第3章超精密切削加工

超精密切削加工

超精密切削加工主要是用高精度的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行的加工。故一般稱(chēng)為金剛石刀具切削(SinglePointDiamondTuring，SPDT)。121.1超精密切削的歷史60年代初，由于宇航用的陀螺，計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤(pán)，光學(xué)掃描用的多面棱鏡，大功率激光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各種復(fù)雜形狀的紅外光用的立體鏡等等各種反射鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、拋光等方法進(jìn)行加工，不但加工成本很高，而且很難滿(mǎn)足精度和表面粗糙度的要求。為此，研究、開(kāi)發(fā)了使用高精度、高剛度的機(jī)床和金剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法加工。3經(jīng)SPDT加工的光學(xué)元件成品示意圖圖中所示的各種形狀的零件是去氧銅或鋁合金材料，41.2超精密切削加工的應(yīng)用平面鏡的切削5（1）平面鏡的切削平面度<0.06

μm表面粗糙度Rmax<0.02μm6玻璃鏡的切削7測(cè)量結(jié)果8（2）多面鏡的切削激光印刷機(jī)、復(fù)印機(jī)。面分度精度7.5"面傾斜精度3.6“平面度<0.07μm表面粗糙度<Rmax0.02μm9（3）球面鏡的切削10（4）球面鏡的切削11（5）其它零件的切削球面（球軸承）車(chē)削復(fù)印機(jī)硒鼓（圓柱面）車(chē)削磁盤(pán)基片的車(chē)削121.3金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)（1）平面鏡的表面粗糙度可達(dá)Ry5μm，曲面鏡的表面粗糙度可達(dá)Ry10μm，形狀精度可達(dá)30μm，而且沒(méi)有塌邊現(xiàn)象。用SPDT加工的表面對(duì)光線(xiàn)的反射率很高，例如對(duì)波長(zhǎng)λ為10.6μm的激光，經(jīng)SPDT切削加工的去氧銅表面的反射率為99～99.4%。在去氧銅表面鍍金、銀、銅層，經(jīng)SPDT切削加工后．表面的反射率為96.7～99.3%。經(jīng)SPDT加工的表面，對(duì)激光具有很高的耐熱損傷性能，故它是大功率激光用的反射鏡終精加工的最好方法。131.3金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)（2）金剛石刀具超精密切削與一般切削加工相比，精度要高1－2個(gè)量級(jí)。從成本上看，用去氧銅經(jīng)SPDT進(jìn)行加工的光學(xué)反射鏡、棱鏡等與過(guò)去用鍍鉻經(jīng)磨料加工的產(chǎn)品相比，成本大約為后者的一半或數(shù)分之一。在SPDT加工過(guò)程中可采用數(shù)控進(jìn)行批量生產(chǎn)，這樣不僅可以縮短加工時(shí)間，而且可以很容易地加工非球面及其他形狀復(fù)雜的表面，故相對(duì)而言，雖然加工設(shè)備最初的投資較高，但與效益相比，成本還是低的。141.4影響金剛石刀具切削加工的因素151.5超精磨切削的刀具

1.5.1超精密切削對(duì)刀具的要求1)刀具刃口鋒銳度ρ能磨得極其鋒銳，刃口圓弧半徑ρ極小，能實(shí)現(xiàn)超薄切削厚度，減小切削表面彈性恢復(fù)和表面變質(zhì)層。ρ與切削刃的加工方位有關(guān)，普通刀具5~30μm，金剛石刀具<10nm；從物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，刃口半徑ρ有一極限。161.5.1超精密切削對(duì)刀具的要求2)切削刃的粗糙度。切削時(shí)切削刃的粗糙度將決定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.3~5μm，金剛石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2μm，特殊情況Ry1nm，很難。3)極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，保證長(zhǎng)的刀具壽命。4)刀刃無(wú)缺陷，足夠的強(qiáng)度，耐崩刃性能。5)化學(xué)親和性小、與工件材料的抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。171.5.2金剛石刀具對(duì)超精密切削的適應(yīng)性

（1）金剛石刀具的性能特點(diǎn)硬度極高。自然界最硬的材料，比硬質(zhì)合金的硬度高5~6倍。摩擦系數(shù)低。除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力小。能磨出極鋒銳的刀刃。最小刃口半徑1~5nm。耐磨性好。比硬質(zhì)合金高50~100倍。導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，刀具熱變形小。不適宜切黑色金屬。很脆，避免振動(dòng)。價(jià)格昂貴，刃磨困難。天然單晶金剛石被一致公認(rèn)為理想的、不能代替的超精密切削刀具。18不同刀具材料硬度19（2）金剛石刀具刃口的鋒銳性物理學(xué)計(jì)算值：最小極限圓弧半徑ρ＝2nm；目前沒(méi)有可靠的測(cè)量方法，究竟最小可達(dá)到什么程度還沒(méi)有定論；試驗(yàn)推斷目前ρ<10nm；一般情況下，經(jīng)過(guò)精密研磨成形的金剛石刀具刃口半徑ρ＝0.2~0.5μm。特殊精心研磨可達(dá)到ρ＝0.1μm。20刀具刃口最小半徑觀(guān)測(cè)通過(guò)掃描電鏡對(duì)刀具刃口的觀(guān)察和對(duì)最小切屑厚度的測(cè)量，推斷目前刃口半徑最小可<10nm。21（3）金剛石刀具刃口的粗糙度目前，經(jīng)研磨成形的刀面粗糙度在刀具有效切削長(zhǎng)度上比較容易達(dá)到1nm，切削刃的粗糙度可達(dá)到Ry10nm。22（4）金剛石刀具切削刃輪廓的復(fù)映性理想情況下，超精密加工表明應(yīng)該是金剛石刀具切削刃形狀在被加工表面的復(fù)映。金剛石刀具切削刃輪廓的復(fù)映性與被加工材料有關(guān)，受金剛石與被加工材料親和性所影響。除W、Be及鐵金屬外，其它的金屬和塑料有較好的復(fù)映性。23（5）金剛石刀具的強(qiáng)度和耐缺損性能與金剛石的結(jié)晶方位有關(guān)；從金剛石原材料的形態(tài)和研磨成形的難易程度出發(fā)，超精密切削刀具多以金剛石的（110）面或（111）面作為前刀面。金剛石刀具耐缺損（崩刃）性能與強(qiáng)度有直接關(guān)系。在普通金屬的切削條件下不會(huì)發(fā)生缺損（崩刃）。24（6）金剛石刀具的熱化學(xué)性能良好的熱特性。熱導(dǎo)率和比熱容高，摩擦系數(shù)低，在相同條件下計(jì)算其摩擦面的溫升，僅為其它工具材料的1/5；膨脹系數(shù)低，抗熱沖擊；耐熱性和耐熱損傷性有一限度。最大問(wèn)題是金剛石的氧化和石墨化。超過(guò)700℃，氧化溫度大于773K時(shí)，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分解，產(chǎn)生石墨化25（7）適于金剛石刀具切削的金屬Cu、Al、Pb非電解Ni黃銅可加工性極好Au、Ag、Pt和鈹青銅可加工性良好Be、Ta、Fe、Ni、Mo、Ti、V、W等可加工性差各種塑料的可加工性良好光學(xué)元件所使用的Si、Ce、NaCl、CaF等可加工性比切削性能良好的金屬差261.5.3金剛石刀具的幾何形狀和結(jié)構(gòu)（1）刀頭形式尖刃安裝方便，但一般不用。單直線(xiàn)刃安裝和刃磨困難，加工殘留面積最小。多棱刃安裝和刃磨方便，加工表面質(zhì)量好。圓弧刃安裝方便，加工殘余面積小，刃磨困難。27（2）刀具幾何角度刀具前角一般γ=0o、γ=6o兩種。加工塑性材料時(shí)，前角應(yīng)選大一些，使得切削能順利從前面流出，減小切削力。因金剛石刀具較脆，前角取大時(shí)易崩裂，故通常取為0，而在加工薄壁零件時(shí)取γ=6o。后角的作用是較少后間隙與零件的摩擦，一般取α=6o~12o，為了改善刀具的傳熱和增加刀具強(qiáng)度，可取α=5o。281.5.4其它刀具材料人造金剛石刀具立方氮化硼（CBN）刀具29金剛石與CBN的熱特性30美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室的刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果

在切削長(zhǎng)度超過(guò)20km后，加工表面粗糙度尺仍在0.01um以?xún)?nèi)，刀具仍能繼續(xù)使用。由于刀具的磨損甚少，故同一刀具可以加工很多零件，零件的尺寸一致，基本不受刀具磨損的影響。

311.6超精密切削時(shí)的刀具磨損和壽命

用天然單晶金剛石刀具對(duì)有色金屬進(jìn)行超精密切削，如切削條件正常，刀具無(wú)意外損傷，刀具磨損甚慢，刀具耐用度極高。天然單晶金剛石刀具用于超精密切削，破損或磨損而不能繼續(xù)使用的標(biāo)志為加工表面粗糙度超過(guò)規(guī)定值。金剛石刀具的壽命平時(shí)以其切削路徑的長(zhǎng)度計(jì)。如切削條件正常，金剛石刀具的壽命可達(dá)數(shù)百公里。

實(shí)際使用中金剛石刀具常達(dá)不到上述的耐用度，常常是由于切削刃產(chǎn)生微小崩刃而不能繼續(xù)使用，這主要是由于切削時(shí)的振動(dòng)或刀刃的碰撞引起的。

321.7超精密金剛石刀具切削機(jī)理

1.7.1刀具切削模型在超精密切削過(guò)程中，切削深度只有數(shù)微米以下，在切削過(guò)程中，刀具的微觀(guān)形狀極為重要，所以要把刀尖看成具有圓弧半徑R的圓角。33刀尖附近的二維切削模型切削時(shí)給定的切削深度為t時(shí)，由于刀尖的局部變形δ1而使實(shí)際切削深度為t1。而當(dāng)?shù)毒咦哌^(guò)之后，工件表而將有δ2的彈性變形恢復(fù)量。故實(shí)際的去除層將小于實(shí)際切削深度。δ1和δ2可以通過(guò)近似計(jì)算求出。341.7.2切削表面的形成切削表面基本上是由刀具的擠光作用而形成。切削表面的輪廓是在垂直切削方向的平面內(nèi)刀具輪廓的復(fù)映。即由切削深度和進(jìn)給量綜合而成。切削表面形成的模型35影響切削表面粗糙度的因素

（1）切削刃的粗糙度的影響36（2）切削刃的復(fù)映性的影響37（3）鱗刺與