金刚石刀具精密切削加工
137页1、精 密 加 工 与 特 种 加 工,第二章 金刚石刀具精密切削加工,超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming, SPDT)。:,超精密切削的历史,60年代初,由于宇航用的陀螺,计算机用的磁鼓、磁盘,光学扫描用的多面棱镜,大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜,以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高,使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工,不但加工成本很高,而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此,研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,金刚石车床及刀具,平面镜的切削,平面度0.06 m 表面粗糙度Rmax0.02 m,玻璃镜的切削,1. 按加工方式可分为: 车刀 (Turning Tools) 孔加工刀具 (Drilling Tools) 铣刀 (Milling Tools) 齿轮刀具(Gear Cutting Tools) 成型刀具 (Formed Tools
2、) 其它刀具 (Other Tools) 2. 按刀具结构可分为: 整体刀具 焊接刀具 可转位刀具 其他刀具,一、切削刀具的种类,金属切削刀具简介金刚石刀具,车刀和车削,钻头和钻削,铣刀与铣削,铣刀与铣削,镗刀与镗削,一、切削刀具的种类,3. 按刀具材料的成分可分为: 金刚石刀具(Diamond) 立方氮化硼刀具 (Cubic Born Nitride ) 陶瓷刀具 (Ceramic Tools) 硬质合金刀具(Cemented Carbide Tools) 高速钢刀具 (High Speed Steel) 碳素和合金工具钢 (Alloy Steel),传统切削加工,18世纪后期,碳素工具钢刀具,耐热温度为200,切削速度6-10m/min,加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面, 需要大约1个月时间。 1861年英国人首先制备出合金工具钢刀具,耐热温度达到300左右,切削速度20m/min。 1898年美国人研制成功高速钢刀具,耐热温度达到500左右,切削速度30-40m/min。 高速钢刀具的出现,引起了金属切削加工的第一次革命,新型高速机床随之出现。,二、切削刀具的发展简史,1925年德国人
3、首先发明了硬质合金刀具,耐热温度达到600-800左右,切削速度40-200m/min。硬质合金刀具的出现,引起了金属切削加工的又一次革命。 20世纪30年代,出现陶瓷刀具,但并未得到广泛应用,50年代以后,逐步发展,目前,耐热温度达到1100-1400,切削速度500-1000m/min。 20世纪50年代美国GE公司首先合成人造金刚石和CBN,CBN硬度接近金刚石,耐热温度达到1400-1500。 自20世纪70年代初美国GE公司研制成功聚晶金刚石(PCD)刀片,目前,在很多场合下已经替代了天然金刚石。,实例:加工直径为100mm,长度500mm的碳钢棒。 1890年,用碳素工具钢刀具,需要100min。 1910年,用高速钢刀具,需要26min。 现在,用硬质合金刀具,需要1.5min。 现在,用陶瓷或PCBN刀具,小于1.0min。,三、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(普通刀具530m,金刚石刀具10nm),刃口半径,刃口半径越小(刀刃越锋利),加工表面粗糙度、切削力、切削变形越小
4、及残余应力、加工硬化小。,三、超精密切削对刀具的要求,3.刀刃无缺陷,切削时刃形将复印在加工表面上,从而得到超光滑的镜面 4.与工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低,以得到极好的加工表面完整性 5).切削刃的粗糙度,切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.35 m,金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.10.2 m,特殊情况Ry1nm。,四、金刚石刀具对超精密切削的适应性(1)金刚石的顔色和硬度,有红色和绿色等多种颜色。 硬度随颜色不同而不同。茶色最硬、无色和黄色次之。 金刚石还有很高的韧性(与矿物相比较):黄色天然金刚石的韧性更好,不易崩刃。 无杂质、无缺陷。 结论:在难切削材料镜面加工中,几乎都是采用的茶色的金刚石刀头。,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.,(2)金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,金刚石的晶体结构 规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体,不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显,不同晶面耐磨性能不同。,大颗粒人造金刚
5、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。,(2)金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,人造金刚石,(3)金刚石刀具的性能特点,硬度极高,耐磨性好。自然界最硬的材料,金刚石的显微硬度达HV10000。具有极高的耐磨性,天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍,人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。加工高硬度材料时,寿命为硬质合金刀具的10-100倍,甚至高达几百倍。 摩擦系数低。除黑色金属外,与其它物质的亲和力小。金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低,约为硬质合金刀具的一半(0.1-0.3)。摩擦系数低可减小切削温度和切削力。,能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径15nm。 导热性能好,热膨胀系数小,刀具热变形小。金刚石是由碳原子的共价结合而成的,其热传导率在矿物中是最大的。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍,为铜的2-6倍,由于导热系数高,切削热容易散出,切削温度低。 不适宜切黑色金属。 很脆,避免振动(高精度的机床设备)。 价格昂贵,刃磨困难。,(3)金刚石刀具的性能特点,(4
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