第1章_精密切削加工

精密與特種加工,第1章精密切削加工,1.1概述1.2精密切削加工機理1.3精密切削加工機床及應(yīng)用1.4超精密切削加工簡介,第1章精密切削加工,1.1概述Introduction,1.1.1概念,精密加工是指加工精度和表面質(zhì)量達到極高程度的加工工藝。不同的發(fā)展時期，其技術(shù)指標有所不同。目前，在工業(yè)發(fā)達國家中，一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度是1m，與之相對應(yīng)，將加工精度為0.011m，加工表面粗糙度Ra在0.020.1m范圍內(nèi)的加工方法稱為精密加工。,1983年,日本田口教授經(jīng)大量考察精密與特種加工廠后,對當(dāng)代多種加工方法所能達到的精度及其發(fā)展趨勢有個預(yù)測本(下頁)圖分兩個層面來看:各種加工方法的極限;發(fā)展趨勢.,1.1.1概念,多種加工方法所能達到的精度及具發(fā)展趨勢預(yù)測見圖。,1.1.1概念,英國Rolls-Royce公司的資料表明，將飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60m提高到12m，加工表面粗糙度由Ra0.5m減少到Ra0.2m，則發(fā)動機的壓縮效率將從89提高到94。,1.1.1概念,機械工業(yè)提高零件加工精度的主要原因,提高零件的加工精度，可提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。,20世紀80年代初，前蘇聯(lián)從日本引進了四臺精密數(shù)控銑床，用于加工螺旋槳曲面，使其潛艇的水下航行噪聲大幅度下降，即使使用精密的聲納探測裝置也很難發(fā)現(xiàn)潛艇的行蹤。,1.1.1概念,傳動齒輪的齒形及齒距誤差直接影響了其傳遞扭矩的能力。若將該誤差從目前的36m降低到1m，則齒輪箱單位重量所能傳遞的扭矩將提高近一倍，從而可使目前的齒輪箱尺寸大大縮小。BM公司開發(fā)的磁盤，其記憶密度由1957年的300bit/cm2提高到1982年的254萬bit/cm2，提高了近l萬倍，這在很大程度上應(yīng)歸功于磁盤基片加工精度的提高和表面粗糙度的減小。,1.1.1概念,提高零件的加工精度可促進產(chǎn)品的小型化。,自動化裝配是提高裝配生產(chǎn)率和裝配質(zhì)量的重要手段。自動化裝配的前提是零件必須完全互換，這就要求嚴格控制零件的加工公差，從而導(dǎo)致零件的加工精度要求極高，精密加工使之成為可能。,1.1.1概念,提高零件的加工精度可增強零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，促進自動化裝配應(yīng)用，推進自動化生產(chǎn)。,1.1.1概念,精密加工技術(shù)是綜合性的技術(shù)。,實現(xiàn)精密加工的條件：精密的機床工具設(shè)備和刀具；超精密加工的機理與工藝方法；精密測量及誤差補償技術(shù)；超精密加工中的工件材料；穩(wěn)定的環(huán)境條件。,1.1.1概念,精密加工機床,精密加工機床是實現(xiàn)精密加工的首要條件。主要研究方向是提高機床主軸的回轉(zhuǎn)精度，工作臺的直線運動精度以及刀具的微量進給精度。,采用超精密級的滾動軸承。采用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承。其靜、動態(tài)性能更加優(yōu)異。,精密機床主軸要求具有很高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，無振動，其關(guān)鍵在于主軸軸承。,1.1.1概念,工作臺的直線運動精度是由導(dǎo)軌決定的。,精密機床使用的導(dǎo)軌有：,普通車床精度0.015-0.002mm,彈性變形式和電致伸縮式微量進給機構(gòu)比較適用，尤其是電致伸縮微量進給裝置，可以進行自動化控制，有較好的動態(tài)特性，在精密機床進給系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。,1.1.1概念,為了提高刀具的進給精度，必須使用微量進給裝置,(1)金剛石晶體的晶面選擇，這對刀具的使用性能有重要的影響；(2)金剛石刀具刃口的鋒利性，即刀具刃口的圓弧半徑，它直接影響到切削加工的最小切削深度，影響到微量切除能力和加工質(zhì)量。,1.1.1概念,金剛石刀具,金剛石刀具是精密切削加工的重要手段,金剛石刀具有兩個重要的問題要解決：,先進國家刃磨金剛石刀具的刃口半徑可以小到數(shù)納米的水平。我國目前刃磨的金剛石刀具的刃口半徑只能達到0.10.3m。當(dāng)刃口半徑小于0.0lm時，必須解決測量上的難題。,1.1.1概念,金剛石刀具,精密切削是微量切削，微量切削過程中許多機理方面的問題都有其特殊性，如積屑瘤的形成，鱗刺的產(chǎn)生，切削參數(shù)及加工條件對切削過程的影響，以及它們對加工精度和表面質(zhì)量的影響，都與常規(guī)切削有很大的不同。,1.1.1概念,精密切削機理,精密切削加工必須能夠均勻地切除極薄的金屬層，微量切除是精密加工的重要特征之一。,1.1.1概念,穩(wěn)定的加工環(huán)境,精密加工必須在穩(wěn)定的加工環(huán)境下進行，主要包括恒溫恒濕、防振和空氣凈化三個方面的條件。,(1)恒溫恒濕.精密加工必須在嚴格的多層恒溫條件下進行，即不僅工作間應(yīng)保持恒溫，還必須對機床本身采取特殊的恒溫措施，使加工區(qū)的溫度變化極小。,(2)防振.為了提高精密加工系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，除在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造上采取各種減振措施外，還必須用隔振系統(tǒng)來消除外界振動的影響。(3)空氣凈化.由于精密加工的加工精度和表面粗糙度要求極高，空氣中的塵埃將直接影響加工零件的精度和表面粗糙度，因此必須對加工環(huán)境的空氣進行凈化，對大于某一尺寸的塵埃進行過濾。國外已研制成功了對0.1m的塵埃有99凈化效率的高效過濾器。,1.1.1概念,當(dāng)加工精度高于一定程度后，若仍然采用提高機床的制造精度，保證加工環(huán)境的穩(wěn)定性等誤差預(yù)防措施提高加工精度，這將會使所花費的成本大幅度增加。這時應(yīng)采取另一種所謂的誤差補償措施，即是通過消除或抵消誤差本身的影響，達到提高加工精度的目的。,1.1.1概念,誤差補償,測量分:在線、在位和離線三種方式.精密加工技術(shù)離不開精密測量技術(shù)，精密加工要求測量精度比加工精度高一個數(shù)量級。目前，精密加工中所使用的測量儀器多以非接觸式:干涉法和高靈敏度電動測微技術(shù)為基礎(chǔ)。如激光干涉儀，多次光波干涉顯微鏡及重復(fù)反射干涉儀等。,1.1.1概念,精密測量技術(shù),國外廣泛發(fā)展非接觸式測量方法并研究原子級精度的測量技術(shù)。Johaness公司生產(chǎn)的多次光波干涉顯微鏡的分辨率為0.5nm，最近出現(xiàn)的隧道掃描顯微鏡的分辨率為0.0lnm，是目前世界上精度最高的測量儀之一。最新的研究證實，在掃描隧道顯微鏡下可移動原子，實現(xiàn)精密工程的最終目標-原子級精密加工。,1.1.1概念,1.1.1概念,隧道掃描顯微鏡：,掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。,隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。,1.1.1概念,根據(jù)加工表面及加工刀具的特點，精密切削加工可分為四類，見下表。,1.1.2精密切削加工分類,1.1.2精密切削加工分類,金剛石車削,應(yīng)用天然單晶金剛石車刀對鋁、銅和其它軟金屬及其合金進行切削加工，可以得到極高的加工精度和極低的表面粗糙度，從而產(chǎn)生了金剛石精密車削加工方法。,它們分別用于加工平面、型面和內(nèi)孔，也可以得到極高的加工精度和表面質(zhì)量。金剛石刀具精密切削是當(dāng)前加工軟金屬材料最主要的精密加工方法。除金剛石刀具材料外，還發(fā)展了立方氮化硼、復(fù)方氮化硅和復(fù)合陶瓷等新型超硬刀具材料，它們主要用于黑色金屬的精密加工。,1.1.2精密切削加工分類,由于精密加工機床價格昂貴，加工環(huán)境條件要求極高，因此精密加工總是與高加工成本聯(lián)系在起。在過去相當(dāng)長的一段時期，這種觀點限制了精密加工的應(yīng)用范圍，它主要應(yīng)用于軍事、航宇航天等部門。,1.1.3精密加工與經(jīng)濟性,近十幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，精密加工的產(chǎn)品已進入了國民經(jīng)濟和人民生活的各個領(lǐng)域，其生產(chǎn)方式也從過去的單件小批量生產(chǎn)走向大批量生產(chǎn)。在機械制造行業(yè)，精密加工機床不再是僅用于后方車間加工工具、卡具和量具，工業(yè)發(fā)達國家已將精密加工機床直接用于產(chǎn)品零件的精密加工，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。,1.1.3精密加工與經(jīng)濟性,加工一塊直徑為l00mm的離軸拋物面反射鏡，用金剛石精密車削工藝成本只有用研磨-拋光-手工修琢的傳統(tǒng)工藝的成本的十幾分之一，而且精度更高，加工周期由12個月縮短為3周。我國精密加上技術(shù)較落后，當(dāng)前某些精密產(chǎn)品尚靠進口，還有些精密產(chǎn)品靠老工人手藝制造，因而廢品率極高。我國現(xiàn)在生產(chǎn)的某種高精度慣性儀表，從十幾臺甚至幾十臺中才挑選出一臺合格品，磁盤生產(chǎn)質(zhì)量尚未完全過關(guān)，激光打印機的多面棱鏡尚不能生產(chǎn)。,1.1.3精密加工與經(jīng)濟性,第1章精密切削加工,1.2精密切削加工機理,金屬切削過程，就其本質(zhì)而言，是材料在刀具的作用下，產(chǎn)生剪切斷裂、摩擦擠壓和晶格滑移變形的過程。在精密切削中，采用的是微量切削方法,影響因素就不同。,以回轉(zhuǎn)刀具的切削情況為例，分析在過渡切削過程中刀具切削刃與工件表面的接觸情況及工件材料的變形情況。,1.2.1切削變形和切削力,切削變形,過渡切削,1.2.1切削變形和切削力,如圖所示為單刃回轉(zhuǎn)刀具銑削平面的切削過程。為了反映整個工藝系統(tǒng)的彈性特性，假設(shè)刀具支持在具有一定彈性模數(shù)的支承上。圖(b)為切削剖面的情況，從刀具切削刃和工件接觸開始，刀具在工件上滑動一定的距離，工件表面僅產(chǎn)生彈性變形，在切削刃移開之后，工件表面仍能恢復(fù)到原來的狀態(tài)。切削刃在工件表面上的這種滑動稱為彈性滑動。,1.2.1切削變形和切削力,經(jīng)歷了了彈性、塑性和切削三個過程.,隨著刀具的繼續(xù)回轉(zhuǎn)，刀刃上的切削深度不斷增大，在工件表面上開始產(chǎn)生塑性變形，在此塑性變形區(qū)內(nèi)，切削刃在工件表面滑過之后，工件表面被刻劃出溝痕，但此時并沒有真正切除材料。切削刃在工件表面上的這種滑動稱為塑性滑動。,1.2.1切削變形和切削力,在塑性滑動之后，隨著刀具切入深度的增加，前刀面上產(chǎn)生了切屑，開始了切削過程。由于工件表面上產(chǎn)生了彈塑性變形，所以切削刃的運動軌跡與被加工表面上形成的輪廓線不重合。,1.2.1切削變形和切削力,改變刀具的切入角g可以依次改變刀具與工件的最大干涉深度，得到如圖1.2(a)的曲線。當(dāng)切削刃的最大干涉深度很小時，即切入角g很小時便是圖1.2(a)中的（1）狀態(tài)。此時，刀具僅在工件表面滑過，工件表面沒有刀具切入的痕跡，在刀具和被加工表面的全部接觸長度上處于彈性變形區(qū)域。,1.2.1切削變形和切削力,當(dāng)?shù)毒吲c工件的最大干涉深度達到一定的數(shù)值時，形成如圖1.2(a)中的(2)的切削狀態(tài)。在切削開始的一段長度內(nèi)為彈性滑動區(qū)域，然后進入塑性變形區(qū)，在刀刃滑動過去后，在塑性變形區(qū)域內(nèi)將留下溝痕，但并不產(chǎn)生切屑。,1.2.1切削變形和切削力,繼續(xù)增大刀具與工件的最大干涉深度，便形成圖（a）中的(3)的切削狀態(tài)。在切削刃和工件表面的接觸初期為彈性滑動區(qū)域，隨著切削深度的增大，之后為塑性滑動區(qū)域，再之后為切削區(qū)域，在工件表面上有塑性變形和除去切屑所形成的溝槽。隨著切入深度的減小，之后又過渡到塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。必須指出，在塑性滑動區(qū)域內(nèi)也存在彈性變形區(qū)，而在切削區(qū)域內(nèi)則既存在切屑去除區(qū)，也存在塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)。,1.2.1切削變形和切削力,零件的最終工序的最小切入深度應(yīng)等于或小于零件的加工精度(允許的加工誤差)。因此，一種加工方法的最小切入深度反映了它的精加工能力。根據(jù)過渡切削過程的分析可知，當(dāng)切入深度太小時，切削刃對工作表面的作用只是彈性滑動或塑性滑動，并沒有產(chǎn)生切屑，因此最小切入深度要受到一些因素的限制。,1.2.1切削變形和切削力,最小切入深度,以車削過程為例進行切入深度的分析。車削過程能夠成立，主要應(yīng)滿足下列條件：,1.2.1切削變形和切削力,切削過程應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的、穩(wěn)定的；應(yīng)當(dāng)保持有較高的加工精度和表面質(zhì)量；刀具應(yīng)有較長的使用壽命。,在精密切削中，采用的是微量切削方法，切入深度較小，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圓弧承擔(dān)。,1.2.1切削變形和切削力,1.2.1切削變形和切削力,如圖所示，分析正交切削條件下，切削刃口圓弧處任一質(zhì)點i的受力。質(zhì)點i僅有兩個方向的切削力，即垂直力pyi和水平力pzi。水平力pzi使被切削材料質(zhì)點向前移動，經(jīng)過擠壓形成切屑，而垂直力pyi將被切削材料壓向被切削零件本體，不能構(gòu)成切屑形成條件。,1.2.1切削變形和切削力,最終能否形成切屑，取決于作用在此質(zhì)點上的切削力pyi和pzi的比值。,根據(jù)材料的最大剪切應(yīng)力理論可知，最大剪切應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在與切削合力pi成45角的方向上。若pyi=pzi，則作用在材料質(zhì)點i上的最大剪應(yīng)力與切削運動方向一致，該質(zhì)點i處材料被刀具推向前方，形成切屑，而質(zhì)點i處位置以下的材料不能形成切屑，只產(chǎn)生彈性、塑性變形。,1.2.1切削變形和切削力,故：當(dāng)pzipyi時，材料質(zhì)點被推向切屑運動方向，形成切屑；當(dāng)pziFZ，這是精密切削時切削力變化的特殊規(guī)律。,1.2.1切削變形和切削力,進給量,用天然金剛石車刀進行精密切削試驗，其試驗結(jié)果見下表。,結(jié)論：用天然金剛石車刀進行精密切削時，F(xiàn)ZFY。,1.2.1切削變形和切削力,切削深度對切削力影響的試驗結(jié)果見下表。,結(jié)論：使用硬質(zhì)合金車刀時，切削深度對切削力有明顯的影響，且對FZ的影響大于對FY的影響。切削深度小于一定值時，則FYFZ。,1.2.1切削變形和切削力,切削深度,結(jié)論：使用天然金剛石車刀時，F(xiàn)Z仍然大于FY。,1.2.1切削變形和切削力,1.2.1切削變形和切削力,原因：切削用量直接影響主切削力FZ的大小。當(dāng)切削用量減小時，F(xiàn)Z隨之減小。切削刃口半徑的大小決定后刀面上正壓力大小，直接影響著徑向切削力（垂直軸向）FY的大小。由于切削刃口半徑是一固定值，所以當(dāng)切削用量減小到一定值之后，F(xiàn)Y才能大于FZ。但是由于天然金剛石車刀可以磨得很鋒利，切削刃口半徑可以比硬質(zhì)合金的小許多倍，因此由刃口圓弧部分產(chǎn)生的擠壓小，后刀面上的正壓力小，從而FY小，雖然是微量切削，F(xiàn)Z仍然大于FY。,對比：,1.2.1切削變形和切削力,1.2.1切削變形和切削力,刀具材料,天然金剛石對金屬的摩擦系數(shù)比其它刀具材料要小得多，而且天然金剛石能刃磨出極小的刃口半徑，所以在精密切削時，采用天然金剛石刀具所產(chǎn)生的切削力要比其它材料刀具小。,其它,刀具幾何角度、切削液等對切削力的影響同一般切削相似。,1.2.1切削變形和切削力,變形所消耗的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岚▋刹糠郑簭椥宰冃嗡牡墓退苄宰冃嗡牡墓Α?1.2.2切削熱和切削液,切削熱,切削熱的來源,切削熱來自三個切削變形區(qū)的金屬彈性變形、塑性變形和摩擦。,摩擦所消耗的功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岚▋刹糠郑呵暗睹媾c切屑摩擦所產(chǎn)生的熱和后刀面與工件已加工表面摩擦所產(chǎn)生的熱。,切削溫度:一般是指切屑、工件和刀具接觸表面上的平均溫度。,1.2.2切削熱和切削液,切削溫度,刀具刀尖附近的溫度最高，對切削過程的影響最大。切削溫度的高低決定于切削時切削熱產(chǎn)生的多少和散熱條件。,切削時大量的切削熱是由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)傳導(dǎo)的。一般地，切屑傳出的熱量最多，其余依次為刀具、工件及周圍介質(zhì)。精密切削時，當(dāng)切削單位從數(shù)微米縮小到小于1m時，刀具的刀尖部分會受到很大的應(yīng)力作用，在單位面積上會產(chǎn)生很大的熱量，使刀尖局部區(qū)域產(chǎn)生極高的溫度。,1.2.2切削熱和切削液,1.2.2切削熱和切削液,金屬材料是由數(shù)微米到數(shù)百微米的微細晶粒組成，在晶粒內(nèi)部，一般情況下大約1m左右的間隔內(nèi)就有一個位錯缺陷。當(dāng)切削單位較大時，在切削力作用下，工件材料不是整個晶體的滑移面上的原子一起產(chǎn)生位移，而是通過位錯運動形成滑移（塑性變形），所以實際剪切強度遠遠小于理論剪切強度，刀具刀尖部分受到的平均應(yīng)力并不很大。,原因：,1.2.2切削熱和切削液,當(dāng)切削單位小于位錯缺陷平均間隔1m時，在這狹窄區(qū)域內(nèi)是不會發(fā)生由于位錯線移動而產(chǎn)生的材料滑移變形的，因此也就使其剪切強度接近理論剪切強度，這時，刀具刀尖部分受到的平均應(yīng)力將很大，使刀尖局部區(qū)域產(chǎn)生極高的溫度。,措施：采用耐熱性高、耐磨性強，有較好的高溫硬度和高溫強度的刀具材料。,在精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總誤差的4070。因此，在精密加工中必須嚴格控制工件的溫升和環(huán)境溫度的變化，否則無法達到精密加工所要求的高精度。切削熱對精密加工影響很大.例如精密加工l00mm長的鋁合金零件，溫度每變化1，將產(chǎn)生2.25m的誤差。若要求確保0.1m的加工精度，則工件及環(huán)境溫度變化就必須控制在0.05的范圍內(nèi)。,1.2.2切削熱和切削液,切削熱的影響及控制,切削液的澆注方式：采用澆注加淋浴式，若將大量的200.5的切削液噴射到工件上，使整個工件被包圍在恒溫油內(nèi)，工件溫度便可控制在200.5的范圍內(nèi)。,1.2.2切削熱和切削液,減小切削熱對精密加工影響的主要措施：,采用切削液澆注工件的方法。,1.2.2切削熱和切削液,切削液的冷卻方式：通過在切削液箱內(nèi)設(shè)置螺旋形銅管，管內(nèi)通以自來水，使切削液冷卻，通過控制水的流量來達到控制切削液溫度的目的。必要時還可以在冷卻水箱中放入冰塊，通過冰水混合液能可靠地把切削溫度控制在所要求的范圍內(nèi)。,優(yōu)化刀具幾何角度，切削用量可減小切削熱。,右圖的曲線是在SI-125精密車床上用金剛石刀具切削鋁合金時，干切削與使用切削液的切削對比。從圖中可知，干切削后的粗糙度比用切削液時的差11.5個小級，甚至一個大級。,1.2.2切削熱和切削液,切削液,切削液對精密加工的影響,試驗結(jié)論：我國,30的豆油加70混合油效果最好。20的氯化石蠟加1的二烷基二硫化磷酸鋅和79的混合油的效果同它接近。20氯化石蠟加80的混合油效果次之。而混合油的效果最差。,1.2.2切削熱和切削液,切削液通過滲透到接觸面上，濕潤刀具表面，并牢固地附著在刀具表面上形成一層潤滑膜，達到減少刀具與工件材料之間摩擦的效果。表面吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附。試驗結(jié)果表明，由混合油分子形成一層物理吸附薄膜的效果最差。由氯化物形成的化學(xué)膜效果較好。由氯化物、硫化物形成的化學(xué)膜效果更好。加入少量豆油而形成的物理厚膜效果最好，能獲得最小的表面粗糙度。,1.2.2切削熱和切削液,切削液的作用機理,一般情況下，化學(xué)膜比物理吸附膜能耐更高的溫度及應(yīng)力。按理說，潤滑效果更好，能獲得更小的表面粗糙度，但是形成的化學(xué)膜是硫及氯同刀具表面的化學(xué)成分形成硫化物或氯化物，這些化合物在切削過程中會脫落，影響刀具表面的粗糙度，從而影響到工件表面的粗糙度。物理吸附厚膜即使脫落也不會影響刀具表面的粗糙度。,1.2.2切削熱和切削液,結(jié)論：物理吸附厚膜比化學(xué)吸附膜效果好，能獲得更小的表面粗糙度。,1.2.2切削熱和切削液,(1)抑制積屑瘤的生成。精密切削中，積屑瘤會嚴重影響加工表面粗糙度，因此使用切削液減小乃至消除積屑瘤對提高精密切削的加工表面質(zhì)量具有很好的效果。(2)降低加工區(qū)域溫度，穩(wěn)定加工精度。(3)減少切削力。切削液可使刀具與切屑及工件加工表面之間的摩擦減少，從而使切削力減少。(4)減小刀具磨損，提高刀具耐用度。,1.2.2切削熱和切削液,其它切削液,縫紉機用的礦物油、煤油和橄欖油、酒精等。,精密切削中，使用切削液有如下作用：,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,在精密切削中廣泛應(yīng)用金剛石作為刀具材料。,金剛石刀具的磨損形式,刀具磨損形式有：,金剛石刀具的磨損形式為：,粘結(jié)磨損工件或切削表面與刀具表面的粘結(jié)點，由于切削運動將刀面上的微粒帶走，從而造成刀具磨損。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,機械磨損由于機械摩擦所造成的磨損。,相變磨損當(dāng)切削溫度大于等于刀具材料的相變溫度時，使金相組織發(fā)生變化，刀具表面的馬氏體組織將轉(zhuǎn)化為托氏體或索氏體組織，這種使硬度降低而造成的磨損,擴散磨損工件在加工過程中，工模具與工件表面在高溫或高壓下，相互緊密貼合，并發(fā)生相互吸引和粘著，致使工模具與工件表面的材料發(fā)生相互擴散，造成表面合金元素的貧化或富化，導(dǎo)致工模具表面與基體的成分發(fā)生差異，弱化了工模具表面的抗磨損性能，加快了磨損速度，從而降低了工模具壽命。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具開始切削的初磨階段，刀具和工件、切屑的接觸表面高低不平，形成犬牙交錯現(xiàn)象，在相對運動中，雙方的高峰都逐漸被磨平。更多的機械磨損是由于切屑或工件表面有一些微小的硬質(zhì)點，如碳化物等，在刀具前刀面上劃出溝紋而造成的磨料磨損。金剛石刀具使用一段時間后，在前后刀面上出現(xiàn)細長而光滑的磨損帶，刀棱逐漸變成圓滑過渡的圓弧，隨著加工的繼續(xù)會形成較大的圓弧或者發(fā)展成前面和后面之間的斜面。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,機械磨損,隨著切削距離的增長，副后刀面上磨損增大，并出現(xiàn)兩段不同的磨損部分，這兩部分的長度相同，等于走刀量。直線刃刀具的磨損情況如圖所示，右邊的磨損部分磨損量很大，稱為第I磨損區(qū)，主要是因為由這段切削刃去除加工余量。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,左邊磨損部分的磨損量較小，稱為第磨損區(qū)，這是因為右邊部分的切削刃出現(xiàn)了磨損，使左邊部分切削刃參加切削，切去I區(qū)殘留的余量，因此區(qū)的切削刃也產(chǎn)生了一定的磨損。但由于I區(qū)切削刃切削的深度遠遠大于區(qū)切削刃切削深度，兩個磨損區(qū)的磨損量大不相同，即形成了階梯形磨損。,前刀面上的磨損是切屑流過前刀面引起的，在切屑的摩擦下，通常形成一條凹槽形的磨損帶。磨損凹槽的形狀和刀具形狀有關(guān)。,刀尖半徑為2m、刀具材料為天然金剛石、工件材料為鋁鎂合金。當(dāng)切削距離為100km時凹槽的深度達到0.1m。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,金剛石刀具的這種機械磨損量非常微小，刀具后刀面的磨損區(qū)及前刀面的磨損凹槽表面非常平滑，使用這種磨損的刀具進行加工不會顯著地影響加工表面質(zhì)量。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,小結(jié)：,結(jié)構(gòu)缺陷可產(chǎn)生裂紋；當(dāng)切屑經(jīng)過刀具表面時，金剛石受到循環(huán)應(yīng)力的作用可產(chǎn)生裂紋；刀具表面研磨應(yīng)力會產(chǎn)生裂紋。這些裂紋在切削過程中會加劇，進而造成刀具的嚴重破損。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具的破損,金剛石刀具破損的原因為如下幾種：,裂紋,是指礦物晶體在外力作用下嚴格沿著一定結(jié)晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性質(zhì)，這些平面稱為解理面。解理是晶體異向性的表現(xiàn)之一，礦物晶體的解理嚴格受其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制。解理總是在原子或離子連接薄弱的面網(wǎng)之間產(chǎn)生，解理面一般平行于晶體格架中質(zhì)點最緊密，化學(xué)鍵力最強的方向，聯(lián)結(jié)力最強的面，因為垂直這種面的聯(lián)結(jié)力較弱，晶粒易于平行此面破裂。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,解理,a、在切削過程中受到?jīng)_擊b、在切削過程中受到振動刀具的碎裂會降低切削刃的表面質(zhì)量，影響加工質(zhì)量。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,碎裂,斷口則是礦物或巖石受力后產(chǎn)生的不規(guī)則破裂面。,初期磨損正常磨損階段急劇磨損階段,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具的磨損過程劃分為三個階段：,工藝磨損限度工。工藝磨損限度是根據(jù)工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的。當(dāng)?shù)毒吣p到一定數(shù)值時，工件表面粗糙度增大尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范圍，因此必須予以限制。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具磨鈍標準有兩種：,合理磨損限度合這是由合理使用刀具材料的觀點出發(fā)而制定的磨損限度。因為刀具磨損限度定得太大或太小都會浪費刀具材料。只有取正常磨損階段終了之前的磨損量合作為磨損限度才能最經(jīng)濟地使用刀具。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具磨鈍標準有兩種：,定義刀具由開始切削到磨鈍為止的切削總時間稱為刀具耐用度，它代表刀具磨損的快慢程度。刀具耐用度愈大，則表示刀具的磨損愈慢，因此影響刀具磨損的因素，都會影響刀具耐用度。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,刀具耐用度：,天然單晶金剛石是精密切削中最重要的刀具材料，它是目前已知的最硬的材料。天然單晶金剛石刀具用于精密切削，其破損或磨損而不能繼續(xù)使用的標志是加工表面粗糙度超過規(guī)定值。金剛石刀具的耐用度平時以其切削路程的長度表示。如切削條件正常，金剛石刀具的耐用度可達數(shù)百公里。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,天然單晶金剛石刀具只能在機床主軸轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)的高精度機床上使用，否則由于振動會使金剛石刀具很快產(chǎn)生刀刃微觀崩刃，不能繼續(xù)使用。在金剛石刀具設(shè)計時，應(yīng)正確選擇金剛石晶體方向，以保證刀刃具有較高的微觀強度，減少解理破損的產(chǎn)生概率。,1.2.3刀具磨損、破損及耐用度,提高金剛石刀具的耐用度的措施：,第1章精密切削加工,1.3精密切削加工機床及應(yīng)用,二戰(zhàn)后，美國首先發(fā)展了金剛石刀具精密切削技術(shù)，并為此發(fā)展了空氣軸承的高性能精密車床。50年來，研究開發(fā)了超精密切削機床。超精密切削機床是綜合性新技術(shù)的結(jié)晶，它綜合應(yīng)用多項近代新技術(shù)于精密機床，使精密機床產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。近年來，精密和超精密切削技術(shù)在民用產(chǎn)品中亦得到廣泛的應(yīng)用，如加工計算機磁盤，復(fù)印機的硒鼓，錄像機磁鼓，激光打印機的多棱鏡等。,1.3.1精密機床發(fā)展概況,國外,一些高生產(chǎn)率的中小型超精密機床陸續(xù)開發(fā)成功。美國、日本、英國、荷蘭，德國等工業(yè)發(fā)達國家都有工廠、研究所生產(chǎn)和研究開發(fā)超精密機床，并達到了較高的水平。四方面：高精度、高剛度、高穩(wěn)定性、高自動化。,1.3.1精密機床發(fā)展概況,國外,我國在20世紀60年代起開始發(fā)展精密機床。昆明機床廠、漢川機床廠生產(chǎn)多種坐標鏜床，最新的坐標鏜床已有精密數(shù)控系統(tǒng)。重慶機床廠、武漢機床廠能生產(chǎn)高精度的滾齒機。重慶機床廠、上海機床廠等均能生產(chǎn)高精度的蝸輪母機，使加工的蝸輪精度明顯提高。北京機床研究所、航空精密機械磯究所等都已批量生產(chǎn)多種規(guī)格的三坐標測量機。,1.3.1精密機床發(fā)展概況,國內(nèi),1987年北京密云機床研究所研究成功加工球面的JSC-027型超精密車床。北京航空精密機械研究所研制成功的空氣軸承的超精密車床和金剛石鏜床，性能良好。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的帶激光在線測量的空氣軸承主軸數(shù)控超精密車床，具有良好的性能。,1.3.1精密機床發(fā)展概況,國內(nèi),普通車床徑向跳動通常為0.01mm，導(dǎo)軌平直度為0.02mm/1000mm；精密車床的主軸徑向跳動通常為0.0030.005mm，導(dǎo)軌平直度為0.01mm/1000mm。超精密加工機床的技術(shù)要求則更高，其各項精度指標如表所示。,1.3.2精密機床的精度指標,精密和超精密加工機床的精度指標,通常，加工設(shè)備的精度必須高于零件精度，有時要求高于零件精度一個數(shù)量級，即超精加工機床的高精度指標取決于加工零件的高精度。日本精機學(xué)會機床研究專業(yè)組曾提出超精密加工機床精度指標的提案，見表1.7。,1.3.2精密機床的精度指標,主軸的回轉(zhuǎn)精度要求極高，并且要求主軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、無振動，其關(guān)鍵在于所用的精密軸承。早期采用的是超精密的滾動軸承。（制造難度大）目前多使用液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承。,1.3.3精密主軸部件,液體靜壓軸承主軸,液體靜壓軸承回轉(zhuǎn)精度可達0.1m，且轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，無振動，因此有些超精密機床主軸使用這種軸承。,壓力油通過節(jié)流孔進入軸承耦合面間的油腔，使軸在軸套內(nèi)懸浮，不產(chǎn)生固體摩擦。當(dāng)軸受力偏歪時，耦合面間泄油的間隙改變，相對油腔產(chǎn)生油的壓力差，這種油的壓力差將振動主軸回到原來的中心位置。,1.3.3精密主軸部件,液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu),油壓0.6-1Mpa,液體靜壓軸承的油溫升高。在不同轉(zhuǎn)速時溫度升高值不相同，因此要控制恒溫。溫升造成的熱變形會影響主軸精度。靜壓油回油時將空氣帶入油源中，形成微小氣泡不易排出，這將降低液體靜壓軸承的剛度和動特性。,1.3.3精密主軸部件,液體靜壓軸承的缺點：,具有回轉(zhuǎn)精度高、剛性較高、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、無振動的特點，廣泛用于超精密機床。,液體靜壓軸承的優(yōu)點：,1.3.3精密主軸部件,提高靜壓油的壓力，使油中微小氣泡的影響減小。靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達到恒溫；同時軸承采用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。,采取的相應(yīng)措施：,由于空氣的粘度小，磨檫小產(chǎn)熱小，主軸在高速轉(zhuǎn)動時空氣溫升很小，因此造成的熱變形誤差很小.空氣軸承的剛度較低，只能承受較小的載荷。而超精密切削時切削力很小，空氣軸承能滿足要求.故廣泛使用.(它的應(yīng)用促進了超精密機床的發(fā)展.)大型精密/超精密機床廣泛采用液壓靜壓軸承主軸.,1.3.3精密主軸部件,空氣靜壓軸承主軸,使用的是干燥過濾空氣,采用這種驅(qū)動方式，電動機采用直流電動機或交流變頻電動機，可以無級調(diào)速，不用齒輪變速以減少振動。電動機要求經(jīng)過精密的動平衡并用單獨地基以免振動影響機床精度，傳動帶用柔軟的無接縫的絲質(zhì)材料制成。為了進一步隔離傳動造成的主軸振動，帶輪有自己的軸承支撐，經(jīng)過精密動平衡，通過柔性聯(lián)軸器與機床主軸相連。,1.3.3精密主軸部件,主軸的驅(qū)動方式主要介紹三種驅(qū)動方式,1.電動機通過帶傳動驅(qū)動(早期多采用),這種方案是將調(diào)速電機通過柔性聯(lián)軸器與機床主軸聯(lián)結(jié)在同一軸線上，結(jié)構(gòu)緊湊，目前在超精密機床中使用較普遍。采用這種主軸驅(qū)動方案時，為了提高主軸回轉(zhuǎn)精度，電動機應(yīng)經(jīng)過精密動平衡，電動機安裝時盡量保證電動機軸和主軸同心，并用柔性聯(lián)軸器消除安裝誤差引起的振動和回轉(zhuǎn)誤差。但主軸部件軸向長度較長,使機床尺寸變大.,1.3.3精密主軸部件,2.電動機通過柔性聯(lián)軸器驅(qū)動機床主軸,這種方案是將電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在機床主軸上，電動機的定子裝在主軸箱內(nèi)，依靠機床的高精度空氣軸承支承轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動。電動機采用無刷直流電動機。內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸存在一個問題：電動機工作時定子將發(fā)熱產(chǎn)生溫升，使主軸部件產(chǎn)生熱變形。采取使電動機定子強制通氣冷卻或定子外殼做成夾層，通恒溫油(或水)冷卻等措施，可基本解決這個問題。,1.3.3精密主軸部件,3.采用內(nèi)裝式同軸電動機驅(qū)動機床主軸,此方式電動機與機床主軸同軸,提高回轉(zhuǎn)精度,主軸箱軸向長度縮短,主軸箱成為一個獨立的、很方便移動的部件.,1.3.3精密主軸部件,床身和導(dǎo)軌是精密機床的基礎(chǔ)件，其材料性能對精密機床的整體性能有較大的影響。床身和導(dǎo)軌材料應(yīng)具有尺寸穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小，振動衰減能力強，耐磨性好，加工工藝性好等特性。,1.3.4床身和精密導(dǎo)軌部件,床身和導(dǎo)軌的材料,過去滾動導(dǎo)軌都是使用滾柱直線滾動軸承，滾柱帶保持架在導(dǎo)軌的偶合面作直線滾動，軸承長度根據(jù)工作行程決定。通過使用高精度滾柱和施加一定的預(yù)載應(yīng)力，可以得到較高的直線運動精度。,1.3.4床身和精密導(dǎo)軌部件,導(dǎo)軌類型,滾動導(dǎo)軌,滾動導(dǎo)軌在一般機床和精密機床中應(yīng)用多年，滾動導(dǎo)軌技術(shù)不斷提高。直線運動的精度可以達到微米級精度，摩擦系數(shù)可以達到0.003以下。,直線滾動軸承導(dǎo)軌,再循環(huán)滾動組件由于滾動體的再循環(huán)，它的工作行程長度不受限制。根據(jù)滾動體的類型不同，有再循環(huán)滾柱滾動組件和再循環(huán)滾珠滾動組件兩種類型。,1.3.4床身和精密導(dǎo)軌部件,再循環(huán)滾動組件,由于導(dǎo)軌運動速度不高(精密加工一般進刀量很小），液體靜壓導(dǎo)軌的溫度升高不嚴重，而液體靜壓導(dǎo)軌剛度高，承載能力強，直線運動精度高并且平穩(wěn)現(xiàn)象。,1.3.4床身和精密導(dǎo)軌部件,液體靜壓導(dǎo)軌,氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌可以得到很高的直線運動精度，運動平穩(wěn)，無爬行，摩擦系數(shù)幾乎為零，不發(fā)熱。,1.3.4床身和精密導(dǎo)軌部件,氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),工件的加工精度是由成形運動的精度決定的。成形運動包括主運動和進給運動。進給運動的精度是由進給系統(tǒng)精度決定的.,有刀具相對工件作縱向(z向)和橫向(x向)運動的精密數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動，以便完成各種曲面的精密加工。精密數(shù)控系統(tǒng)具有很高的分辨率，達到每脈沖在z向或X向的移動量為0.01m。通過精密雙頻激光測量系統(tǒng)檢測z向和X向的位移并反饋給精密數(shù)控系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),精密數(shù)控系統(tǒng),要求：,采用精密滾珠絲杠副作為進給系統(tǒng)的驅(qū)動元件。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),滾珠絲杠副驅(qū)動,優(yōu)點：摩擦力很小。進行適當(dāng)?shù)捻斁o，可消除正、反轉(zhuǎn)之間回程間隙。使用雙頻激光檢測系統(tǒng)，可消除絲杠積累誤差。高精密級的滾珠絲杠副可以做到相鄰螺距誤差0.5lm，積累螺距誤差35m/300mm。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),缺點：絲杠螺距在進給全程中存在誤差，進給運動不平衡。,空氣靜壓絲杠副的進給運動極為平穩(wěn)，但因剛度略低，正反運動變換時將有微量的空行程。液體靜壓絲杠傳動副進給運動平穩(wěn)，使用效果很好，但它的制造復(fù)雜。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),液體靜壓和空氣靜壓絲杠副驅(qū)動,和導(dǎo)軌運動體相連的驅(qū)動桿夾在兩個摩擦輪之間。上摩擦輪是用彈簧壓板壓在驅(qū)動桿上，當(dāng)彈簧壓板壓力足夠時，摩擦輪和驅(qū)動杠之間將無滑動。兩個摩擦輪均采用靜壓軸承支承，可以無摩擦轉(zhuǎn)動。直流電動機和下摩擦輪相連，帶動下摩擦輪轉(zhuǎn)動，靠摩擦力帶動驅(qū)動杠，進而帶動導(dǎo)軌作非常平穩(wěn)的直線運動。,圖為摩擦驅(qū)動裝置的原理圖。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),摩擦驅(qū)動,缺點:超精密機床在精切時,要求導(dǎo)軌的運動速度極慢,因此要求下摩擦輪直徑很小,造成一定的設(shè)計困難;兩個摩擦輪最好都能采用靜壓軸承支撐,但從結(jié)構(gòu)位置上看,放兩套靜壓軸承(液體或空氣)空間位置太擠,結(jié)構(gòu)設(shè)計困難(難度大);摩擦輪如采用滾動軸承支撐,則滾動軸承有摩擦,會降低摩擦驅(qū)動裝置的平穩(wěn)性,降低導(dǎo)軌直線運動的平穩(wěn)性.,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),可進一步提高機床的分辨率，高精度微量進給裝置已可達到0.0010.01m的分辨率；可用于加工誤差的在線補償；可用于實現(xiàn)超薄切削。,1.3.5進給驅(qū)動系統(tǒng),微