超精密切削加工

1、1 第3章 超精密切削加工 超精密切削加工主要是用高精度的機(jī)床和單晶金超精密切削加工主要是用高精度的機(jī)床和單晶金 剛石刀具進(jìn)行的加工。故一般稱為金剛石刀具切削剛石刀具進(jìn)行的加工。故一般稱為金剛石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT)。 2 3.1 超精密切削的歷史超精密切削的歷史 n60年代初，由于宇航用的陀螺，計(jì)算機(jī)用的磁年代初，由于宇航用的陀螺，計(jì)算機(jī)用的磁 鼓、磁盤，光學(xué)掃描用的多面棱鏡，大功率激鼓、磁盤，光學(xué)掃描用的多面棱鏡，大功率激 光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各 種復(fù)雜形狀的紅外光用的立體

2、鏡等等各種反射種復(fù)雜形狀的紅外光用的立體鏡等等各種反射 鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、 拋光等方法進(jìn)行加工，不但加工成本很高，而拋光等方法進(jìn)行加工，不但加工成本很高，而 且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此，且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此， 研究、開發(fā)了使用高精度、高剛度的機(jī)床和金研究、開發(fā)了使用高精度、高剛度的機(jī)床和金 剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法加工。剛石刀具進(jìn)行切削加工的方法加工。 3 經(jīng)經(jīng)SPDT加工的光學(xué)元件成品示意圖加工的光學(xué)元件成品示意圖 n圖中所示的各種形狀的零件是去氧銅或鋁合金材料，圖中所示的各種形狀的零件是去氧銅

3、或鋁合金材料， 4 3. 2 超精密切削加工的應(yīng)用超精密切削加工的應(yīng)用 n平面鏡的切削平面鏡的切削 5 （1）平面鏡的切削 n平面度平面度0.06 m n表面粗糙表面粗糙度度 Rmax0.02 m 6 玻璃鏡的切削 7 測(cè)量結(jié)果 8 （2）多面鏡的切削）多面鏡的切削 n激光印刷機(jī)、復(fù)激光印刷機(jī)、復(fù) 印機(jī)。印機(jī)。 n面分度精度面分度精度7.5 n面傾斜精度面傾斜精度3.6“ n平面度平面度0.07 m n表面粗糙度表面粗糙度 Rmax0.02 m 9 （3）球面鏡的切削）球面鏡的切削 10 （4）球面鏡的切削）球面鏡的切削 11 （5）其它零件的切削 12 3.3 金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)（金剛石刀

4、具切削的優(yōu)點(diǎn)（1） n平面鏡的表面粗糙度可達(dá)平面鏡的表面粗糙度可達(dá)Ry5m，曲面鏡的，曲面鏡的 表面粗糙度可達(dá)表面粗糙度可達(dá)Ry10m，形狀精度可達(dá)，形狀精度可達(dá) 30m，而且沒有塌邊現(xiàn)象。，而且沒有塌邊現(xiàn)象。 n用用SPDT加工的表面對(duì)光線的反射率很高，例加工的表面對(duì)光線的反射率很高，例 如對(duì)波長(zhǎng)如對(duì)波長(zhǎng)為為10.6m的激光，經(jīng)的激光，經(jīng)SPDT切削加切削加 工的去氧銅表面的反射率為工的去氧銅表面的反射率為9999.4%。在去。在去 氧銅表面鍍金、銀、銅層，經(jīng)氧銅表面鍍金、銀、銅層，經(jīng)SPDT切削加工切削加工 后表面的反射率為后表面的反射率為96.799.3%。 n經(jīng)經(jīng)SPDT加工的表面，對(duì)

5、激光具有很高的耐熱加工的表面，對(duì)激光具有很高的耐熱 損傷性能，故它是大功率激光用的反射鏡終損傷性能，故它是大功率激光用的反射鏡終 精加工的最好方法。精加工的最好方法。 13 3.3 金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)（金剛石刀具切削的優(yōu)點(diǎn)（2） 14 3.4 影響金剛石刀具切削加工的因素影響金剛石刀具切削加工的因素 15 3.5 超精磨切削的刀具超精磨切削的刀具 3.5.1 超精密切削對(duì)刀具的要求超精密切削對(duì)刀具的要求 刀具刃口鋒銳度刀具刃口鋒銳度 能磨得極其鋒銳，刃口圓弧半徑能磨得極其鋒銳，刃口圓弧半徑極小，能實(shí)現(xiàn)超極小，能實(shí)現(xiàn)超 薄切削厚度，減小切削表面彈性恢復(fù)和表面變質(zhì)層。薄切削厚度，減小切削表面彈性

6、恢復(fù)和表面變質(zhì)層。 與切削刃的加工方位有關(guān)，普通刀具與切削刃的加工方位有關(guān)，普通刀具530m，金，金 剛石刀具剛石刀具10nm； 從物理學(xué)的觀點(diǎn)，刃口半徑從物理學(xué)的觀點(diǎn)，刃口半徑有一極限。有一極限。 16 最小圓弧半徑計(jì)算最小圓弧半徑計(jì)算 nr表面能表面能 nEf楊氏模量楊氏模量 n材料強(qiáng)度極限材料強(qiáng)度極限 Ef/10 2 4 c f c rE f co E r 2 104 17 最小圓弧半徑計(jì)算值最小圓弧半徑計(jì)算值 18 3.5.1 超精密切削對(duì)刀具的要求超精密切削對(duì)刀具的要求 切削刃的粗糙度。切削時(shí)切削刃的粗糙度將決切削刃的粗糙度。切削時(shí)切削刃的粗糙度將決 定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗

7、糙度定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度 Ry0.35 m，金剛石刀具刀刃的粗糙度，金剛石刀具刀刃的粗糙度 Ry0.10.2 m，特殊情況，特殊情況Ry1nm，很難。，很難。 3) 極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量， 保證長(zhǎng)的刀具壽命。保證長(zhǎng)的刀具壽命。 4) 刀刃無缺陷，足夠的強(qiáng)度，耐崩刃性能。刀刃無缺陷，足夠的強(qiáng)度，耐崩刃性能。 5) 化學(xué)親和性小、與工件材料的抗粘結(jié)性好、化學(xué)親和性小、與工件材料的抗粘結(jié)性好、 摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。 19 3.5.2 金剛石刀具對(duì)超精密切削的適應(yīng)性

8、金剛石刀具對(duì)超精密切削的適應(yīng)性 （1）金剛石刀具的性能特點(diǎn)）金剛石刀具的性能特點(diǎn) n硬度極高。自然界最硬的材料，比硬質(zhì)合金的硬度高硬度極高。自然界最硬的材料，比硬質(zhì)合金的硬度高 56倍。倍。 n摩擦系數(shù)低。除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力小。摩擦系數(shù)低。除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力小。 n能磨出極鋒銳的刀刃。最小刃口半徑能磨出極鋒銳的刀刃。最小刃口半徑15nm。 n耐磨性好。比硬質(zhì)合金高耐磨性好。比硬質(zhì)合金高50100倍。倍。 n導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，刀具熱變形小。導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，刀具熱變形小。 n不適宜切黑色金屬。不適宜切黑色金屬。 n很脆，避免振動(dòng)。很脆，避免振動(dòng)。 n價(jià)

9、格昂貴，刃磨困難。價(jià)格昂貴，刃磨困難。 天然單晶金剛石被一致公認(rèn)為理想的、不能代替的超精天然單晶金剛石被一致公認(rèn)為理想的、不能代替的超精 密切削刀具密切削刀具。 20 不同刀具材料硬度 21 （2）金剛石刀具刃口的鋒銳性 n物理學(xué)計(jì)算值：最小極限圓弧半徑物理學(xué)計(jì)算值：最小極限圓弧半徑 2nm； n目前沒有可靠的測(cè)量方法，究竟最小可達(dá)到什目前沒有可靠的測(cè)量方法，究竟最小可達(dá)到什 么程度還沒有定論；么程度還沒有定論； n試驗(yàn)推斷目前試驗(yàn)推斷目前10nm； n一般情況下，經(jīng)過精密研磨成形的金剛石刀具一般情況下，經(jīng)過精密研磨成形的金剛石刀具 刃口半徑刃口半徑 0.20.5 m。特殊精心研磨可達(dá)。特殊精

10、心研磨可達(dá) 到到 0.1 m。 22 刀具刃口最小半徑觀測(cè)刀具刃口最小半徑觀測(cè) n通過掃描電鏡對(duì)刀具刃口的觀察和對(duì)最小切屑厚度的通過掃描電鏡對(duì)刀具刃口的觀察和對(duì)最小切屑厚度的 測(cè)量，推斷目前刃口半徑最小可測(cè)量，推斷目前刃口半徑最小可 N時(shí)，被切削材料和刀具時(shí)，被切削材料和刀具 刃口圓弧無相對(duì)滑移，將隨刀具前進(jìn)，形成堆積，最刃口圓弧無相對(duì)滑移，將隨刀具前進(jìn)，形成堆積，最 后形成切屑而被去除，故后形成切屑而被去除，故 sincos)(FyFxN 39 最小切削厚度最小切削厚度hDmin的計(jì)算的計(jì)算 Fx/Fy與工件材料的強(qiáng)度、延伸率和摩擦系數(shù)有關(guān)，與工件材料的強(qiáng)度、延伸率和摩擦系數(shù)有關(guān)， 并和臨界

11、點(diǎn)并和臨界點(diǎn)A的位置有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般的位置有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般Fx/Fy 0.81，金剛石刀具，金剛石刀具Fy=0.9Fx。切削過程中取金。切削過程中取金 剛石和鋁合金的摩擦系數(shù)剛石和鋁合金的摩擦系數(shù)0.120.26，則：，則： hDmin （0.3220.249） )1)( 1 tan1 1 1)cos1 ( 222 min 2 min FyFx FyFx h h D D 40 3.7.3 切削表面的形成 n切削表面基本切削表面基本 上是由刀具的上是由刀具的 擠光作用而形擠光作用而形 成。切削表面成。切削表面 的輪廓是在垂的輪廓是在垂 直切削方向的直切削方向的 平面內(nèi)刀具輪平面內(nèi)刀具輪 廓的復(fù)映。即廓的復(fù)映。即 由切削深度和由切削深度和 進(jìn)給量綜合而進(jìn)給量綜合而 成。成。 切削表面形成的模型切削表面形成的模型 41 影響切削表面粗糙度的因素影響切削表面粗糙度的因素 （1）切削刃的粗糙度的影響切削刃的粗糙度的影響 42 （2）切削刃的復(fù)映性的影響）切削刃的復(fù)映性的影響 43 （3）鱗刺與加工變質(zhì)層的影響鱗刺與加工變質(zhì)層的影響 44 3.7.4 超精密切削的切屑形成超精密切削的切屑形成 （1）切削深度與切屑形成）