第二章 超精密切削与金刚石刀具.ppt

精密和超精密加工技术,华南理工大学 陈松茂 讲师,第二章 超精密切削与金刚石刀具,本章主要提要,2,传统切削加工,3,超精密切削加工,4,超精密切削加工,5,超精密切削加工,6,超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Ra0.02～0.005µm，加工精度<0.01µm)用于加工：导弹陀螺仪、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、菲尼尔透镜等超精密切削也是金属切削的一种，服从金属切削的普遍规律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件加工7,2.1 超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度,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1000～2000m/min，而刀具的磨损甚小。

金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约 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这时工件的表面粗糙度是最小的，加工质量最高8,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单晶金刚石刀具破损或磨损不能继续使用的标志：加工表面粗糙度超过规定值寿命以其切削路程的长度计算9,图2-2：金刚石刀具磨损区概貌 图2-3：图a是刀刃磨损的正常情况，图b是剧烈磨损情况，可以看到磨损后成层状，即刀具磨损为层状微小剥落 图2-4：图中所示沿切削速度方向出现磨损沟槽，由于金刚石和铁、镍的化学和物理亲和性而产生的腐蚀沟槽 图2-5：金刚石切削时，若有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃10,积屑瘤——指在加工中碳钢时，在刀尖处出现的小块且硬度较高的金属粘附物 优点：积屑瘤的硬度比原材料的硬度要高，可代替刀刃进行切削，提高了刀刃的耐磨性；同时积屑瘤的存在使得刀具的实际前角变大，刀具变得较锋利 缺点：积屑瘤的存在，在实际上是一个形成、脱落、再形成、再脱落的过程。

（1）部分脱落的积屑瘤会粘附在工件表面上， （2）而刀具刀尖的实际位置也会随着积屑瘤的变化而改变， （3）同时，由于积屑瘤很难形成较锋利的刀刃，在加工中会产生一定的振动所以这样加工后所得到的工件表面质量和尺寸精度都会受到影响2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律,11,主运动：切除工件上的切削层，使之成为切屑，形成工件新表面的运动 进给运动：使切削层不断投入切削的运动 切削用量三要素：切削速度、进给量、吃刀量（背吃刀量、侧吃刀量、进给吃刀量） （1）切削速度v：切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度 （2）进给量f：刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量 （3）背吃刀量（切削深度）ap：垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度车削相关名词术语：,12,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，高度变化不大微观缺陷也会导致积屑瘤高度增长1、切削速度的影响,一、切削参数对积屑瘤生成的影响,,>314m/min,硬铝2A12,13,由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f＝5μm/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 25μm后， h0值将随着背吃刀量的增加而增加2、进给量f和背吃刀量 的影响,,,14,超精密切削时切削力随切削速度变化规律与积屑瘤高度随切削速度变化规律是一致的即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1、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,15,1）积屑瘤前端R大约2～3μm，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）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加 hD-hDu，切削力增加切削模型分析,16,图2-12显示：积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小这与图2-7切削速度与积屑瘤高度变化规律是一致的并且可以看出，使用切削液可减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度2、对加工表面粗糙度的影响,17,由图2-12知，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 图2-13说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面—镜面 结论：在常用超精密切削速度范围内，切削速度对加工表面粗糙度基本无影响2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响,一、切削速度的影响,18,在进给量f<5μm/r时，均达到Rmax<0.05μm的加工表面粗糙度。

二、进给量的影响,表 2-2中表明：带有修光刃的刀具，当f<0.02mm/r时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大19,修光刃长度常取0.05～0.20mm修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大 修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致圆弧刃半径一般取R=2～5mm三、修光刃的影响,20,在刀具刃口半径足够小时（rn<0.05~0.1μm），在超精密切削范围内，背吃刀量变化（ap=5~0.5μm）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四、背吃刀量的影响,21,刃口锋锐度对加工表面有一 定的影响，相同条件下（背 吃刀量、进给量），更锋锐 的刀具切出的表面粗糙度更 小；速度的影响不是很大2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响,一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响,刃口半径为0.6μm、0.3μm,22,锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀刀刃锋锐度不同，切削力明显不同刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大背吃刀量很小时，切削力显著增大因为背吃刀量很小时，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，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。

所以在背吃刀量很小的精切时，应采用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响,23,1、对加工表面冷硬的影响,三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响,LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV使用rn＝0.3μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用rn ＝0.6μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为205HV1）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；2）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小24,因此：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、对加工表面组织位错的影响,加工表面层组织的位错密度是加工表面的质量和工作性能的重要标志，取决于加工时的切削变形和后面摩擦切削变形大时，表面层的位错密度大，反之亦然25,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，残留应力增大四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响,超精密切削加工表面层的残留应力也是表面质量的重要标志，不仅影响材料的疲劳强度和耐磨性，而且影响加工零件的长期尺寸稳定性26,分析：在极限临界点A的受力变形情况：在A点处工件受水平和垂直力作用，此两力可分解为A点处的法向力N和切向力 ，则N力和 力可用下式计算:化简后得,,2.5 超精密切削时的最小切削厚度,一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系,,,,,,目前世界能达到的最小切削厚度：1nm。

27,,,,在实际摩擦力 > 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,,,,A点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为,,当刀刃刃口半径 （ ）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28,,,,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 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（nm）级的连续稳定切削 要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径为3～4nm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：,,,,,29,（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； 比较波谷，（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2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响,一、金刚石晶体的摩擦系数,金刚石晶体具有强烈各向异性，不同晶面和方向摩擦因数具有明显差别。

μ=0.06~0.13,30,1号车刀：前、后面为（100）晶面； 2号车刀：前、后面为（110）晶面 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 （一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形 （二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数 （三）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削式中 为变形系数， 为前角 从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀， 即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110） 晶面的2号车刀二、晶面不同对切削变形的影响,31,用（100）晶面的1号车刀和（110）晶面的2号车刀，在相同的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这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的所以用摩擦系数小的（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。

三、晶面不同对加工表面质量的影响,32,通过对比实验，（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四、晶面不同对刀具磨损的影响,33,工件材料分为：单晶和多晶材料，各向异性不同 工件材料晶体方向对切削力的影响：沿（110）晶面切削有两个对称的最大值切削力；沿（100）晶面切削有四个对称的最大值切削力；沿（111）晶面切削时切削力变化不明显 工件材料晶体方向对表面粗糙度的影响：车削（110）晶面，由于晶面方向变化，加工表面粗糙度有明显不同，车削力小的方向也是表面粗糙度值小的方向；车削（111）晶面时不同方向加工表面粗糙度变化不明显五、工件材料晶体方向对切削变形和加工表面质量的影响,34,脆性材料：光学玻璃、单晶硅、单晶锗、铌酸锂、功能陶瓷等 脆性材料要实现超精密切削的关键，是加工表层的材料不是脆性破碎切除，而是实现塑性切除 要实现塑性切削的条件： （1）足够的锋锐度和合理的切削角度； （2）极小的切削厚度,六、脆性材料用超精密切削加工出优质表面,35,2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构,。