超精密切削加工_论文

超精密切削加工摘要：超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削。超精密切削实际上是刀具刀尖部分与工件的相互作用,分析了金刚石刀具刀尖几何形状和切削刃的锋利度对超精密切削加工质量的影响“认为正确地选择刀尖部分几何形状和修光刃钝圆半径是获得高质量加工表面的有力保证”。本文介绍超精密切削的历史以及应用，金刚石刀具超精密切削，超精密加工机床的关键部件技术以及影响切削表面粗糙度的因素及发展趋势等方面。关键词：超精密;金刚石;切削;刀具Abstract:Theultraprecisioncuttingwithhighprecisionmachinetoolismainlysinglecrystalofdiamondtoolsandmachining.Sogenerallycalleddiamondcutting.Theultraprecisioncuttingtooltipisactuallypartofthemutualfunction,analyzedthediamondtooltipgeometryshapeandthecuttingedgeoftheultraprecisionmachiningsharpnesstheinfluenceonthequalityofthinkcorrectchoiceofthetipofthegeometricshapeandlightbladeobtuseradiusisgethighqualityprocessingsurfaceisapowerfulguarantee.Thispaperintroducestheultraprecisioncuttingthehistoryandapplicationsof,thediamondtoolsuperprecisioncutting,theultraprecisionmachinetoolskeycomponentsofthetechnologyaswellastheinfluencefactorsofcuttingsurfaceroughnessanddevelopmenttrendsetc.Keywords:theultraprecision;diamond;cutting;tool0引言超精密加工技术是适应现代高科技的需要而发展起来的先进制造技术,是高科技尖端产品开发中不可或缺的关键技术,是一个国家制造业水平重要标志,是先进制造技术基础和关键,是新技术的生长点,也是装备现代化不可缺少的关键技术之一,在军用和民用工业中有着十分广阔的应用前景。金刚石超精密切削技术,是超精密加工技术发展最早的、应用最为广泛的技术之一。实现超精密切削加工主要应满足三个条件,即超高精度的机床,超稳定的加工条件和超精密级的刀具。1.超精密切削加工简介1.1超精密切削的历史60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等，各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。1.2.精密、超精密加工的范畴精密加工和超精密加工是一个相对的概念，是随着加工技术的进步不断变化的。目前，一般认为精密加工是指加工精度为1～0.1μm，表面粗糙度为Ra小于0.1～0.01μm的加工技术；超精密加工是指加工精度高于0．1μm，表面粗糙度Ra小于0．025μm的加工技术。当前，超精密加工的水平已达到了纳米级，形成了纳米加工技术。2金刚石刀具超精密切削2.1金刚石刀具切削的机理超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的，故一般称为金刚石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning)。金刚石刀具的超精密切削加工虽有很多优点，但要使金刚石刀具超精密切削达到预期的效果，并不是很简单的事，许多因素都对它有影响。2.2金刚石刀具特点金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。超精切削刀具材料有天然金刚石，人造单晶金刚石。金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损——机械摩擦、非常微小；破损——本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量（具体视加工材料而定）。金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用（不能有振动）。2.3金刚石刀具切削的优点（1）平面镜的表面粗糙度可达Ry5µm，曲面镜的表面粗糙度可达Ry10µm，形状精度可达30µm，而且没有塌边现象。（2）用SPDT加工的表面对光线的反射率很高，例如对波长λ为10.6µm的激光，经SPDT切削加工的去氧铜表面的反射率为99～99.4%。在去氧铜表面镀金、银、铜层，经SPDT切削加工后．表面的反射率为96.7～99.3%。（3）经SPDT加工的表面，对激光具有很高的耐热损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终精加工的最好方法。（4）金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要高1－2个量级。（5）从成本上看，用去氧铜经SPDT进行加工的光学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。（6）在SPDT加工过程中可采用数控进行批量生产，这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效益相比，成本还是低的。2.4刀尖几何形状对加工质量的影响常用天然金刚石刀具的刀尖几何形状有尖刃多棱刃、直线切削刃及曲线切削刃(主要是圆弧切削刃)等几种是用于超精密切削的几种不同金刚石刀具刀尖部分的几何形状。一般不用在超精密切削时直线切削刃就是直线修光刃,圆弧切削刃就是圆弧修光刃在这几种不同刀尖几何形状的金刚石刀具中,尖刃刀具、多棱刃刀具难以加工出超精密表面;圆弧切削刃刀具虽然加工残留面积较小,但刃磨困难(目前,除哈尔滨工业大学外,我国圆弧切削刃金刚石刀具刃磨技术的总体水平都不高)，而在精确安装的前提下,直线切削刃刀具的加工残留面积最小,加工表面质量最高。直线切削刃比圆弧切削刃的切削阻力小,易于进行尺寸精度及表面粗糙度控制,并且制造容易、研磨方便,其用于高品质!高精度加工方面的优势是其它切削刃难以替代的，其不足之处是安装调整比较困难。直线切削刃不能太长(一般取0.05~0.20mm),否则会增加径向切削力,且切削刃和工件表面过多。的摩擦会使加工表面粗糙度值增大,并且加速刀具磨损。由于普通直线切削刃刀具在安装调整时较为费事,其安装关键就是调整切削刃与进给方向的夹角,要求直线切削刃应严格与进给方向一致。因此,为了安装调整方便,可将直线切削刃做成如下形式:直线切削刃的两边带有圆弧角,安装时只需将直线切削刃调整到与进给方向大致平行即可。用这种刀具可以进行零切削,易于获得优良的超精密表面质量。所示刀具直线切削刃部分由三个前刀面构成(也就是直线切削刃不在一条直线上),使前端直线切削刃的两边形成零点几毫米长的切削刃。该两小段切削刃相对前端直线切削刃形成一个微小角度,这两小段切削刃在切削过程中除具有切削作用外还具有挤压作用。2.5圆弧切削刃圆弧切削刃金刚石刀具对刀容易,使用方便,但刀具制造、研磨困难,价格较高。国外金刚石刀具较多地采用圆弧切削刃,推荐的切削刃刀尖圆弧半径为Re=0.5~3mm或更小。超精密切削时进给量甚小,一般情况下进给量f0.02mm/r。在切削深度相同的条件下,随着刀尖圆弧半径的减小,工件的表面粗糙度增大,这是因为圆弧切削刃加工时留下的残留面积随着刀尖圆弧半径的变化而变化:当刀尖圆弧半径减小时切削刃变得越来越小,工件上切削的残留面积就越来越大。根据粗糙度理论计算公式,Ra=f²／8rε式中Ra---理论粗糙度f---进给量rε---刀尖圆弧半径由上式可知,刀尖圆弧半径越小,工件的粗糙度值越大所以从加工表面的粗糙度方面考虑,应该选择尽可能大的刀尖圆弧半径。但随着刀尖圆弧半径的继续增大,刀具将变得越来越钝,对工件产生很大的挤压力和摩擦力同时,由于工件安装等情况的影响,在工件不同位置会产生不同的变形,使得切削层不再均匀,造成工件平面度降低。因此刀尖圆弧半径的选择要兼顾加工表面粗糙度和平面度。3超精密加工机床的关键部件技术3.1主轴系统超精密加工机床的主轴在加工过程中直接支持工件或刀具的运动，故主轴的回转精度直接影响到工件的加工精度。因此可以说主轴是超精密加工机床中最重要的一个部件，通过机床主轴的精度和特性可以评价机床本身的精度。目前研制开发的超精密加工机床的主轴中精度最高的是静压空气轴承主轴(磁悬浮轴承主轴也越来越受到人们的重视，其精度在迅速得到提高)。空气轴承主轴具有良好的振摆回转精度。主轴振摆回转精度是除去轴的圆度误差和加工粗糙度影响之外的轴心线振摆，即非重复径向振摆，属于静态精度。目前高精度空气轴承主轴回转精度可达0.05μm，最高可达0.03μm，由于轴承中支承回转轴的压力膜的均化作用，空气轴承主轴能够得到高于轴承零件本身的精度。例如主轴的回转精度大约可以达到轴和轴套等轴承部件圆度的1/15～1/20。日本学者研究表明，当轴和轴套的圆度达到0.15～0.2μm的精度时，可以得到10nm的回转精度，并通过FFT测定其所制造的精度最高的空气轴承主轴的回转精度为8nm。HCM-Ⅰ超精密加工机床的密玉石空气轴承主轴的圆度误差≤0.1μm。表1国内外典型超精密车床性能指标汇总型号(生产厂家)HCM-Ⅰ(中国哈工大)M-18AG(莫尔特殊机床,美国)UltraprecisionCNCmachine(东芝,日本)UltraprecisionLathe(IPT，德国)主轴径向跳动(μm)≤0.075≤0.05(500r/min)≤0.048轴向跳动(μm)≤0.05≤0.05(500r/min)径向刚度(N/μm)220100轴向刚度(N/μm)160200导轨Z向(主轴)直线度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/230mm0.044μm/80mmX向(刀架)直线度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/410mm0.044μm/80mmX、Z向垂直度()≤11重复定位精度(μm)1(全程)0.5(25.4mm)加工工件精度形面精度(μm)圆度：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位置反馈系统分辨率252.510(μm)温控精度(℃)≤0.004±0.006±0.1隔振系统固有频率(Hz)≤22加工范围(mm)320356650×250另外，空气轴承主轴还具有动特性良好、精度寿命长、不产生振动、刚性/载荷量具有与使用条件相称的值等优点。但是在主轴刚度、发热量与维护等方面需要做细致的工作。要做到纳米级回转精度的空气轴承主轴，除空气轴承的轴及轴套的形状精度达到0.15～0.2μm，再通过空气膜的均化作用来实现外，还需要保持供气孔流出气体的均匀性。供气孔数量、分布精度、对轴心的倾角、轴承的凸凹、圆柱度、表面粗糙度等的不同，均会影响轴承面空气流动的均匀性。而气流的不均匀是产生微小振动的直接原因，从而影响回转精度。要改善供气系统的状况，轴承材料宜选用多孔质材料。这是因为多孔质轴承是通过无数小孔供气的，能够改善压力分布，在提高承载能力的同时，改善空气流动的均匀性。多孔质材料的均匀性是很重要的。因为多孔质供气轴承材料内部的空洞会形成气腔，如不加以控制会引起气锤振动，为此必须对表面进行堵塞加工。3.2直线导轨作为刀具和工件相对定位机构的直线导轨，是仅次于主轴的重要部件。对超精密加工机床的直线