精密與超精密加工-第二章方案

2023/12/6姜春曉2005年8月Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技術2023/12/6第2章超精密切削與金剛石刀具

超精密切削是使用精密的單晶天然金剛石刀具加工有色金屬和非金屬，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：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達的波導管內腔、計算機磁盤、激光打印機的多面棱鏡、錄像機的磁頭、復印機的硒鼓、菲尼爾透鏡等。超精密切削也是金屬切削的一種，當然也服從金屬切削的普遍規(guī)律。金剛石刀具的超精密加工技術主要應用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產中的中小型超精密零件加工。2023/12/62.1超精密切削時刀具的切削速度、磨損和耐用度

2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律

2.3切削參數(shù)變化對加工表面質量的影響

2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量

的影響

2.5超精密切削時的最小切削厚度

2.6金剛石刀具晶面選擇對切削變形和加工

表面質量的影響第2章超精密切削與金剛石刀具2023/12/6

2.7超精密切削對刀具的要求及金剛石的性

能和晶體結構

2.8金剛石晶體各晶面的耐磨性和好磨難磨方向

2.9單晶金剛石刀具的磨損破損機理

2.10金剛石晶體的定向

2.11金剛石刀具的設計與制造第2章超精密切削與金剛石刀具2023/12/6切削速度向來是影響刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低對金剛石刀具的磨損大小影響甚微，刀具的耐用度極高。原因是：金剛石的硬度極高，耐磨性好，熱傳導系數(shù)高，和有色金屬間的摩擦系數(shù)低，因此切削溫度低，在加工有色金屬時刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000～2000m/min，而刀具的磨損甚小。超精密切削實際速度的選擇根據(jù)所使用的超精密機床的動特性和切削系統(tǒng)的動特性選取，即選擇振動最小的轉速。2.1超精密切削時刀具的切削速度、磨損和耐用度2023/12/6總結：天然單晶金剛石刀具只能用在機床主軸轉動非常平穩(wěn)的高精度車床上，否則由于振動金剛石刀具將會很快產生刀刃微觀崩刃。2.1超精密切削時刀具的切削速度、磨損和耐用度2023/12/6圖2-3：圖a是刀刃磨損的正常情況，圖b是劇烈磨損情況，可以看到磨損后成層狀，即刀具磨損為層狀微小剝落。圖2-4：圖中所示沿切削速度方向出現(xiàn)磨損溝槽，由于金剛石和鐵、鎳的化學和物理親和性而產生的腐蝕溝槽。圖2-5：金剛石切削時，若有微小振動，就會產生刀刃微小崩刃。2.1超精密切削時刀具的切削速度、磨損和耐用度2023/12/6不管在多大的切削速度下都有積屑瘤生成，切削速度不同，積屑瘤的高度也不同。當切削速度較低時，積屑瘤高度較高，當切削速度達到一定值時，積屑瘤趨于穩(wěn)定，高度變化不大。2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律1、切削速度的影響一、切削參數(shù)對積屑瘤生成的影響2023/12/6由圖2-8可以看出在進給量很小時，積屑瘤的高度很大，在f＝5μm/r時，h0值最小，f值再增大時，h0值稍有增加。由圖2-9所示，在背吃刀量<25μm時，積屑瘤的高度變化不大，但在背吃刀量>25μm后，h0值將隨著背吃刀量的增加而增加。2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律2、進給量f和背吃刀量的影響2023/12/6積屑瘤高時切削力也大，積屑瘤小時切削力也小。與普通切削規(guī)律正好相反。2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律1、對切削力的影響二、積屑瘤對切削力和加工表面粗糙度的影響2023/12/61）積屑瘤前端R大約2～3μm，實際切削力由刃口半徑R起作用，切削力明顯增加。2）積屑瘤與切削層和已加工表面間的摩擦力增大，切削力增大。3）實際切削厚度超過名義值，切削厚度增加hD-hDu，切削力增加。2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律切削模型分析實際切削厚度2023/12/6積屑瘤高度大，表面粗糙度大，積屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液減小積屑瘤，減小加工表面粗糙度。2.2超精密切削時積屑瘤的生成規(guī)律二、積屑瘤對切削力和加工表面粗糙度的影響2、對加工表面粗糙度的影響2023/12/6

由圖2-12知，在有切削液的條件下，切削速度對加工表面粗糙度的影響很小。圖2-13說明，不同切削速度下均得到表面粗糙度極小的加工表面—鏡面。2.3切削參數(shù)變化對加工表面質量的影響1、切削速度的影響一、切削速度、進給量、修光刃和背吃刀量的影響2023/12/6

在進給量f<5μm/r時，均達到Rmax<0.05μm的加工表面粗糙度。2.3切削參數(shù)變化對加工表面質量的影響2、進給量的影響一、切削速度、進給量、修光刃和背吃刀量的影響2023/12/6修光刃長度常取0.05～0.20mm。

修光刃的長度過長，對加工表面粗糙度影響不大。

修光刃有直線和圓弧兩種，加工時要精確對刀，使修光刃和進給方向一致。圓弧刃半徑一般取2～5mm。2.3切削參數(shù)變化對加工表面質量的影響3、修光刃的影響一、切削速度、進給量、修光刃和背吃刀量的影響2023/12/6

在刀具刃口半徑足夠小時，超精密切削范圍內，背吃刀量變化對加工表面粗糙度影響很小。背吃刀量減少，表面殘留應力也減少，但超過某臨界值時，背吃刀量減少反而使加工表面殘留應力增加。2.3切削參數(shù)變化對加工表面質量的影響4、背吃刀量的影響一、切削速度、進給量、修光刃和背吃刀量的影響2023/12/6刃口鋒銳度對加工表面有一定的影響，相同條件下（背吃刀量、進給量），更鋒銳的刀具切出的表面粗糙度更小；速度的影響不是很大。2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響一、刃口鋒銳度對加工表面粗糙度的影響刃口半徑為0.6μm、0.3μm2023/12/6鋒銳車刀切削變形系數(shù)明顯低于較鈍的車刀。刀刃鋒銳度不同，切削力明顯不同。刃口半徑增大，切削力增大，即切削變形大。背吃刀量很小時，切削力顯著增大。因為背吃刀量很小時，刃口半徑造成的附加切削變形已占總切削變形的很大比例，刃口的微小變化將使切削變形產生很大的變化。所以在背吃刀量很小的精切時，應采用刃口半徑很小的鋒銳金剛石車刀。2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響二、刀刃鋒銳度對切削變形和切削力的影響2023/12/6LY12鋁合金原始材料的顯微硬度為105HV。使用p＝0.3μm的金剛石車刀切削，得到的加工表面顯微硬度為167HV；使用p＝0.6μm的金剛石車刀切削，得到的加工表面顯微硬度為205HV。1）刃口半徑不同，加工表面變質層的冷硬和顯微硬度有很大區(qū)別；2）刃口半徑越小，加工表面變質層的冷硬度越小。2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響1、對加工表面冷硬的影響三、刀刃鋒銳度對切削表面層的冷硬和組織位錯的影響2023/12/6刃口半徑越小，位錯密度越小，切削變形越小，表面質量越高。2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響2、對加工表面組織位錯的影響三、刀刃鋒銳度對切削表面層的冷硬和組織位錯的影響2023/12/61）刃口半徑越小，殘留應力越低；2）背吃刀量越小，殘留應力越小，但當背吃刀量減小到臨界值時，背吃刀量減小，殘留應力增大。2.4刀刃鋒銳度對切削變形和加工表面質量的影響四、刀刃鋒銳度對加工表面殘留應力的影響2023/12/6分析：在極限臨界點A的受力變形情況：在A點處工件受水平和垂直力作用，此兩力可分解為A點處的法向力N和切向力，則N力和力可用下式計算化簡后得

2.5超精密切削時的最小切削厚度一、刀刃刃口半徑和最小切削厚度的關系2023/12/6

在實際摩擦力>時，被切材料和刀刃刃口圓弧無相對滑移，才能形成切削被切除，即A點為極限臨界點，極限最小切削厚度應為

當?shù)度腥锌诎霃綖槟持禃r，切下的最小切削厚度和臨界點處的比值有關，并和刀具工件材料之間的摩擦系數(shù)有關。

2.5超精密切削時的最小切削厚度一、刀刃刃口半徑和最小切削厚度的關系（續(xù)）2023/12/6刀具被切材料最小切削厚度W18Cr4VQ235鋼0.248W18Cr4V45鋼0.274YG8Q235鋼0.350YG845鋼0.377

根據(jù)經(jīng)驗，A點處的比值一般在0.8～1范圍內，對于金剛石刀具進行超精密切削，取。

使用極鋒銳的刀具和機床條件最佳的情況下，金剛石刀具的超精密切削，可實現(xiàn)切削厚度為納米（nm）級的連續(xù)穩(wěn)定切削。要使最小切削厚度，可估算金剛石刀具刃口半徑為3～4nm。用高速鋼和硬質合金刀具進行切削試驗，達到的最小切削厚度值為：2.5超精密切削時的最小切削厚度一、刀刃刃口半徑和最小切削厚度的關系（續(xù)）2023/12/61）（100）晶面的摩擦系數(shù)曲線有4個波峰和波谷；（110）晶面有2個波峰和波谷；（111）晶面有3個波峰和波谷；2）（100）晶面的摩擦系數(shù)最低；（110）最高；3）（100）晶面的摩擦系數(shù)差別最大；（111）晶面最小。2.6刀具晶面選擇對切削變形和加工表面的影響一、金剛石晶體的摩擦系數(shù)2023/12/61號車刀：前、后面為（100）晶面；2號車刀：前、后面為（110）晶面。比較切削變形大小要通過觀察切屑外形，測量切屑系數(shù)和比較剪切角大小。（一）通過觀察兩把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移線痕跡等，1號車刀切下的切屑變形小于2號車刀切下的切屑變形。（二）通過實測兩把刀的切屑厚度，計算出的切屑變形系數(shù)，1號車刀切下切屑的變形系數(shù)小于2號車刀切下的切屑的變形系數(shù)。（三）剪切角的計算：假設切削過程為直角自由切削式中為變形系數(shù)，為前角。從表2-5中可以看出，1號車刀的實際剪切角大于2號車刀，即用（100）晶面的1號車刀切屑時的切屑變形小于用（110）晶面的2號車刀。二、晶面不同對切削變形的影響2.6刀具晶面選擇對切削變形和加工表面的影響2023/12/6用（100）晶面的1號車刀和（110）晶面的2號車刀，在相同的切削條件下加工紫銅，改變進給量得到的加工表面粗糙度相差不多。

這兩把車刀車出的表面都有殘余壓應力，用（100）晶面的1號車刀切出的表面層殘余壓應力小于用（110）晶面的2號車刀車出的。所以用摩擦系數(shù)小的（100）晶面作金剛石刀具的前、后面，可使切削變形減小，并可減小后面與加工表面間的摩擦，從而減小加工表面殘余應力。三、晶面不同對加工表面質量的影響2.6刀具晶面選擇對切削變形和加工表面的影響2023/12/6

通過對比實驗，（110）晶面的刀具磨損較快，切削相當時間后，加工表面的粗糙度已經(jīng)超過0.05μm；（100）晶面的刀具磨損較慢，切削較長時間后，加工表面粗糙度仍<0.05μm，即刀具耐用度明顯較高。四、晶面不同對刀具磨損的影響2.6刀具晶面選擇對切削變形和加工表面的影響2023/12/61）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實現(xiàn)超薄切削厚度。3）刀刃無缺陷，切削時刃形將復制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。4）與工件材料的抗粘性好、化學親和性小、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構一、超精密切削對刀具的要求2023/12/6硬度最高，各向異性，不同晶向的物理性能相差很大。優(yōu)質天然單晶金剛石：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、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。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構二、金剛石晶體的性能2023/12/6晶胞晶格模型晶體結構指晶體內部原子規(guī)則排列的方式。晶體結構不同，其性能往往相差很大。為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格。

2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構三、金剛石晶體的結構1、晶體結構2023/12/6晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c

組成晶格的最小幾何單元稱為晶胞，晶胞各邊的尺寸a、b、c稱為晶格常數(shù)，晶胞各邊之間的相互夾角分別以α、β、γ表示。

根據(jù)6個參數(shù)間的相互關系，可將全部空間晶格歸屬于7種類型，即7個晶系：三斜、單斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金剛石屬于六方晶系。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構2023/12/6XYZabc晶面：通過原子中心的平面，即晶體中各種方位上的原子面。晶軸：與晶面垂直的軸2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構2、晶體中的晶面和晶軸2023/12/6晶體中的晶面指數(shù):2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構

晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面上反映出來。許多性能都和晶體中的特定晶面密切聯(lián)系，為了便于研究和表述不同晶面上原子排列情況與特征，給各種晶面規(guī)定一定的符號，這種符號叫做“晶面指數(shù)”。確定晶面指數(shù)的步驟如下：

（1）設晶格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應的三個坐標軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距。

（2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)。

（3）再將這三個倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號，即為晶面指數(shù)，一般表示為（hkl）。

晶向指數(shù)2023/12/6晶面指數(shù)的例子晶面指數(shù)的意義：晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。在晶體內凡晶面間距和晶面上原子的分布完全相同，只是空間位向不同的晶面可以歸并為同一晶面族，以{hkl}表示。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構2023/12/6根據(jù)晶體學原理，金剛石屬于六方晶系，主要有三個主要的晶面（100）、（111）、（110），與（100）垂直的晶軸為4次對稱軸，與（111）垂直的晶軸為3次對稱軸，與（100）垂直的晶軸為2次對稱軸。規(guī)整的單晶金剛石晶體有八面體、十二面體和六面體，八面體、十二面體和六面體中均有3根4次對稱軸、4根3次對稱軸、6根2次對稱軸。八面體有八個（111）晶面圍成的外表面，菱形十二面體有十二個（110）晶面圍成外表面，六面立方體有六個（100）晶面圍成外表面。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構3、金剛石晶體的晶面（面網(wǎng)）和晶軸2023/12/6晶面（面網(wǎng)）（100）（110）（111）面網(wǎng)的最小單元面積原子數(shù)4x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=2面網(wǎng)密度（致密度）面網(wǎng)距D－金剛石晶體中單位晶胞的棱邊長2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構4、金剛石的晶面（面網(wǎng)）、致密度、面網(wǎng)距2023/12/6解理現(xiàn)象是某些晶體特有的現(xiàn)象，晶體受到定向的機械力作用時，沿平行于某個平面平整的劈開的現(xiàn)象。（111）面的寬的面間距（0.154nm）是金剛石晶體中所有晶面間距中的最大的一個，并且其中的連接共價鍵數(shù)最少，只需擊破一個價鍵就可使其劈開。金剛石的解理現(xiàn)象即沿解理面（111）平整的劈開兩半，且金剛石的破碎和磨損都和解理現(xiàn)象直接有關。2.7刀具的要求及金剛石的性能和晶體結構5、金剛石晶體的解理現(xiàn)象2023/12/61)A(100)晶面，磨削率有4個峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K為：5.8x10－5μm3/(Nms－1)；2)B(110)晶面，磨削率有2個峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K為：12.8x10－5μm3/(Nms－1)；3)C(111)晶面，磨削率有3個峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K為：1x10－5μm3//(Nms－1)?？梢姡荚诟吣ハ髀史较驎r，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。高磨削率方向稱為“好磨方向”，低磨削率方向稱為“難磨方向”。2.8金剛石晶體各晶面的耐磨性和好磨難磨方向一、金剛石晶體各晶面的耐磨性、好磨難磨方向2023/12/61)(110)晶面摩擦系數(shù)最大，(100)晶面次之，(111)晶面最小。2)(100)晶面有4個波峰和波谷，(110)晶面有2個波峰和波谷，(111)晶面有3個波峰和波谷。3)摩擦系數(shù)高時磨削率亦高，摩擦系數(shù)低時磨削率也低。摩擦系數(shù)曲線的波峰方向即是磨削率最高的“好磨方向”；摩擦系數(shù)曲線的波谷方向即是磨削率最低的“難磨方向”。4)根據(jù)摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向。2.8金剛石晶體各晶面的耐磨性和好磨難磨方向二、金剛石晶體研磨時摩擦系數(shù)的各向異性2023/12/6金剛石刀具的磨損，主要屬于機械磨損，本質是微觀解理的積累；金剛石晶體的破損機理，主要產生于（111）晶面的解理。當垂直于（111）面的拉力超過某特定值時，兩相鄰的（111）面分離，產生解理劈開。刀刃處的解理破損是磨損和破損的主要形式，所以刀刃的微觀強度是刀具設計選擇晶面的主要依據(jù)。由圖可看出，當作用力相同時，（110）面破損的機率最大，（100）面破損機率最小。設計金剛石刀具時，應選用微觀強度最高的（100）作為金剛石刀具的前面和后面。2.9單晶金剛石刀具的磨損破損機理2023/12/6六面體金剛石晶體是正方形，它的六個面和八個角都是相同的，具有對稱性。六面體的六個外表面及其平行面都是（100）晶面。六面體的八個角都是都是由三個相互垂直的（100）晶面所組成的。六面體中，與每兩對棱的中點連線方向垂直的是（110）晶面；與兩對應角連線相垂直的是（111）晶面。八面體八個外表面都是等邊三角形，它的八個面和六個角是相同的，具有對稱性。八面體的外表面及其平行面都是（111）晶面，通過四個對稱頂角的面是（100）晶面，通過兩個對稱頂角和兩個對稱邊中點的面是（110）晶面。棱形十二面體的十二個外表面及其平行面呈棱形，是（110）晶面，與兩個對應三個面交點連線垂直的是（111）晶面，與兩個對應四個面交點的連線垂直的是（100）晶面。2.10金剛石晶體的定向一、金剛石晶體的人工目測定向2023/12/6當一定波長的X光束穿透晶體，晶體內振動的電子將在各個方向發(fā)出散射光，該散射光在某些方向被反射增強，形成所謂的衍射光束，能在熒光屏上觀察到，并能使照片底片感光。在滿足反射的條件下，只有原子密集的晶面，如（100）（111）（110）晶面反射的X光才能觀察到衍射圖像。將金剛石放在X光束照射下，改變X光的入射角度，觀察衍射圖像的變化。當衍射圖像中的光點出現(xiàn)4次、3次或2次對稱現(xiàn)象時，X光束已經(jīng)和金剛石的4次、3次或2次對稱軸重合，確定了晶體的4次、3次或2次對稱軸的方位，同時也確定了（100）（111）或（110）晶面的空間方位。2.10金剛石晶體的定向二、金剛石晶體的X射線定向2023/12/6原理：利用金剛石在不同結晶方向上，晶體結構不同，對激光反射而形成的衍射圖像不同而進行的。2.10金剛石晶體的定向三、金剛石晶體的激光定向2023/12/6金剛石晶體的各晶面有其固定的晶紋和微觀凹坑形狀，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形狀也是固定的。衍射現(xiàn)象符合菲涅爾衍射；激光定向的優(yōu)點：1）設備價格便宜；2）操作簡便，對操作者無害；3）直觀；4）定向精度可滿足生產需要，低于X射線晶體定向，但更適宜生產使用。2.10金剛石晶體的定向三、金剛石晶體的激光定向（100）（110）（111）光像葉瓣所指方向是該晶面的好磨方向。（圖2-35）2023/12/6衡量金剛石刀具的標準：能否加工出高質量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）能否有較長的切削時間保持刀刃鋒銳（切削長度數(shù)百千米）設計的主要問題：優(yōu)選切削部分的幾何形狀；前、后面選擇最佳晶面；確定刀具結構和金剛石在刀具上的固定方法。2.11金剛石刀具的設計與制造一、金剛石刀具的設計2023/12/6金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間采用過渡刃對加工表面起修光作用。國內：多采用直線修光刃，修光刃長度一般取0.1～0.2mm國外：多采用圓弧修光刃，圓弧半徑R=0.5~3mm。金剛石刀具的主偏角，平時采用30～90度，用得較多的是45度。2.11金剛石刀具的設計與制造1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀刀頭形式2023/12/62.11金剛石刀具的設計與制造1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀前角后角副偏角主偏角刃傾角正交平面參考系2023/12/6

為增加刀刃的強度，采用較大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得較小。后角：多采用加工球面和非球面的圓弧修光刃刀具，常取前角根據(jù)加工材料，切鋁、銅合金前角取。2.11金剛石刀具的設計與制造1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀前角和后角2023/12/62.11金剛石刀具的設計與制造1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀金剛石車刀舉例11231：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm342023/12/