精密和超精密加工技術(shù)

第二章精密和超精密加工技術(shù)精密與超精密加工加工精度表面粗糙度精密加工0.1-1μm0.02-0.1μm超精密加工>0.1μm<0.01μm超精密切削-金剛石刀具切削用高精度機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行的精密、超精密切削

稱為金剛石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金剛石刀具切削主要用于有色金屬（銅、鋁及其合金）、非金屬材料的精密加工利用超精密金剛石切削的菲涅爾透鏡，更薄、性能更好金剛石切削機(jī)理

切削在晶粒內(nèi)進(jìn)行切削力＞原子結(jié)合力（剪切應(yīng)力達(dá)13000N/mm2）刀尖處溫度極高，應(yīng)力極大，普通刀具難以承受高速切削（與傳統(tǒng)精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內(nèi)層，可獲得高精度和好表面質(zhì)量

刀尖附近二維切削模型金剛石切削機(jī)理金剛石切削刀尖的切削模型OMF金屬切削模型彈性變形→剪切應(yīng)力增大，達(dá)到屈服點(diǎn)→產(chǎn)生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應(yīng)力與滑移量繼續(xù)增大，達(dá)到斷裂強(qiáng)度→切屑與母體脫離。M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角

切削表面形成模型金剛石切削機(jī)理t0－變質(zhì)層深度；t1－給定切深；t2－實際切深；Δ－毛刺產(chǎn)生的粗糙度增量切削表面的輪廓是在垂直于切削方向的平面內(nèi)工具輪廓的復(fù)映

切削表面形成模型金剛石切削機(jī)理理想刀具切削刃在工件表面的復(fù)印輪廓

切削刃的粗糙度切削刃口的復(fù)映性毛刺與加工變質(zhì)層

影響表面形成的因素金剛石切削刀具

超精密切削刀具應(yīng)具備的條件：

刀具刃口的鋒利性好。刃口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄切削厚度。

切削刃的粗糙度低。切削時刃形將復(fù)制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。

刀具與被切削材料的親和性低。以得到極好的加工表面完整性。

切削刃強(qiáng)度高、耐磨損不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石金剛石的性能金剛石刀具對超精密切削的適應(yīng)性硬度最高，各向異性，不同晶向的物理性能相差很大。優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石：多數(shù)為規(guī)整的8面體或菱形12面體，少數(shù)為6面立方體或其他形狀，淺色透明，無雜質(zhì)、無缺陷。大顆粒人造金剛石在超高壓、高溫下由子晶生長而成，并且要求很長的晶體生長時間。人造單晶金剛石已用于制造超精密切削的刀具。金剛石刀具刃口的鋒利性－最小圓弧半徑可以達(dá)到2nm金剛石刀具刃口的粗糙度

－可達(dá)到Ry10nm金剛石刀具切削刃有良好的復(fù)印性金剛石刀具的熱化學(xué)性能

－有較高的熱導(dǎo)率和比熱容，低的摩擦系數(shù)

－高溫時易氧化和石墨化金剛石刀具對超精密切削的適應(yīng)性材料晶界圓弧半徑/nm金剛石TICFeCuAl2.01.12.93.75.7最小圓弧半徑的計算值金剛石刀具的分類

天然單晶金剛石刀具

人工合成金剛石刀具(如美國GE公司生產(chǎn)的COMPAX牌金剛石刀具)

－聚晶金剛石(PCD)（切割后焊在刀片上）

－金剛石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂層涂覆在超硬刀具基體上）刀具切削刃比較金剛石粉燒結(jié)體立方氮化硼燒結(jié)體（CBN）單晶金剛石單晶金剛石刀具金剛石的晶體結(jié)構(gòu)和刃磨單晶金剛石研磨后的刀刃多晶金剛石研磨后的刀刃立方體八面體十二面體單晶金剛石刀具單晶金剛石的硬度（努氏硬度）單晶金剛石刀具單晶金剛石的熱穩(wěn)定性金剛石的熱穩(wěn)定性與周圍介質(zhì)、硬度等有關(guān)金剛石在不同介質(zhì)條件下受熱升溫時所發(fā)生的狀態(tài)單晶金剛石刀具單晶金剛石的熱穩(wěn)定性MBD6型金剛石在不同溫度下保溫1小時的抗壓強(qiáng)度曲線MBD6型金剛石在800℃加熱不同時間的抗壓強(qiáng)度曲線單晶金剛石刀具

CBN和單晶金剛石的熱穩(wěn)定性比較金剛石刀具可切削材料可切削材料Al（鋁）、Cu（銅）、Au（金）、Ag（銀）、Pb（鉛）、Pt（白金）、黃銅、Ge（鍺）、ZnS（硫化鋅）、各種塑膠要求高精度、高剛度、良好穩(wěn)定性、抗振性及數(shù)控功能等金剛石切削機(jī)床型號(生產(chǎn)廠家)HCM-Ⅰ

(中國哈工大)M-18AG

(莫爾特殊機(jī)床,美國)UltraprecisionCNCmachine

(東芝,日本)UltraprecisionLathe

(IPT，德國)主軸徑向跳動(μm)≤0.075≤0.05(500r/min)≤0.048軸向跳動(μm)≤0.05≤0.05(500r/min)徑向剛度(N/μm)220100軸向剛度(N/μm)160200導(dǎo)軌Z向(主軸)直線度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/230mm0.044μm/80mmX向(刀架)直線度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/410mm0.044μm/80mmX、Z向垂直度(")≤11重復(fù)定位精度(μm)1(全程)、0.5(25.4mm)加工

工件

精度形面精度(μm)圓度：0.1平面度：0.3＜0.1(P-V值)0.1表面粗糙度(μm)Ra0.00420.0075(P-V值)Ra0.0020.002～0.005RMS位置反饋系統(tǒng)分辨率(μm)252.510溫控精度(℃)≤0.004±0.006±0.1隔振系統(tǒng)固有頻率(Hz)≤22加工范圍(mm)320356650×2502主軸系統(tǒng)國內(nèi)外典型超精密車床性能指標(biāo)Moore金剛石車床回轉(zhuǎn)工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機(jī)空氣墊刀具夾持器美國Moore公司M-18AG金剛石車床主軸采用空氣靜壓軸承，轉(zhuǎn)速5000轉(zhuǎn)/分，徑跳＜0.1μm；液體靜壓導(dǎo)軌，直線度達(dá)0.05μm/100mm；數(shù)控系統(tǒng)分辨率0.01μm。典型金剛石切削機(jī)床典型金剛石切削機(jī)床T形布局的金剛石車床車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上?？山鉀Q兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調(diào)整保證，生產(chǎn)成本較低，已成為當(dāng)前金剛石車床的主流布局。

T形布局

金剛石車床主要性能指標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)分辯率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度/mm最高轉(zhuǎn)速r/mm最大進(jìn)給速度mm/min重復(fù)精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動/μm滑臺運(yùn)動的直線度/μm主軸前靜壓軸承（φ100mm）的剛度/（N/μm）主軸后靜壓軸承（φ80mm）的剛度/（N/μm）縱橫滑臺的靜壓支承剛度/（N/μm）主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片

用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產(chǎn)生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質(zhì)量）

加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等

加工有機(jī)玻璃和各種塑料

典型產(chǎn)品：光學(xué)反射鏡、射電望遠(yuǎn)鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機(jī)塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等金剛石切削的應(yīng)用精密和超精密磨削：通常是指加工精度1～0.1μm，表面粗糙度低于Ra0.2～0.025μm的表面磨削方法。精密和超精密磨削精密、超精密磨削、鏡面磨削形成的零散刻痕鏡面磨削：一般是指加工表面粗糙度達(dá)到Ra0.02～0.01μm，磨削表面光澤如鏡的磨削方法。鏡面磨削對加工精度要求不很明確，主要強(qiáng)調(diào)表面粗糙度要求。精密和超精密磨削分類精密和超精密磨削分類固結(jié)磨料加工將磨料或微粉與結(jié)合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強(qiáng)度，再采用燒結(jié)、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。精密和超精密砂輪磨削精密砂輪磨削：砂輪的粒度60?！?0＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂輪磨削：砂輪的粒度W40～W50，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂帶磨削精密砂帶磨削：砂帶粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂帶磨削：砂帶粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密磨削分類游離磨料加工磨料或微粉不是固結(jié)在一起，而是成游離狀態(tài)。傳統(tǒng)方法：研磨和拋光新方法：磁性研磨、彈性發(fā)射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。超精密磨削砂輪磨料磨具超精密磨削涂覆磨具1－基底；2－粘接膜；3－粘接劑（底膠）；4－粘接劑（覆膠），5－磨粒(a)砂輪(b)磨粒

(c)微刃(銳利、半鈍化、鈍化)磨粒具有微刃性和等高性

微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑擠、摩擦、拋光作用精密磨削機(jī)理v=27m/s6420-2-4-604681012彈性區(qū)塑性區(qū)切削區(qū)工件切入角α實際磨削軌跡理想磨削軌跡彈性區(qū)塑性區(qū)切削區(qū)塑性區(qū)彈性區(qū)接觸終點(diǎn)2α=6.8°切入角/（）接觸長度/mm超精密磨削的單顆磨粒切入模型超精密磨削機(jī)理磨粒可以看作具有彈性支承的和大負(fù)前角切削刃的彈性體，彈性支承為結(jié)合劑，磨粒雖有相當(dāng)硬度，本身受力變形極小，實際上仍屬于彈性體。磨粒切削刃的切入深度由零開始逐漸增加，到達(dá)最大值后又逐漸減小到零。整個磨粒與工件的接觸過程依次為彈性區(qū)、塑性區(qū)、切削區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。超精密磨削中，微切削作用、塑性流動、彈性破壞作用和滑擦作用依切削條件的變化而順序出現(xiàn)。超精密磨削機(jī)理砂輪1）砂輪磨料2）砂輪粒度3）砂輪結(jié)合劑砂輪修整：整形與修銳（去除結(jié)合劑，露出磨粒）常用方法—①用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀；②電解修銳（適用于金屬結(jié)合劑砂輪），效果好，并可在線修整。砂輪及砂輪的修整進(jìn)給＋－ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結(jié)合劑）冷卻液冷卻液電刷

ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）(砂輪在線電解修整)原理：砂輪采用鑄鐵基金剛石砂輪。利用電解原理，在磨削過程中，不斷對結(jié)合劑進(jìn)行電解，使已磨損的金剛石磨粒脫落，從而使金剛石砂輪始終處于鋒利狀態(tài)。鑄鐵基砂輪：“+”極；石墨電極：“–”極；兩電極間隙：0.1mm（1）磨削過程具有良好的穩(wěn)定性；（2）該修整法使金剛石砂輪不會過快的磨耗，提高了貴重磨料的利用率；（3）ELID修整法使磨削過程具有良好的可控性；（4）采用ELID磨削法，容易實現(xiàn)鏡面磨削，并可大幅度減少超硬材料被磨零件的殘留裂紋。ELID磨削的特點(diǎn)

電子材料，磁性材料的鏡面磨削硅片；鐵金氧磁頭光學(xué)材料的鏡面磨削記錄用光學(xué)材料，光學(xué)鏡片研磨拋光前陶瓷材料的鏡面磨削高精度鋼鐵材料及復(fù)合材料，硬質(zhì)合金ELID應(yīng)用范圍砂帶磨削示意圖接觸輪硬磁盤——裝在主軸真空吸盤上V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進(jìn)給f-徑向振動砂帶精密磨削砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細(xì)微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運(yùn)動，進(jìn)行磨削或拋光。有開式和閉式兩種形式，可磨削平面、內(nèi)外圓表面、曲面等。砂帶精密磨削用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統(tǒng)）幾種砂帶磨削形式砂帶精密磨削磨削參數(shù)閉式磨削開式磨削粗磨精磨砂帶速度/(ms-1)12～3025～30速度很低工件速度/(mmin-1)20～3020以下10～12縱向進(jìn)給量/(mmr-1)0.17～3.000.40～2.00——磨削深度(mm)0.05～0.0100.01～0.05——接觸壓力(N)接觸壓力直接影響磨削效率和砂帶壽命，可根據(jù)工件材料、砂帶、磨削余量和表面粗糙度的要求來選擇，有時很難控制，一般選取50～300N。砂帶磨削用量砂帶精密磨削砂帶精密磨削砂帶磨削特點(diǎn)1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質(zhì)量好（Ra

值可達(dá)0.02μm）。3）強(qiáng)力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。4）制作簡單，價格低廉，使用方便。5）可用于內(nèi)外表面及成形表面加工。磨粒規(guī)格涂層粘接劑基帶靜電植砂砂帶結(jié)構(gòu)2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。

塑性（延性）磨削(a)初始加載:接觸區(qū)產(chǎn)生—永久塑性變形區(qū)，沒有任何裂紋破壞。變形區(qū)尺寸隨載荷增加而變大。(b)臨界區(qū):載荷增加到某一數(shù)值時，在壓頭正下方應(yīng)力集中處產(chǎn)生中介裂紋(MedianCrack)。(c)裂紋增長區(qū):載荷增加,中介裂紋也隨之增長。(d)初始卸載階段:中介裂紋開始閉合，但不愈合。(e)側(cè)向裂紋產(chǎn)生:進(jìn)一步卸載，由于接觸區(qū)彈塑性應(yīng)力不匹配，產(chǎn)生一個拉應(yīng)力疊加在應(yīng)力場中，產(chǎn)生系列向側(cè)邊擴(kuò)展的橫向裂紋(LateralCrack)。(f)完全卸載:側(cè)向裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，若裂紋延伸到表面則形成破壞的碎屑。尖銳壓頭下的材料變形過程

塑性（延性）磨削由圖可以看出，即使是脆性材料，在很小載荷的作用下仍然會產(chǎn)生一定的塑性變形。當(dāng)載荷增加時，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變，在材料的內(nèi)部和表面上產(chǎn)生脆性裂紋。臨界載荷：在材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變過程中，當(dāng)裂紋剛好產(chǎn)生時所施加的垂直載荷；臨界壓深：材料將由塑性變形方式向脆性破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變時，壓頭壓入的深度。尖銳壓頭下的材料變形過程脆性材料裂紋長度塑性磨削的機(jī)理至今仍不十分清楚，主要有兩種看法：臨界切削深度——當(dāng)磨粒的切削深度小到一定程度（臨界切削深度）時，切屑就由脆斷轉(zhuǎn)變?yōu)樗軘唷Ｇ邢魃疃群湍ハ鳒囟仁乔行加纱嘈韵蛩苄赞D(zhuǎn)變的關(guān)鍵——當(dāng)磨粒與工件的接觸點(diǎn)的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發(fā)生變化，導(dǎo)致了切屑形成機(jī)理的變化。（已有試驗作支持）

塑性（延性）磨削

磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規(guī)則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。

塑性（延性）磨削

塑性磨削

磨粒作用下的脆性裂紋超精密磨削的臨界切削厚度E－材料的彈性模量，H－材料硬度，

K

c－材料的斷裂韌性日本學(xué)者研究表明，金剛石砂輪磨粒粒度的大小也會影響到臨界切削厚度

塑性（延性）磨削

塑性磨削

日本學(xué)者研究表明，金剛石砂輪磨粒粒度的大小也會影響到臨界切削厚度平均磨粒尺寸低于20μm（1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)。一般臨界切削深度＜1μm。為此對機(jī)床要求：①高的定位精度和運(yùn)動精度。以免因磨粒切削深度超過1μm時，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈阅ハ鳌＂诟叩膭傂?。因為塑性磨削切削力遠(yuǎn)超過脆性磨削的水平，機(jī)床剛性低，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。

（2）磨粒與工件的接觸點(diǎn)的切削溫度應(yīng)高到一定程度，使工件材料的局部物理特性發(fā)生變化。

塑性（延性）磨削

塑性磨削工藝條件超精密研磨和拋光研磨是在研具與工件之間置以研磨劑，對工件表面進(jìn)行光整加工的方法。研磨原理超精密研磨和拋光拋光是在高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪上涂以磨膏，對工件表面進(jìn)行光整加工的