精密特种加工第2讲精密切削加工

精密加工与特种加工Precisionandultraprecisionmachining（超）精密加工（超）精密切削加工（超）精密磨料加工（超）精密特种加工复合加工微纳加工（超）精密加工方法第二讲（超）精密切削加工（超）精密切削加工学习提纲1、金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围?2、金刚石刀具超精密切削的切削速度应如何选择?3、试述超精密切削时积屑瘤的生成规律和它对切削过程和加工表面粗糙度的影响。4、试述各工艺参数对超精密切削表面质量的影响。5、超精密切削时如何才能使加工表面成为优质的镜面?6、超精密切削时，金刚石刀具切削刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响如何?7、超精密切削时极限最小切削厚度是多少?8、试述超精密切削用金刚石刀具的磨损和破损特点。9、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响如何?（超）精密切削加工学习提纲10、工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量的影响如何?11、脆性材料用超精密切削如何加工出优质表面?12、超精密切削对刀具有哪些要求?为什么单晶金刚石是被公认为理想的不能代替的超精密切削的刀具材料?13、单晶金刚石有哪几个主要晶面?14、比较直线修光刃和圆弧修光刃金刚石刀具的优缺点。15、试述金刚石刀具的金刚石固定方法。16、试述单晶金刚石刀具的研磨加工方法。17、单晶金刚石刀具质量的好坏如何评定?十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报超精密切削加工概述超精密切削加工机理金刚石刀具超精密切削机床超精密切削加工（金刚石车削加工）十五863子课题验收汇报（超）精密加工精密加工是指在精车、精镗、精铰、精磨的基础上，旨在获得比普通磨削更高精度（IT6~IT5或更高）和更小的表面粗糙度（Ra0.1~0.01μm）的研磨、珩磨、超级光磨和抛光等加工，从广义上讲，它还包括刮削、宽刀细刨和金刚石刀具切削等。十五863子课题验收汇报用刮刀刮除工件表面薄层的加工方法在普通精刨和精铣基础上由手工操作刮削余量为0.05~0.4mm平面刮削的直线度可达0.0lmm/m刮研十五863子课题验收汇报目前，大多数学者都将超精密加工技术分为两大类：机械超精密加工技术和非机械超精密加工技术。前者主要指金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密研磨和抛光等传统加工方法的精密化、微型化。后者主要指微细电火花加工、微细电解加工、微细超声加工、电子束加工、离子束加工、激光束加工等非传统加工的精密化、微型化。即超精密特种加工技术，而且包含了集成电路制作的一些微细加工技术。机械超精密加工技术十五863子课题验收汇报用刃口圆弧半径很小的车刀进行高速、微量切削而获得高精度的工艺方法称为（超）精密车削。当代超精密加工技术（SPDT）是美国在20世纪60年代初用单刃金刚石车刀镜面切削铝合金和无氧铜开始的。用金刚石刀具进行超精密切削，在符合要求的机床和环境条件下，可以得到超光滑表面，表面粗糙度Ra0.02~0.05μm，精度＜0.01μm。使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接切出超光滑的加工表面（镜面）。金刚石刀具超精密切削十五863子课题验收汇报金刚石超精密切削技术，包括金刚石超精密车削技术和金刚石超精密铣削（飞切）技术，是超精密加工的重要分支，也是超精密加工技术发展最早、应用最为广泛的技术之一。金刚石超精密切削技术是在超精密数控车床上，采用具有纳米级锋利度的天然单晶金刚石刀具，在对机床加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点切削加工出符合光学质量要求的光学零件。金刚石超精密切削加工技术十五863子课题验收汇报切削层非常薄，常在0.1μm以下，切削在晶粒内进行，切削力＞原子结合力（剪切应力达13000N/mm2）；刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受；高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量金刚石超精密加工技术◆机理、特点金刚石精密切削是指用金刚石车刀加工工件表面，获得尺寸精度为0.1μm数量级和表面粗糙度Ra值为0.01μm数量的超精加工表面的一种精密切削方法。◆概念十五863子课题验收汇报加工塑性材料，如有色金属（铜、铝及其合金）、金、银、无电镍等加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe晶体等加工有机玻璃和各种塑料精密车削主要用于铜、铝及其合金制件的最终加工，其它如纯金属、塑料、玻璃纤维、合成树脂及石墨等不宜采用磨削而加工要求较高的零件，也常使用精密车削。金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料最主要的精密加工方法。◆可加工的材料十五863子课题验收汇报超精密加工脆性材料时，由于材料的脆性，切削加工表层极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。随着超精密切削技术的发展，车削脆性材料获得高质量的超光滑表面已成为可能。脆性材料要实现超精密切削的关键，加工表层的材料不是脆性破碎切除，而是实现塑性切削形成。◆可加工的材料切屑类型陀螺仪、光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片、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◆应用----典型产品十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报经SPDT加工的光学元件成品示意图图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料十五863子课题验收汇报平面镜的切削平面度0.06µm表面粗糙度Rmax0.02µm十五863子课题验收汇报玻璃镜的切削十五863子课题验收汇报•超精密切削研究是从金刚石车削开始的。应用天然金刚石车刀对铝、铜和其他软金属及其合金机械切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚石精密车削加工方法。•在此基础上，又发展了金刚石精密铣削和镗削加工方法，分别用于加工平面、型面和内孔也可以得到极高的加工精度和表面质量。•除金刚石刀具材料外，还有立方氮化硼、复方氮化硅和复方陶瓷等新型超硬刀具材料，它们主要用于黑色金属的精密加工。十五863子课题验收汇报根据加工表面及加工刀具的特点，精密与超精密切削加工可分为四类：（超）精密切削加工方法切削方法切削工具精度/μm表面粗糙度Ra/μm被加工材料精密、超精密车削精密、超精密铣削精密、超精密镗削天然单晶金刚石刀具、人造聚晶金刚石刀具、CBN刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具1～0.10.05～0.008金刚石刀具，有色金属及其合金等软金属材料，其他材料刀具微孔加工硬质合金钻头、高速钢钻头10～200.2金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和滑移变形的过程，超精密切削也是金属切削的一种，它当然也服从金属切削的普遍规律。但它同时也有不少的特殊规律。在精密切削中，由于采用的是微量切削方法，一些对普通切削影响不显著的因素将成为影响精密切削过程的主要因素。因此，应对精密切削的特殊性（加工机理）进行系统研究，掌握其变化规律。由于超精密切削的切削层极薄以及金刚石刀具的特殊物理化学性能，使得超精密切削和普通切削在加工机理上并不相同。十五863子课题验收汇报实现金刚石精密切削关键问题是如何均匀、稳定地切除如此微薄的金属层。研究这些问题对提高切削加工表面质量，减少变质层和实现微应力切削等有重要意义。一般的金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成。普通切削加工的加工精度在10μm级以上，其允许的切削深度和进给量均较大，切削深度一般远大于材料的晶粒尺寸，切削加工以数十计的晶粒团为加工单位，在切应力的作用下从基体上去除金属。超精密切削的切削层很薄或尺寸微小，切削深度和进给量必然非常小，特别是亚微米和纳米级的超精密切削，切削深度通常小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，由于切深一般小于材料晶格尺寸，切削是将金属晶体一部分一部分地去除。材料微观缺陷对超精密切削的影响十五863子课题验收汇报刀具切削要克服的是晶粒内部非常大的原子结合力，刀具上的切削力急剧增大（比普通切削大得多）；在晶粒内部大约lμm左右的间隙内就有一个位错缺陷，这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，所以超精密切削是一种断续切削。由于材料存在微观缺陷以及材质分布的不均匀性，使刀具在切削时的切削力变化较大，且切削刃将受到较大的冲击和振动。材料微观缺陷对超精密切削的影响十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报材料微观缺陷分布类型或材质分布的不均匀性分为：晶格原子、分子它的破坏方式就是把原子、分子一个一个地去除。点缺陷点缺陷就是在晶体中存在的空位和填隙原子以及杂质原子。点缺陷的破坏是以原子缺陷为起点来增加晶格缺陷的破坏。位错缺陷和微裂纹位错缺陷就是晶格位移，它在晶体中呈连续的线状分布，又称线缺陷，即有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种破坏方式是通过位错线的滑移或微裂纹引起晶体内的滑移变形。晶界、空隙和裂纹它们的破坏是以缺陷面为基础的晶粒间破坏。材料微观缺陷对超精密切削的影响十五863子课题验收汇报材料微观缺陷分布模型在去除加工时，如加工应力仅仅限制在上述各种缺陷空间范围内，则只能获得与其作用区域相对应的破坏形式，并且工件材料去除的难易程度与加工应力作用范围成正比。随着材料加工单位尺寸的不同，其加工机理也会变化。材料微观缺陷对超精密切削的影响切屑的形成切屑的形成在精密切削中，采用的是微量切削法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃刃口圆弧承担，能否从被加工材料上切下切屑，主要取决于刀具刃口圆弧处被加工材料质点受力情况。切屑的形成正交切削条件下，质点i仅有两个方向的切削力，即垂直力PYi和水平力PZi，水平力使被切削材料质点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力入则将被切削材料压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的垂直力和水平力的比值。切屑的形成十五863子课题验收汇报正交切削条件下，切削刀口圆弧处任—质点i的受力情况根据材料的最大剪切应力理论，最大剪切应力应发生在与切削合力Pi成45°的方向上。此时，若切削合力的方向与切削运动方向成45°，即Pyi=Pzi，则作用在材料质点i上的最大剪应力与切削运动方向一致，该质点i处材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点i处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形。切屑的形成因此，Pzi＞Pyi时，材料质点被推向切削运动方向，形成切屑；当Pzi＜Pyi时，材料质点被压向零件本体，被加工材料表而形成挤压过程，无切屑产生。Pyi=Pzi时所对应的切入深度便是最小切入深度。正交切削条件下，切削刀口圆弧处任—质点i的受力情况切屑的形成十五863子课题验收汇报刀刃圆弧处的碾压：在刃口圆弧处，不同的切削深度，刀具的实际前角是变化的，如果△＜ρ，则实际前角变为负前角。当切削深度很小时，实际前角为较大的负值，在刀具刃口圆弧处将产生很大的挤压摩擦作用，称之为碾压效应。这时，被加工表而通常将产生残余压应力。微量切削的碾压过程刀刃圆弧处的碾压刀尖圆弧处的碾压：精密车削时，加工余量很小，切削刃的直线部分可能不参加切削，而只是圆弧部分参加切削，这时，刀尖圆弧上各点的主偏角（副偏角）是变化的，且小于名义值。在刀尖圆弧各点的切削厚度也是变化的，最小厚度为零。当切削厚度逐渐变小，切削深度达到最小切削深度时，将不会产生切削作用，仅有弹性变形和塑性变形，这时该处仅有碾压作用。微量切削的碾压过程刀尖圆弧处的碾压十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报在超精密切削过程中，在被加工表面形成过程中伴随的碾压作用占很大的比例，故被加工表面的质量在很大程度上受碾压效果的影响。微量切削的碾压过程十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报十五863子课题验收汇报在机床切削条件最佳时，采用极锋利的金刚石刀具可以实现纳米级的连续稳定的切削。能稳定切削的最小有效切削厚度（即能稳定排出切屑时的最小切削厚度）称为最小切削厚度。最小切削厚度决定切削加工中加工准确度的控制极限，最小切削厚度是反映超