201404-现代加工技术+第二章切削加工及刀具-先进切削-精密切削、振动切削加工

《现代加工技术》现代设计与集成制造技术教育部重点实验室第二章切削加工及刀具2.1切削机理2.2先进切削2.2.1高速切削加工2.2.2精密与超精密切削2.2.3振动切削加工2.2.4加热与低温切削现代设计与集成制造技术教育部重点实验室2.2.2精密与超精密切削现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削1）概述2）精密切削加工的工艺规律和机理3）精密切削加工的机床及应用现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削概述精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，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：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削概述精密加工的加工范畴按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.1～0.02µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.01µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工等）。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削概述精密加工的关键技术1.精密加工机床：主轴回转精度、工作台直线运动精度以及刀具微量进给精度2.金刚石刀具：金刚石晶面选择、刀具刃口锋利性（刀具刃口圆弧半径）3.精密切削机理：微量切削过程的特殊性4.稳定的加工环境：恒温、防振和空气净化5.误差补偿：根据规律设定补偿，反馈控制系统6.精密测量技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000～2000m/min，而刀具的磨损甚小。超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理1、微量切削条件极限切深：∆=rn-h=rn（1-cos）=45º--为刀具与工件间的摩擦角刃口圆弧处任一质点i的受力情况∆为熨压层现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理2、微量切削的碾压过程刃口圆弧切屑分离点之下被碾压实际只有部分圆弧刃参与切削刀尖圆弧附近实际切深很小，碾压比重大现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理3、超精密切削加工中刀具刃口锋利程度对切削能力的影响rc—某一较小切深下，刃口的临界钝圆半径rn—刃口的钝圆半径（能切削）（不能切削）现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理4、超精密切削表面粗糙度副偏角对表面粗糙度的影响进给量对表面粗糙度的影响现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理总结：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理5、切削参数对积屑瘤生成的影响1）切削速度的影响2020/2/26不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理5、切削参数对积屑瘤生成的影响2）进给量f和背吃刀量ap的影响由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f＝5μm/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。由图2-9所示，在背吃刀量25μm时，积屑瘤的高度变化不大，但在背吃刀量25μm后，h0值将随着背吃刀量的增加而增加。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响1）对切削力的影响积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响1）对切削力的影响1）积屑瘤前端R大约2~3μm,实际切削力由刃口半径R起作用，切削力明显增加。2）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。3）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加hD-hDu，切削力增加。实际切削厚度现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响2）对加工表面粗糙度的影响积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石超精密切削属微量切削，其机理与普通切削差别较大普通切削精度在1µm，切削深度远大于材料晶格尺寸，主要是材料晶格位错滑移实现材料去除。超精密切削精度在0.01µm，刀具需克服的是晶格内部非常大的原子结合力，刀具上的切应力急剧增大，刀刃需能够承受该切应力。微量切削最主要的问题是刀具的锋利程度。目前只有金刚石刀具能满足超精密加工的要求。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石1）PCD（聚晶金刚石）•切削非铁类金属：铝和铝合金，锰合金，铜，黄铜，青铜，锌，碳化钨等。•切削非金属类材料：木制材料、陶瓷，纤维玻璃，碳纤维元件，塑料等。•做成PCD刀片：用于上述材料的精密加工。刃口材质不均，不能用于超精加工。粘结相制片高温高压小颗粒混合烧结制成刀片现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石1）PCD（聚晶金刚石）PCD刀片的前刀面与刀刃现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石2）CVD金刚石•CVD金刚石是使用化学气相沉积法制造的金刚石，是以多晶片形式制造的。•CVD金刚石的许多性质与天然金刚石相同。•制成多晶刀片：CVD金刚石（是多晶）没有单晶方向，无粘结相。刃口材质均匀，可以用于超精加工。低压CVD成膜多晶片割成刀片现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石3）单晶金刚石它在严格控制的成晶条件下，经高温高压处理后制成。合成单晶金刚石的物理结构与天然单晶金刚石的物理结构完全相同，为面对中心的立方体结构。在金刚石中，每一个碳原子都通过共价键连接到四个其他碳原子，没有自由电子，因此合成金刚石通常不导电。对于合成金刚石，一个或多个碳原子可能被氮原子替换（或替代），从而使金刚石呈现黄色。可制成单晶刀片：按一定晶向刃磨，刃口极为锋利。特别适于作超精加工刀具，但价格仍极为昂贵。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石3）单晶金刚石单晶金刚石刀具现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石4）天然金刚石金刚石是已知硬度最大的材料。在所有材料中，它的室温下的导热性最高。其若干机械性质，比如体积弹性模量和临界断裂张应力等，也是已知材料中最高的。它的摩擦系数极低，并且是一种优异的电绝缘体，不会发生腐蚀。天然金刚石刀具：按晶向能磨出最为锋利的刃口，达nm米级刃口半径。平刃性极高，刃口无缺陷，能得到超光滑的镜面。虽然价格昂贵，但仍被认为是理想的、不可替代的超精密切削刀具材料。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石4）天然金刚石天然金刚石刀片的前刀面与圆弧刀刃现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石金刚石晶面现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石4）天然金刚石——刀具刃磨应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（111）不适合作前后面。解理面：最容易劈裂的镜面，一般为111晶面。受力不可与此面平行。定向刃磨的必要性：100晶面与110晶面作后刀面相比，磨损相差6倍。前刀面产生破损的概率，因取向不同而相差103倍。推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面：1)（100）晶面的耐磨性高于（110）晶面；2)（100）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，（100）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多；3)（100）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（110）晶面的摩擦系数。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石4）天然金刚石——刀具刃磨磨具：回转的铸铁研磨盘。晶体定向：确定金刚石的镜面和晶向。可用于铜、铝及其合金等软金属零件的精密加工。这些材料不易磨削。铝合金硬盘基板金刚石车削Ra0.003m，平面度可达0.2m。金刚石超精切削：很高的主轴回转精度，导轨运动精度，精细走刀的平稳性，环境恒温、净化和隔振等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密与超精密切削加工机理6、超精密切削刀具——金刚石5）金刚石刀具的固定方法对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。在小刀头上的固定方法有：机械夹固粉末冶金法固定粘结或钎焊固定一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密切削加工的机床及应用发展概况精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密切削加工的机床及应用典型机床简介UnionCarbide公司的半球机床能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密切削加工的机床及应用典型机床简介Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室精密切削加工的机床及应用典型机床简介Pneumo公司的MSG-325超精密车床采用T形布局，机床空气主轴的径向