于滚动体的再循环，其工作长度不受限制。根据滚动体的不同类型，有两种循环滚动组件和循环滚珠滚动组件。2.静压导轨由于导轨运动速度不高(精密加工中的进给速度一般很小)，静压导轨的温升很大圆柱形静压导轨本身可以制造出高精度的导轨，但是很难将两个圆柱形导轨调整成严格平行，所以这种结构的液体导轨没有得到广泛应用。3

9、)气浮导轨和空气静压导轨气浮导轨和空气静压导轨可获得较高的直线运动精度，运动平稳，无爬行，摩擦系数几乎为零，无发热。当导轨上的运动部件较重且压缩空气压力非常稳定时，可以使用气浮导轨。空气静压导轨运动部分的上、下、左、右侧受到静止空气的约束，其刚度和运动精度高于气浮导轨。3.进给驱动系统中工件的加工精度由成形运动的精度决定。成形运动包括主运动和非进给运动。1)精密数控系统要求：由精密数控系统驱动，刀具相对工件纵向和横向移动，完成各种曲面的精密加工。精密数控系统具有0.01米的高分辨率。精密滚珠丝杠副用作进给系统的驱动元件。优点：摩擦力很小。适当的预紧可以消除正反转之间的回程间隙。双频激光检测系统

10、可以消除丝杠的累积误差。高精度滚珠丝杠副可实现0.51米的相邻螺距误差。缺点：整个进给过程中螺距存在误差，进给运动不平衡。2.静压和空气静压螺旋副驱动空气静压螺旋副的进给运动非常稳定，但是当正负运动由于刚度稍低而改变时，会有少量的空转冲程。静压螺旋传动副的进给运动稳定，使用效果很好，但制造复杂。3。微进给装置1)可进一步提高机床分辨率，高精度微进给装置可达0.0010.01米，可用于加工误差在线补偿和超薄切割。2)机械传动或液压传动式弹性变量热变量液膜变量磁致伸缩电致伸缩，机械结构弹性变形微进给装置，运行稳定可靠，精度重复性好，适合手动操作。分辨率为0.01米，重复精度可达0.02米，最大输出

11、为20米，在输出位移方向有足够的静刚度。压电或电致伸缩微进给装置具有良好的动态特性，可用于实现自动微进给和在线误差补偿。这两块陶瓷中间带正电，两边带负电，多对陶瓷块堆叠在一起。正电极连接在一起，负电极连接在一起形成电致伸缩传感器。第三部分是关于金刚石的结构和性质。首先，超精密切削对刀具的要求。首先，切削刀具的切削刃锋利度可以被研磨成非常锋利，并且切削刃圆弧半径非常小，这可以实现超薄切削厚度，并且减少切削表面和表面变质层的弹性恢复。它与切削刃的加工方向有关。普通刀具为530米，金刚石刀具为10纳米。从物理角度来看，切削刃的半径是有限制的。2.切削刃的粗糙度将决定切削过程中加工表面的粗糙度。普通刀

12、刃粗糙度Ry0.35m米，金刚石刀刃粗糙度Ry0.10.2m米。3、极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证了刀具的长寿命；4、刃口无缺陷，强度足够，抗碎裂性能好；5、化学亲和力小，与工件材料的附着力好，摩擦系数低，加工表面完整性好。2.金刚石工具对超精密切削的适应性1。金刚石工具的性能特点硬度极高，比硬质合金高56倍，摩擦系数低。除黑色金属外，与其他物质的亲和力较小，可使切削刃非常锋利，最小切削刃半径为15纳米。耐磨性好，比硬质合金高50，100倍适用于金刚石切削的金属铜、铝、铅具有优良的切削性能金、银、铂具有较差的切削性能铍、钽、铁、镍、钼、钛、钒、钨等。各种塑料都有良好的可加工性。

13、硅、铈等的可加工性。用于光学元件的材料比具有良好可加工性的金属差。金刚石刀具的几何形状和结构1)刀头形式的尖刀安装方便，但一般没有单条直刃很难安装和刃磨，加工剩余面积最小，多刃安装和刃磨方便，加工表面质量好，圆刃安装方便，加工剩余面积小，刃磨困难。2)刀具几何角度刀具前角通常为=00和=60。加工塑料材料时，前角应较大，以便切削能从前部顺畅流出，并减小切削力。由于金刚石工具易碎，当前角较大时容易开裂，所以通常取0。加工薄壁零件时，前角=60的效果是减少后间隙和零件之间的摩擦。通常，它被认为是=60120。为了改善工具的热传递并增加工具的强度，最好取=50。4。其他工具材料人造金刚石工具立方氮化

14、硼工具。超精密切削中的刀具磨损和寿命。用天然单晶金刚石刀具超精密切削有色金属，如在正常切削条件下，刀具无意外损坏，刀具磨损慢，刀具耐用度极高，其特点是天然单晶金刚石刀具用于超精密切削，加工表面粗糙度超过规定值。金刚石工具的寿命通常是通过其切削路径的长度来衡量的。如果切削条件正常，金刚石工具的使用寿命可达数百公里。在实际使用中，金刚石工具经常达不到上述耐用性，这通常是由于切削刃的微小碎片。它主要是由切削过程中的振动或切削刃的碰撞引起的。金刚石工具加工视频，第4节精密和超精密研磨加工，1。精密研磨，1。精密磨削机理、微刀片的微切削作用、微刀片的高切削作用、微刀片的滑动、摩擦和抛光作用。精密磨削砂轮。精密磨削中的砂轮修整。超精密磨削，超精密磨削机床，超精密磨削机床，5。金刚石砂轮超硬磨料砂轮磨削1)特点：磨削能力强，耐磨性好，磨削力小，磨削温度低，磨削效率高，加工成本低；2)超硬砂轮修整，电解修整；2)精密研磨和抛光；1)研磨机构；1)研磨过程中，磨粒在工件和磨具之间滚动，产生滚动效应，将磨粒压入磨具表面，用露出的磨尖刮伤工件表面，从而实现工件表面磨粒的微切削加工。在硬脆材料的研磨过程中，由微小断裂痕迹形成的磨砂表面磨粒不会作用在镜面上，而是作用在有凸起和裂纹的表面上。3)金属材料的研磨表面没有裂纹。对于像铝这样的软