超精密切削加工与金刚石刀具(精密加工).ppt
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2024/9/18第第2 2章章 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具Ø超精密切削是使用精密的超精密切削是使用精密的单晶单晶天然金刚石刀具加工天然金刚石刀具加工有有色金属和非金属色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面，可以直接加工出超光滑的加工表面( (粗糙度～粗糙度～µm m，加工精度，加工精度µm)m)用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射用于加工：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、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、菲尼尔透镜等复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等Ø超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切超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削的普遍规律Ø金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超金刚石刀具的超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 2024/9/18超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律切削参数变化对加工表面质量的影响切削参数变化对加工表面质量的影响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和加工表面质量的影响超精密切削时的最小切削厚度超精密切削时的最小切削厚度金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响的影响第第2 2章章 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具 2024/9/18超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构结构 金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向 单晶金刚石刀具的磨损破损机理单晶金刚石刀具的磨损破损机理 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造第第2 2章章 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具 2024/9/18•切切削削速速度度是是影影响响刀刀具具耐耐用用度度最最主主要要的的因因素素，，但但是是切切削削速速度度的的高高低低对对金金刚刚石石刀刀具具的的磨磨损损大大小小影影响响甚甚微微，，刀刀具具的的耐耐用用度度极极高高。
原原因因是是：：金金刚刚石石的的硬硬度度极极高高，，耐耐磨磨性性好好，，热热传传导导系系数数高高，，和和有有色色金金属属间间的的摩摩擦擦系系数数低低，，因因此此切切削削温温度度低低，，在在加加工工有有色色金金属属时时刀刀具具耐耐磨磨度度甚甚高高，，可可用用很很高高的的切切削削速速度度10001000～～2000m/min2000m/min，，而刀具的磨损甚小而刀具的磨损甚小•超超精精密密切切削削实实际际速速度度的的选选择择根根据据所所使使用用的的超超精精密密机机床床的的动动特特性性和和切切削削系系统统的的动动特特性性选选取取，，即即选选择择振振动动最最小小的的转转速速因因为为在在该该转转速速时时表表面面粗粗糙糙度度最最小小，，加加工质量最高工质量最高2.1 2.1 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择 2024/9/18Ø刀具的磨损甚小；刀具的磨损甚小；Ø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微观崩刃2.2 2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命超精密切削时刀具的磨损和寿命 2024/9/18图图2-22-2：切削刃正常磨损；：切削刃正常磨损；图图2-32-3：：图图a a是是刀刀刃刃磨磨损损的的正正常常情情况况，，图图b b是是剧剧烈烈磨磨损损情情况况，，可可以以看看到到磨磨损损后后成成层层状状，，即即刀刀具具磨磨损损为为层层状状微小剥落；微小剥落；图图2-42-4：：图图中中所所示示沿沿切切削削速速度度方方向向出出现现磨磨损损沟沟槽槽，，由由于于金金刚刚石石和和铁铁、、镍镍的的化化学学和和物物理理亲亲和和性性而而产产生生的的腐腐蚀沟槽；蚀沟槽；图图2-52-5：：金金刚刚石石切切削削时时，，若若有有微微小小振振动动，，就就会会产产生生刀刀刃微小崩刃。
刃微小崩刃2.2 2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命超精密切削时刀具的磨损和寿命前刀面前刀面后刀面后刀面 2024/9/18不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生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，高度变化不大趋于稳定，高度变化不大2.3 2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律1 1、切削速度的影响、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响 2024/9/18•由由图图2-72-7可可以以看看出出在在进进给给量量很很小小时时，，积积屑屑瘤瘤的的高高度度很很大大，，在在f f＝＝5μm/r5μm/r时，时，h h0 0值最小，值最小，f f值再增大时，值再增大时，h h0 0值稍有增加值稍有增加•由由图图2-82-8所所示示，，在在背背吃吃刀刀量量<25μm<25μm时时，，积积屑屑瘤瘤的的高高度度变变化化不不大大，，但但在在背背吃吃刀刀量量>25μm>25μm后后，，h h0 0值值将将随随着着背背吃吃刀刀量量的的增增加加而而增加。
增加2.3 2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量 的影响的影响 2024/9/18积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小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与普通切削规律正好相反而普通切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，故积屑瘤增大可使切削力而普通切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，故积屑瘤增大可使切削力下降2.3 2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律1 1、对切削力的影响、对切削力的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 2024/9/181 1））积积屑屑瘤瘤前前端端R R大大约约2 2～～3μm3μm，，切切削削刃刃钝钝圆圆半半径径为为～～，，实实际际切切削削力力由由刃刃口口半半径径R R起起作作用用，，切切削削力明显增加力明显增加 2 2））积积屑屑瘤瘤与与切切削削层层和和已已加加工工表表面面间间的的摩摩擦擦力力增增大，切削力增大大，切削力增大3 3））实实际际切切削削厚厚度度超超过过名名义义值值，，切切削削厚厚度度增增加加 h hD D-h-hDuDu，切削力增加。
切削力增加2.3 2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律切削模型分析切削模型分析实际切削厚度 2024/9/18积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小使积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小使用切削液可以减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度用切削液可以减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度2.3 2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响2 2、对加工表面粗糙度的影响、对加工表面粗糙度的影响 2024/9/18 由由图图2-112-11知知，，在在有有切切削削液液的的条条件件下下，，切切削削速速度度对对加加工工表表面面粗粗糙度的影响很小糙度的影响很小 图图2-122-12说说明明，，不不同同切切削削速速度度下下均均得得到到表表面面粗粗糙糙度度极极小小的的加加工工表面表面—镜面2.4 2.4 切削参数变化对加工表面质量的影切削参数变化对加工表面质量的影响响一、切削速度的影响一、切削速度的影响 2024/9/182.4 2.4 切削参数变化对加工表面质量的影切削参数变化对加工表面质量的影响响1 1、进给量的影响、进给量的影响二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响在进给量在进给量在进给量在进给量f<5μm/rf<5μm/rf<5μm/rf<5μm/r时，时，时，时，均达到均达到均达到均达到R R R Rmaxmaxmaxmax的加工表的加工表的加工表的加工表面粗糙度。
面粗糙度面粗糙度面粗糙度 2024/9/18为为了了减减小小加加工工表表面面粗粗糙糙度度值值，，超超精精切切削削都都采采用用很很小小的的进进给给量量，，刀刀具制成带具制成带修光刃修光刃修修光光刃刃的的长长度度过过长长，，对对加加工工表表面面粗粗糙糙度度影影响响不大2.4 2.4 切削参数变化对加工表面质量的影切削参数变化对加工表面质量的影响响2 2、修光刃的影响、修光刃的影响二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响 2024/9/18 2024/9/182.4 2.4 切削参数变化对加工表面质量的影切削参数变化对加工表面质量的影响响三、切削刃形状对加工表面粗糙度的影响三、切削刃形状对加工表面粗糙度的影响超超精精密密切切削削时时用用的的单单晶晶金金刚刚石石刀刀具具，，有有直直线线修修光刃和圆弧刃光刃和圆弧刃直直线线刃刃：：刀刀具具制制造造容容易易，，国国内内用用得得较较多多，，可可减减少少残残留留面面积积，，减减小小加加工工面面的的粗粗糙糙度度值值修修光光刃刃的长度常取：的长度常取：圆圆弧弧刃刃：：刀刀具具制制造造较较复复杂杂，，对对刀刀方方便便，，圆圆弧弧刃刃半径一般取半径一般取2 2～～5mm5mm。
有有修修光光刃刃的的金金刚刚石石车车刀刀，，加加工工时时要要精精确确对对刀刀，，使使修修光光刃刃和和进进给给方方向向一一致致生生产产中中常常使用对刀显微镜精确对刀使用对刀显微镜精确对刀 2024/9/18 在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃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值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加2.4 2.4 切削参数变化对加工表面质量的影切削参数变化对加工表面质量的影响响4 4、背吃刀量的影响、背吃刀量的影响四、背吃刀量变化对表面粗糙度的影响四、背吃刀量变化对表面粗糙度的影响 2024/9/182.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响一、切削刃锋锐度的测量一、切削刃锋锐度的测量Ø切切削削刃刃钝钝圆圆半半径径r rn n，，用用扫扫描描电电镜镜测测量量（（拍拍扫扫描描电电镜镜照照片片时时刀刀尖经真空镀金，故实际切削刃钝圆半径比测得的要小）；尖经真空镀金，故实际切削刃钝圆半径比测得的要小）；Ø切削刃钝圆半径切削刃钝圆半径r rn n，用原子力显微镜测量。
用原子力显微镜测量 2024/9/182.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响二、切削刃锋锐度对加工表面粗糙度的影响二、切削刃锋锐度对加工表面粗糙度的影响 图图2-192-19和和图图2-202-20是是两两把把不不同同锋锋锐锐度度金金刚石车刀对比试验刚石车刀对比试验 刃刃口口锋锋锐锐度度对对加加工工表表面面有有一一定定的的影影响响，，相相同同条条件件下下（（背背吃吃刀刀量量、、进进给给量量）），，更更锋锋锐锐的的刀刀具具切切出出的的表表面面粗粗糙糙度更小度更小；； 采采用用较较小小的的背背吃吃刀刀量量和和进进给给量量时时，，切切削削速速度度的的影影响响不不是很大 2024/9/18锋锐车刀切削变形系数明显低于锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀较钝的车刀刀刃锋锐度不同，切削力明显不刀刃锋锐度不同，切削力明显不同刃口半径增大，切削力增大，刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大背吃刀量很小时，即切削变形大背吃刀量很小时，切削力显著增大切削力显著增大因为背吃刀量很因为背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变小时，刃口半径造成的附加切削变形已占总切削变形的很大比例，刃形已占总切削变形的很大比例，刃口的微小变化将使切削变形产生很口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。
大的变化所以在背吃刀量很小的所以在背吃刀量很小的精切时，应采用刃口半径很小的锋精切时，应采用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀锐金刚石车刀 三、切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响三、切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响2.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响 2024/9/18•2A122A12铝铝合合金金（（高高强强度度硬硬铝铝））原原始始材材料料的的显显微微硬硬度度为为105HV105HV（（HVHV表表示示维维氏氏硬硬度度））使使用用r rn n＝＝的的金金刚刚石石车车刀刀切切削削，，得得到到的的加加工工表表面面显显微微硬硬度度为为167HV167HV；；使使用用r rn n ＝＝的的金金刚刚石石车车刀刀切切削削，，得得到到的的加加工工表表面面显显微微硬硬度度为为205HV205HV•1 1））刃刃口口半半径径不不同同，，加加工工表表面面变变质质层层的的冷冷硬硬度度有有很很大区别；大区别；•2 2）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，加工表面变质层的冷硬度越小1 1、对加工表面冷硬的影响、对加工表面冷硬的影响四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响2.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响 2024/9/18硬度硬度硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。
它是金属表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力它是金属表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力它是金属表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力它是金属材料的重要性能指标之一一般硬度越高，耐磨性越好材料的重要性能指标之一一般硬度越高，耐磨性越好材料的重要性能指标之一一般硬度越高，耐磨性越好材料的重要性能指标之一一般硬度越高，耐磨性越好常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度1. 1.布氏硬度布氏硬度布氏硬度布氏硬度(HB)(HB) 以一定的载荷以一定的载荷以一定的载荷以一定的载荷( (一般一般一般一般3000kg)3000kg)把一定大小把一定大小把一定大小把一定大小( (直径一般为直径一般为直径一般为直径一般为10mm)10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段的淬硬钢球压入材料表面，保持一段的淬硬钢球压入材料表面，保持一段的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值度值度值度值(HB)(HB)，单位为公斤力，单位为公斤力，单位为公斤力，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)/mm2 (N/mm2)。
2 2 维氏硬度维氏硬度维氏硬度维氏硬度(HV)(HV) 以以以以120kg120kg以内的载荷和顶角为以内的载荷和顶角为以内的载荷和顶角为以内的载荷和顶角为136°136°的金刚的金刚的金刚的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度积除以载荷值，即为维氏硬度积除以载荷值，即为维氏硬度积除以载荷值，即为维氏硬度HVHV值值值值(kgf/mm2)(kgf/mm2) 2024/9/183. 3.洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度(HR)(HR) 当当当当HB>450HB>450或者试样过小时，不能采或者试样过小时，不能采或者试样过小时，不能采或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量它是用一个顶用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量它是用一个顶用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量它是用一个顶用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量它是用一个顶角角角角120°120°的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载的金刚石圆锥体或直径为、的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。
根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来度根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来度根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来度根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示：表示：表示：表示： HRAHRA：是采用：是采用：是采用：是采用60kg60kg载荷和钻石锥压入器求得载荷和钻石锥压入器求得载荷和钻石锥压入器求得载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料的硬度，用于硬度极高的材料的硬度，用于硬度极高的材料的硬度，用于硬度极高的材料( (如硬质合金等如硬质合金等如硬质合金等如硬质合金等) ) HRBHRB：是采用：是采用：是采用：是采用100kg100kg载荷和直径淬硬的钢球，求得的硬度，载荷和直径淬硬的钢球，求得的硬度，载荷和直径淬硬的钢球，求得的硬度，载荷和直径淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料用于硬度较低的材料用于硬度较低的材料用于硬度较低的材料( (如退火钢、铸铁等如退火钢、铸铁等如退火钢、铸铁等如退火钢、铸铁等) ) HRCHRC：是：是：是：是采用采用采用采用150kg150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料度很高的材料度很高的材料度很高的材料( (如淬火钢等如淬火钢等如淬火钢等如淬火钢等) )。
2024/9/18刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高2 2、对加工表面层位错的影响、对加工表面层位错的影响四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响2.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响位错位错位错位错密度密度密度密度：单位体积：单位体积：单位体积：单位体积晶体中所含的位错线晶体中所含的位错线晶体中所含的位错线晶体中所含的位错线的总长度或者是的总长度或者是的总长度或者是的总长度或者是穿过单位截面积的位穿过单位截面积的位穿过单位截面积的位穿过单位截面积的位错线数目错线数目错线数目错线数目 ）））） 2024/9/18刃型位错刃型位错 在在金金属属晶晶体体中中，，由由于于某某种种原原因因，，晶晶体体的的一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分出出现现一一个个多多余余的的半半原原子子面面。
这这个个多多余余的的半半原原子子面面犹犹如如切切入入晶晶体体的的刀刀片片，，刀刀片片的的刃刃口口线线即即为为位位错错线线这这种种线线缺缺陷陷称称刃刃型型位位错错半半原原子子面面在在上上面面的的称称正正刃刃型型位位错错, , 半半原原子子面面在在下下面面的的称称员员刃刃型位错螺型位错螺型位错 晶晶体体右右边边的的上上部部点点相相对对于于下下部部的的距距点点向向后后错错动动一一个个原原子子间间距距，，即即右右边边上上部部相相对对于于下下部部晶晶面面发发生生错错动动若若将将错错动动区区的的原原子子用用线线连连接接起起来来，，则则具具有有螺螺旋旋型型特特征征这这种种线线缺陷称螺型位错缺陷称螺型位错位错线位错线位错线位错线滑移方向滑移方向滑移方向滑移方向位错线位错线位错线位错线滑移方向滑移方向滑移方向滑移方向 2024/9/181 1）刃口半径越小，残留应力越低；）刃口半径越小，残留应力越低；2 2））背背吃吃刀刀量量越越小小，，残残留留应应力力越越小小，，但但当当背背吃吃刀刀量量减减小小到到临临界界值值( (表表2-42-4中中背背吃吃刀刀量量a ap p=1=1））时时，，背背吃吃刀量减小，残留应力增大。
刀量减小，残留应力增大五、切削刃锋锐度对加工表面残留应力的影响五、切削刃锋锐度对加工表面残留应力的影响2.5 2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响响 2024/9/182.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度1 1、实际切削达到的最小切削厚度、实际切削达到的最小切削厚度Ø超超精精密密切切削削实实际际能能达达到到的的最最小小切切削削厚厚度度和和金金刚刚石石刀刀具具的的锋锋锐锐度度、、使使用用的的超超精精密密机机床床的的性性能能状状态态、、切切削削时时的的环环境境条条件件等都直接有关等都直接有关Ø研研究究结结果果表表明明：：使使用用极极锋锋锐锐的的刀刀具具和和机机床床条条件件最最佳佳的的情情况况下下，，金金刚刚石石刀刀具具的的超超精精密密切切削削，，可可以以实实现现切切削削厚厚度度为为纳纳米米（（nmnm）级的连续稳定切削级的连续稳定切削 2024/9/18分分析析：：在在极极限限临临界界点点A的的受受力力变变形形情情况况：：在在A点点处处工工件件受受水水平平力力Ff和和垂垂直直力力Fp作作用用，，此此两两力力可可分分解解为为A点点处处的的法法向向力力FN和和切切向向力力 ，，则则FN力和力和 力可用下式计算力可用下式计算化简后得化简后得 2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度2 2、切削刃钝圆半径、切削刃钝圆半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系 2024/9/18 在实际摩擦力在实际摩擦力 > > 时，被切材料和刀刃刃口圆弧时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切削被切除，即无相对滑移，才能形成切削被切除，即 A点为极限临界点，极限最小切削厚度点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为应为 当刀刃刃口半径当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。
擦系数有关一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度2 2、切削刃钝圆半径、切削刃钝圆半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系( (续）续）2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18 和材料的强度、伸长率、摩擦因素有和材料的强度、伸长率、摩擦因素有和材料的强度、伸长率、摩擦因素有和材料的强度、伸长率、摩擦因素有关，并和关，并和关，并和关，并和A A点位置的高低有关点位置的高低有关点位置的高低有关点位置的高低有关根据经验，根据经验，A点点处的处的 取取0.8-1 ，用金刚石刀具，用金刚石刀具进行超精密切削，根据经验进行超精密切削，根据经验 可取 2024/9/18刀具刀具 被切材料被切材料 最小切削厚度最小切削厚度 W18Cr4V W18Cr4V Q235Q235钢钢0.248 0.248 W18Cr4VW18Cr4V4545钢钢0.2740.274K30K30Q235Q235钢钢0.350 0.350 K30K304545钢钢0.3770.377 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，可实现切削厚度为纳米（超精密切削，可实现切削厚度为纳米（nmnm）级的连续稳定切削。
级的连续稳定切削 要使最小切削厚度要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径为，可估算金刚石刀具刃口半径为3 3～～4nm4nm 用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，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，达到的最小切削厚度值为：度值为：2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题一、超精密切削能达到的最小切削厚度一、超精密切削能达到的最小切削厚度2 2、切削刃钝圆半径、切削刃钝圆半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系( (续）续） 2024/9/181 1））（（100100））晶晶面面的的摩摩擦擦系系数数曲曲线线有有4 4个个波波峰峰和和波波谷谷；；（（110110））晶晶面面有有2 2个个波波峰峰和和波波谷谷；；（（111111））晶晶面面有有3 3个个波峰和波谷；波峰和波谷；2 2））（（100100））晶晶面面的的摩摩擦擦系系数最低；（数最低；（110110）最高；）最高；3 3））（（100100））晶晶面面的的摩摩擦擦系系数数差差别别最最大大；；（（111111））晶晶面最小。
面最小结结论论：：金金刚刚石石晶晶体体的的不不同同晶晶面面、、不不同同方方向向的的摩摩擦擦因因数有明显差别数有明显差别二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响1 1、金刚石晶体的摩擦因数、金刚石晶体的摩擦因数2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18晶晶面面指指数数：：是是晶晶体体的的常常数数之之一一，，是是晶晶体体在在3个个结结晶晶轴轴上上的的截截距距系系数数的的倒倒数数比比，，如如（（100）晶面中的）晶面中的100是晶面指数是晶面指数 2024/9/18实验对比：实验对比：比较切削变形大小要通过观察切屑外形，比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小测量切屑系数和比较剪切角大小1 1号车刀：前、后号车刀：前、后面为（面为（100100）晶面；）晶面；2 2号车刀：前、后面为（号车刀：前、后面为（110110）晶）晶面1 1）通过观察两把刀切下切屑的外形、厚度，切屑上）通过观察两把刀切下切屑的外形、厚度，切屑上滑移线痕迹等，滑移线痕迹等，1 1号车刀切下的切屑变形小于号车刀切下的切屑变形小于2 2号车刀号车刀切下的切屑变形。
切下的切屑变形2 2）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，系数，1 1号车刀切下切屑的变形系数小于号车刀切下切屑的变形系数小于2 2号车刀切下号车刀切下的切屑的变形系数的切屑的变形系数二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响2 2、金刚石刀具晶面不同对切削变形的影响、金刚石刀具晶面不同对切削变形的影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/183 3）剪切角）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削的计算：假设切削过程为直角自由切削式中式中 为变形系数，为变形系数， 为前角从表从表2-52-5中可以看出，中可以看出，1 1号车刀的实际剪切角大于号车刀的实际剪切角大于2 2号号车刀结论结论：用（：用（100100）晶面的）晶面的1 1号车刀切屑时的切屑变形小号车刀切屑时的切屑变形小于用（于用（110110）晶面的）晶面的2 2号车刀二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18ü用（用（100100）晶面的）晶面的1 1号车刀和号车刀和（（110110）晶面的）晶面的2 2号车刀，在相同的号车刀，在相同的切削条件下加工紫铜，改变进给量切削条件下加工紫铜，改变进给量得到的加工表面粗糙度相差不多。
得到的加工表面粗糙度相差不多ü这两把车刀车出的表面都有残余这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（压应力，用（100100）晶面的）晶面的1 1号车刀号车刀切出的表面层残余压应力小于用切出的表面层残余压应力小于用（（110110）晶面的）晶面的2 2号车刀车出的号车刀车出的结论结论：用摩擦系数小的（：用摩擦系数小的（100100）晶）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使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，从而减小加工表工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力面残余应力二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响3 3、金刚石刀具晶面不同对加工表面质量的影响、金刚石刀具晶面不同对加工表面质量的影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18实验对比：实验对比：（（110110））晶面的刀具磨损较晶面的刀具磨损较快，切削相当时间快，切削相当时间后，加工表面的粗后，加工表面的粗糙度已经超过；糙度已经超过；（（100100）晶面的刀具）晶面的刀具磨损较慢，切削较磨损较慢，切削较长时间后，加工表长时间后，加工表面粗糙度仍，面粗糙度仍，结论结论：（：（100100）晶面）晶面的刀具耐用度明显的刀具耐用度明显较高。
较高二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量影响4 4、金刚石刀具晶面不同对刀具磨损的影响、金刚石刀具晶面不同对刀具磨损的影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18•同样晶体材料，切削不同晶面时的切削力明显不同样晶体材料，切削不同晶面时的切削力明显不同，即使在同一晶面上切削，由于切削晶向的变同，即使在同一晶面上切削，由于切削晶向的变化，切削力也有明显的波动，沿（化，切削力也有明显的波动，沿（110110）晶面切削）晶面切削时切削力有两个对称的最大值（见时切削力有两个对称的最大值（见图图2-29 2-29 a a），），沿（沿（100100）晶面切削时切削力有四个对称的最大值）晶面切削时切削力有四个对称的最大值（见图（见图2-29 b2-29 b），沿（），沿（111111）晶面切削时切削力变）晶面切削时切削力变化不明显（见图化不明显（见图2-29 c2-29 c））•结论结论：同样晶体材料，不同晶面切削力不同，同：同样晶体材料，不同晶面切削力不同，同一晶面不同晶向切削力也不一样。
一晶面不同晶向切削力也不一样三、工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量影响三、工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量影响1 1、工件材料的晶体方向对切削力的影响、工件材料的晶体方向对切削力的影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18 2024/9/18•P27P27图图2-302-30，不同晶向加工表面粗糙度不同切削，不同晶向加工表面粗糙度不同切削力小的方向也是表面粗糙度值小的方向力小的方向也是表面粗糙度值小的方向•P27P27图图2-312-31，（，（110110）晶面的切削照片，可明显看）晶面的切削照片，可明显看出，存在明暗不同扇区，对应不同的表面粗糙度出，存在明暗不同扇区，对应不同的表面粗糙度数值三、工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量影响三、工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量影响1 1、工件材料的晶体方向对加工表面粗糙度影响、工件材料的晶体方向对加工表面粗糙度影响2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18Ø切削加工脆性材料表面极易产生裂纹和崩碎凹坑切削加工脆性材料表面极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。
等脆性破坏Ø脆性材料实现超精密加工的关键：脆性材料实现超精密加工的关键：加工表面的材加工表面的材料不是脆性破坏切除，而是实现塑性切除，即加料不是脆性破坏切除，而是实现塑性切除，即加工表面是由塑性切削形成工表面是由塑性切削形成Ø满足脆性材料实现塑性切削，实验研究发现：满足脆性材料实现塑性切削，实验研究发现：•金刚石刀具要锋利，要有合理的切削角，应通过金刚石刀具要锋利，要有合理的切削角，应通过改变切削力作用方向来改变切削区的变形方向，改变切削力作用方向来改变切削区的变形方向，使崩碎的可能性减小；使崩碎的可能性减小；•切削厚度要极小，切削厚度小时材料不易产生崩切削厚度要极小，切削厚度小时材料不易产生崩碎四、脆性材料用超精密切削加工出优质表面四、脆性材料用超精密切削加工出优质表面2.6 2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题 2024/9/18•极极高的硬度高的硬度、极、极高的耐磨性高的耐磨性和极和极高的弹性模量高的弹性模量，保，保证刀具具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度证刀具具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度•切削刃钝圆能磨得极其切削刃钝圆能磨得极其锋锐锋锐，切削刃钝圆半径值极，切削刃钝圆半径值极小，能实现超薄切削厚度。
小，能实现超薄切削厚度•切削刃切削刃无缺陷无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，，切削时刃形将复制在被加工表面上，能得到超光滑的镜面能得到超光滑的镜面•与工件材料的与工件材料的抗粘性好抗粘性好、、化学亲和性小化学亲和性小、、摩擦系数摩擦系数低低，能得到极好的加工表面完整性能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：单晶金刚石不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构和晶体结构一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求 2024/9/18•硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大硬度最高，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：多数为规整的优质天然单晶金刚石：多数为规整的8 8面体或菱形面体或菱形1212面体，少数面体，少数为为6 6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷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。
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人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构和晶体结构 2024/9/18晶胞晶胞晶格模型晶格模型晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式 晶体结构不同，晶体结构不同，其性能往往相差很大为了便于分析研究各种晶体中原子或其性能往往相差很大为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格 三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构1 1、晶体结构、晶体结构2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构和晶体结构（组成晶格的最（组成晶格的最小几何单元）小几何单元） 2024/9/18晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，，b，，c 组成晶格的最小几何单元称为组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸晶胞，晶胞各边的尺寸a a、、b b、、c c称称为晶格常数，晶胞各边之间的相为晶格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以互夹角分别以αα、、ββ、、γγ表示表示 。
根据根据6 6个参数间的相互关系，可个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于将全部空间晶格归属于7 7种类型，种类型，即即7 7个晶系：三斜、单斜、正交、个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；六方、菱方、四方、立方；金刚金刚石属于六方晶系石属于六方晶系2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/18XYZabc晶面晶面：通过原子中心的平面，即：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原晶体中各种方位上的原子面晶轴晶轴：与晶面垂直的轴：与晶面垂直的轴2 2、晶体中的晶面和晶轴、晶体中的晶面和晶轴2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/18晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数: : 晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来许多性晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来许多性能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这种符号叫做种符号叫做“晶面指数晶面指数” 。
确定晶面指数的步骤如下：确定晶面指数的步骤如下： （（1 1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作边作OXOX、、OYOY、、OZOZ三坐标轴，以晶格常数三坐标轴，以晶格常数a a、、b b、、c c分别作为相应的分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距 （（2 2）将所得三截距之值变为倒数将所得三截距之值变为倒数 （（3 3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（即为晶面指数，一般表示为（hklhkl）2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/18晶面指数的例子晶面指数的例子晶面指数的意义：晶面指数的意义：晶面指数所代表的不晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是仅是某一晶面，而是代表着代表着 一组相互平行一组相互平行的晶面在晶体内凡晶面间距在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布和晶面上原子的分布完全相同，只是空间完全相同，只是空间位向不同的晶面可以位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，归并为同一晶面族，以以{h k l}{h k l}表示。
表示2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/18根据晶体学原理，根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（，主要有三个主要的晶面（100100）、）、（（111111）、（）、（110110），与（），与（100100）垂直的晶轴为）垂直的晶轴为4 4次对称轴，与（次对称轴，与（111111）垂直）垂直的晶轴为的晶轴为3 3次对称轴，与（次对称轴，与（100100）垂直的晶轴为）垂直的晶轴为2 2次对称轴次对称轴规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有体和六面体中均有3 3根根4 4次对称轴、次对称轴、4 4根根3 3次对称轴、次对称轴、6 6根根2 2次对称轴次对称轴八面体有八个（八面体有八个（111111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（（110110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100100）晶面围成外表面。
晶面围成外表面3 3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构菱形菱形菱形菱形1212面体面体面体面体 2024/9/18晶面晶面（面网）（面网）（（100100））（（110110））（（111111））面网的最小单元面网的最小单元面积面积原子数原子数4x1/4+1=24x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=44x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=23x1/6+3x1/2=2面网密度（致密度）面网密度（致密度） : :面网单位面积上面网单位面积上的原子数的原子数面网距：晶体面面网距：晶体面网之间的距离网之间的距离D D－金刚石晶体中单位晶胞的棱边长－金刚石晶体中单位晶胞的棱边长4 4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/18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。
时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象111111）面的宽的面间距（）是金刚石晶体中所有晶面间距中的）面的宽的面间距（）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（键就可使其劈开金刚石的解理现象即沿解理面（111111）平整的）平整的劈开两半，且劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关5 5、金刚石晶体的解理现象、金刚石晶体的解理现象2.7 2.7 超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶体结构 2024/9/181) A(100)晶面，磨削率有晶面，磨削率有4个峰值，各个峰值，各相差相差90度高磨削方向的磨削率度高磨削方向的磨削率K为：为：－－5µm3/(N·m·s－－1)；；2) B(110)晶面，晶面，磨削率有磨削率有2个峰值，各个峰值，各相差相差180度高磨削方向的磨削率度高磨削方向的磨削率K为：为：－－5µm3/(N·m·s－－1)；；3) C(111)晶面，磨削率有晶面，磨削率有3个峰值，各个峰值，各相差相差120度。
高磨削方向的磨削率度高磨削方向的磨削率K为：为： 1x10－－5µm3/ /(N·m·s－－1)可见，都在高磨削率方向时，可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面晶面的磨削率最高，最易磨削；的磨削率最高，最易磨削； (100)次之，次之， (111)最低2.8 2.8 金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向向一、金刚石晶体各晶面的耐磨性一、金刚石晶体各晶面的耐磨性 2024/9/18高磨削率方向称为高磨削率方向称为“好磨方向好磨方向”，低磨削率方向称为，低磨削率方向称为“难磨方向难磨方向”2.8 2.8 金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向向二、金刚石晶体各晶面的好磨难磨方向二、金刚石晶体各晶面的好磨难磨方向 2024/9/181)(110)晶面摩擦系数最大，晶面摩擦系数最大， (100) 晶面晶面次之，次之，(111)晶面最小晶面最小2) (100) 晶面有晶面有4个波峰和波谷，个波峰和波谷， (110)晶面有晶面有2个波峰和波谷，个波峰和波谷， (111) 晶面有晶面有3个波峰和波谷个波峰和波谷3)摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数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方向即是磨削率最高的“好磨方向好磨方向”；；摩摩擦系数曲线的波谷方向即是磨削率最低擦系数曲线的波谷方向即是磨削率最低的的“难磨方向难磨方向”4)根据摩擦力的大小可找出所磨晶面的根据摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向好磨方向2.8 2.8 金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向向三、金刚石晶体研磨时摩擦因数的各向异性三、金刚石晶体研磨时摩擦因数的各向异性 2024/9/18•金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理的积累的积累；金刚石晶体的破损机理，主要产生于（；金刚石晶体的破损机理，主要产生于（111111）晶）晶面的解理当垂直于（面的解理当垂直于（111111）面的拉力超过某特定值时，）面的拉力超过某特定值时，两相邻的（两相邻的（111111）面分离，产生解理劈开面分离，产生解理劈开•刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，所以刀刃的刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，所以刀刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。
微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据由图可看出，当作用力相同时，由图可看出，当作用力相同时，（（110110）面破损的机率最大，）面破损的机率最大，（（100100）面破损机率最小面破损机率最小设计金刚石刀具时，应选用微观设计金刚石刀具时，应选用微观强度最高的（强度最高的（100100）作为金刚石）作为金刚石刀具的前面和后面刀具的前面和后面2.9 2.9 单晶金刚石刀具的磨损破损机理单晶金刚石刀具的磨损破损机理 2024/9/18•六六面面体体金金刚刚石石晶晶体体是是正正方方形形，，它它的的六六个个面面和和八八个个角角都都是是相相同同的的，，具具有有对对称称性性六六面面体体的的六六个个外外表表面面及及其其平平行行面面都都是是（（100））晶晶面面六六面面体体的的八八个个角角都都是是由由三三个个相相互互垂垂直直的的（（100））晶晶面面所所组组成成的的六六面面体体中中，，与与每每两两对对棱棱的的中中点点连连线线方方向向垂垂直直的的是是（（110））晶晶面面；；与与两两对应角连线相垂直的是（对应角连线相垂直的是（111）晶面2.10 2.10 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向一、金刚石晶体的人工目测定向一、金刚石晶体的人工目测定向（（（（100100）））） 2024/9/18•八八面面体体八八个个外外表表面面都都是是等等边边三三角角形形，，它它的的八八个个面面和和六六个个角角是是相相同同的的，，具具有有对对称称性性。
八八面面体体的的外外表表面面及及其其平平行行面面都都是是（（111））晶晶面面，，通通过过四四个个对对称称顶顶角角的的面面是是（（100））晶晶面面，，通通过过两两个个对对称称顶顶角角和和两两个个对对称称边边中中点点的面是（的面是（110）晶面见）晶面见p31 图图2-36））•棱棱形形十十二二面面体体的的十十二二个个外外表表面面及及其其平平行行面面呈呈棱棱形形，，是是（（110））晶晶面面，，与与两两个个对对应应三三个个面面交交点点连连线线垂垂直直的的是是（（111））晶晶面面，，与与两两个个对对应应四四个个面面交交点点的的连连线线垂垂直直的的是（是（100）晶面2.10 2.10 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向一、金刚石晶体的人工目测定向一、金刚石晶体的人工目测定向 2024/9/18•当当一一定定波波长长的的X光光束束穿穿透透晶晶体体，，晶晶体体内内振振动动的的电电子子将将在在各各个个方方向向发发出出散散射射光光，，该该散散射射光光在在某某些些方方向向被被反反射射增增强强，，形形成成所所谓谓的的衍衍射射光光束束，，能能在在荧荧光光屏屏上上观观察察到到，，并能使照片底片感光并能使照片底片感光。
•在在满满足足反反射射的的条条件件下下，，只只有有原原子子密密集集的的晶晶面面，，如如（（100））（（111））（（110））晶晶面面反射的反射的X光才能观察到衍射图像光才能观察到衍射图像•将将金金刚刚石石放放在在X光光束束照照射射下下，，改改变变X光光的的入入射射角角度度，，观观察察衍衍射射图图像像的的变变化化当当衍衍射射图图像像中中的的光光点点出出现现4次次、、3次次或或2次次对对称称现现象象时时，，X光光束束已已经经和和金金刚刚石石的的4次次、、3次次或或2次次对对称称轴轴重重合合，，确确定定了了晶晶体体的的4次次、、3次次或或2次次对对称称轴轴的的方方位位，，同同时时也也确确定定了了（（100））（（111））或或（（110））晶晶面面的的空间方位空间方位2.10 2.10 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向二、金刚石晶体的二、金刚石晶体的X射线定向射线定向 2024/9/18•原理原理：利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，：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对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的2.10 2.10 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向三、金刚石晶体的激光定向三、金刚石晶体的激光定向 2024/9/18•金刚石晶体的各晶面有其固定的金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状晶纹和微观凹坑形状（（100正方形；正方形；110狭缝形和长条形；狭缝形和长条形；111三角形），因此各晶面反射激光而形成的衍三角形），因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。
射光像形状也是固定的衍射现象符合菲涅尔衍射；激光定向的优点：衍射现象符合菲涅尔衍射；激光定向的优点：1 1）设备价格便宜；）设备价格便宜；2 2）操作简便，对操作者无害；）操作简便，对操作者无害；3 3）直观；）直观；4 4）定向精度可满足生产需要，低于）定向精度可满足生产需要，低于X X射线晶体定向，但更适宜生产使用射线晶体定向，但更适宜生产使用2.10 2.10 金刚石晶体的定向金刚石晶体的定向三、金刚石晶体的激光定向三、金刚石晶体的激光定向（（100））（（110））（（111））光像叶瓣所指光像叶瓣所指方向是该晶面方向是该晶面的好磨方向的好磨方向P38 图图2-46）） 2024/9/18衡量金刚石刀具的标准：衡量金刚石刀具的标准：•能否加工出高质量的超光滑表面（能否加工出高质量的超光滑表面（RaRa＝～）＝～）•能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）数百千米）设计的主要问题：设计的主要问题：•优选切削部分的几何形状；优选切削部分的几何形状；•前、后面选择最佳晶面；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。
确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造一、金刚石刀具的设计一、金刚石刀具的设计 2024/9/18金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用过渡刃对加工表面起修光作用国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取～取～国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.5~3mm金刚石刀具的主偏角，平时采用金刚石刀具的主偏角，平时采用30-90度，用度，用得较多的是得较多的是45度2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状刀头形式刀头形式 2024/9/182.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状前角后角副偏角主偏角主偏角刃倾角正交平面参考系正交平面参考系 2024/9/181. 基面基面Pr 刃磨测量的定位基准刃磨测量的定位基准 通过切削刃某选定点通过切削刃某选定点х，平行于车刀底面的平面。
或为，平行于车刀底面的平面或为通过切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面通过切削刃某选定点，包含刀具轴线的平面2. 切削平面切削平面PS 通过切削刃某选定点通过切削刃某选定点х，与切削刃相切，且垂直于基，与切削刃相切，且垂直于基面的平面面的平面3. 主剖面主剖面PO（正交平面）（正交平面） 主剖面是通过切削刃某选定点主剖面是通过切削刃某选定点х，同时垂直于基面与，同时垂直于基面与切削平面的平面切削平面的平面 2024/9/18•主主偏偏角角 ：：基基面面中中测测量量的的主主切切削削刃刃与与进进给给运运动方向间夹角动方向间夹角•刃刃倾倾角角 ：：切切削削平平面面中中测测量量的的切切削削刃刃与与基基面面间间夹角•前前角角 ：：主主剖剖面面中中测测量量的的前前刀刀面面与与切切削削平平面面间的夹角间的夹角•后后角角 ：：主主剖剖面面中中测测量量的的后后刀刀面面与与切切削削平平面面间的夹角间的夹角•副副偏偏角角 ：：基基面面中中测测量量的的副副切切削削刃刃与与进进给给运运动方向间夹角动方向间夹角 2024/9/18为为增增加加刀刀刃刃的的强强度度，，采采用用较较大大的的刀刀具具楔楔角角，，故故刀刀具具的前角、后角都取得较小。
的前角、后角都取得较小后角：后角： 多采用多采用加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取前前角角根根据据加加工工材材料料，，切切铝铝、、铜铜合合金金前前角角取取 2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状前角和后角前角和后角 2024/9/182.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状金刚石车刀举例金刚石车刀举例11231：主偏角：主偏角45度度2：前角：前角0度度3：后角：后角5度度4：修光刃：修光刃34 2024/9/18•应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产应考虑因素：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；制造研磨容易变形小，加工表面质量高；制造研磨容易111）不适）不适合作前后面合作前后面。
•推荐采用（推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面）晶面作金刚石刀具的前后面（（我国目前我国目前用（用（110），主要考虑研磨方便，缺乏科学依据），主要考虑研磨方便，缺乏科学依据），理由如），理由如下：下：①①（（100）晶面的耐磨性高于（）晶面的耐磨性高于（110）晶面；）晶面；②②（（100）晶面的微观破损强度高于（）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，）晶面，（（100）晶面受载荷时的破损机率比（）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多；）晶面低很多；③③（（100）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（110））晶面的摩擦系数晶面的摩擦系数2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造2 2、金刚石刀具前、后刀面晶面选择、金刚石刀具前、后刀面晶面选择 2024/9/18•对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小对金刚石车刀，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石直接固定在车刀刀杆上•在小刀头上的固定方法有：在小刀头上的固定方法有：2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造3 3、金刚石刀具的固定方法、金刚石刀具的固定方法üü机械夹固（用压板加压固定在小刀头上，需机械夹固（用压板加压固定在小刀头上，需机械夹固（用压板加压固定在小刀头上，需机械夹固（用压板加压固定在小刀头上，需要较大颗粒的金刚石）要较大颗粒的金刚石）要较大颗粒的金刚石）要较大颗粒的金刚石）üü粉末冶金法固定（把金刚石放在粉末冶金中粉末冶金法固定（把金刚石放在粉末冶金中粉末冶金法固定（把金刚石放在粉末冶金中粉末冶金法固定（把金刚石放在粉末冶金中经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上，可以使用较小颗粒）上，可以使用较小颗粒）上，可以使用较小颗粒）上，可以使用较小颗粒）üü粘结或钎焊固定（金刚石钎焊技术保密）粘结或钎焊固定（金刚石钎焊技术保密）粘结或钎焊固定（金刚石钎焊技术保密）粘结或钎焊固定（金刚石钎焊技术保密）一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚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石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。
杆上 2024/9/182.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造二、金刚石刀具的研磨加工二、金刚石刀具的研磨加工 粗磨粗磨 精研磨精研磨1 1、金刚石刀具的研磨机、金刚石刀具的研磨机1-1-1-1-研磨盘（优质铸铁）；研磨盘（优质铸铁）；研磨盘（优质铸铁）；研磨盘（优质铸铁）；2-2-2-2-带轮带轮带轮带轮研磨时金刚石小刀头装在夹具中，按研磨时金刚石小刀头装在夹具中，按研磨时金刚石小刀头装在夹具中，按研磨时金刚石小刀头装在夹具中，按要求的角度调整好，加一定负载压在要求的角度调整好，加一定负载压在要求的角度调整好，加一定负载压在要求的角度调整好，加一定负载压在研磨盘上，再加金刚石微粉对金刚石研磨盘上，再加金刚石微粉对金刚石研磨盘上，再加金刚石微粉对金刚石研磨盘上，再加金刚石微粉对金刚石进行研磨加工进行研磨加工进行研磨加工进行研磨加工研磨盘的表面要定期修整，除去研磨研磨盘的表面要定期修整，除去研磨研磨盘的表面要定期修整，除去研磨研磨盘的表面要定期修整，除去研磨盘表面留下的划痕盘表面留下的划痕盘表面留下的划痕盘表面留下的划痕 2024/9/18 粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金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。
刚石微粉的粒度有关 找到所磨晶面的好磨方向找到所磨晶面的好磨方向 线速度高线速度高 加大研磨压力（加大研磨压力（9～～12N）） 研磨效率高研磨效率高 粗粒度的微粉（初期）粗粒度的微粉（初期） 细粒度的微粉（后期）细粒度的微粉（后期）2.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造二、金刚石刀具的研磨加工二、金刚石刀具的研磨加工2 2、粗研：去除余量、粗研：去除余量 2024/9/182.11 2.11 金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造二、金刚石刀具的研磨加工二、金刚石刀具的研磨加工3 3、精研、精研•提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐;•磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小;•研磨盘质量越好，研磨效果越好研磨盘质量越好，研磨效果越好;•研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨向研磨;（逆磨时刀具承受压应力，不易产生崩刃）（逆磨时刀具承受压应力，不易产生崩刃）•精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。
运动，除去磨痕 2024/9/181 超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响2 超精密切削时积屑瘤对切削力和表面粗糙度的影超精密切削时积屑瘤对切削力和表面粗糙度的影响3 超精密切削时，金刚石刀具切削刃锋锐度对切削超精密切削时，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变形和加工表面质量的影响4 超精密切削对刀具有哪些要求？为什么金刚石是超精密切削对刀具有哪些要求？为什么金刚石是公认理想的刀具材料？公认理想的刀具材料？5 如何根据金刚石微观破损强度来选择金刚石刀具如何根据金刚石微观破损强度来选择金刚石刀具的优缺点？的优缺点？课后思考题课后思考题 2024/9/18 2024/9/18透射电镜透射电镜 透透射射电电镜镜是是以以电电子子束束透透过过样样品品经经过过聚聚焦焦与与放放大大后后所所产产生生的的物物像像，， 投投射射到到荧荧光光屏屏上上或或照照相相底底片片上上进进行行观观察察透透射射电电镜镜的的分分辨辨率率为为～～，，放放大大倍倍数数为为几几万万～～几几十十万万倍倍由由于于电电子子易易散散射射或或被被物物体体吸吸收收，，故故穿穿透透力力低低，，必必须须制制备备更更薄薄的的超超薄薄切切片片（（通通常常为为5050～～100nm100nm））。
其其制制备备过过程程与与石石蜡蜡切切片片相相似似，，但但要要求求极极严严格格要要在在机机体体死死亡亡后后的的数数分分钟钟钓钓取取材材，，组组织织块块要要小小(1(1立立方方毫毫米米以以内内）），，常常用用戊戊二二醛醛和和饿饿酸酸进进行行双双重重固固定定树树脂脂包包埋埋, ,用用特特制制的的超超薄薄切切片片机机切切成成超超薄薄切切片片，，再再经经醋醋酸酸铀铀和和柠柠檬檬酸酸铅铅等等进进行行电电子子染染色色电电子子束束投投射射到到样样品品时时，，可可随随组组织织构构成成成成分分的的密密度度不不同同而而发发生生相相应应的的电电子子发发射射，，如如电电子子束束投投射射到到质质量量大大的的结结构构时时，，电电子子被被散散射射的的多多，，因因此此投投射射到到荧荧光光屏屏上上的的电电子子少少而而呈呈暗暗像像，，电电子子照照片片上上则则呈呈黑黑色色称称电电子子密密度度高高（（electron electron densedense））反反之之 ，， 则则 称称 为为 电电 子子 密密 度度 低低 （（ electron electron lucentlucent）。
