精密及超精密加工_第二章

1、Precision and ultraprecision machining 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Ra0.020.005m，加工精度 時(shí)，被切材料和刀刃刃口圓弧無(wú)相對(duì)滑移，才能形成切削被切除，即)(NNsincos)(yxFFN A點(diǎn)為極限臨界點(diǎn)，極限最小切削厚度 應(yīng)為minDh 當(dāng)?shù)度腥锌诎霃?為某值時(shí)，切下的最小切削厚度 和臨界點(diǎn)處的 比值有關(guān)，并和刀具工件材料之間的摩擦系數(shù)有關(guān)。 minDhxyFF超精密切削時(shí)的最小切削厚度222222min111)1)(1tan111)cos1 (xyxyyxxyDFFFF

2、FFFFh 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，A點(diǎn)處的 比值一般在0.81范圍內(nèi)，對(duì)于金剛石刀具進(jìn)行超精密切削，取 。 使用極鋒銳的刀具和機(jī)床條件最佳的情況下，金剛石刀具的超精密切削，可實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米（nm）級(jí)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34nm。用高速鋼和硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，達(dá)到的最小切削厚度值為：xyFFxyFF9 . 0nmhD1min超精密切削時(shí)的最小切削厚度1）（100）晶面的摩擦系數(shù)曲線有4個(gè)波峰和波谷；（110）晶面有2個(gè)波峰和波谷；（111）晶面有3個(gè)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；（1

3、11）晶面最小。2.6 刀具晶面選擇對(duì)切削變形和加工表面的影響1號(hào)車(chē)刀：前、后面為（100）晶面；2號(hào)車(chē)刀：前、后面為（110）晶面。比較切削變形大小要通過(guò)觀察切屑外形，測(cè)量切屑系數(shù)和比較剪切角大小。（一）通過(guò)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(hào)車(chē)刀切下的切屑變形小于2號(hào)車(chē)刀切下的切屑變形。（二）通過(guò)實(shí)測(cè)兩把刀的切屑厚度，計(jì)算出的切屑變形系數(shù)，1號(hào)車(chē)刀切下切屑的變形系數(shù)小于2號(hào)車(chē)刀切下的切屑的變形系數(shù)。（三）剪切角 的計(jì)算：假設(shè)切削過(guò)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(hào)車(chē)刀的實(shí)際剪切角大于2號(hào)車(chē)刀，即用（100）晶面的1號(hào)車(chē)刀切屑時(shí)的切屑

4、變形小于用（110）晶面的2號(hào)車(chē)刀。00sincostanhh02.6 刀具晶面選擇對(duì)切削變形和加工表面的影響用（100）晶面的1號(hào)車(chē)刀和（110）晶面的2號(hào)車(chē)刀，在相同的切削條件下加工紫銅，改變進(jìn)給量得到的加工表面粗糙度相差不多。 這兩把車(chē)刀車(chē)出的表面都有殘余壓應(yīng)力，用（100）晶面的1號(hào)車(chē)刀切出的表面層殘余壓應(yīng)力小于用（110）晶面的2號(hào)車(chē)刀車(chē)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(yīng)力。2.6 刀具晶面選擇對(duì)切削變形和加工表面的影響 通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，（110）晶面的刀具磨損較快，切削相當(dāng)時(shí)間后，加工

5、表面的粗糙度已經(jīng)超過(guò)0.05m；（100）晶面的刀具磨損較慢，切削較長(zhǎng)時(shí)間后，加工表面粗糙度仍0.05m，即刀具耐用度明顯較高。2.6 刀具晶面選擇對(duì)切削變形和加工表面的影響2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)晶胞晶胞晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。 晶體結(jié)構(gòu)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(diǎn)，并用許多假想的直線連接起來(lái)，這樣得到的三維空間幾何格架稱(chēng)為晶格。 2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)1 1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c 組成晶格的最小

6、幾何單元稱(chēng)為組成晶格的最小幾何單元稱(chēng)為晶胞，晶胞各邊的尺寸晶胞，晶胞各邊的尺寸a a、b b、c c稱(chēng)稱(chēng)為晶格常數(shù)，晶胞各邊之間的相為晶格常數(shù)，晶胞各邊之間的相互夾角分別以互夾角分別以、表示表示 。根據(jù)根據(jù)6 6個(gè)參數(shù)間的相互關(guān)系，可個(gè)參數(shù)間的相互關(guān)系，可將全部空間晶格歸屬于將全部空間晶格歸屬于7 7種類(lèi)型，種類(lèi)型，即即7 7個(gè)晶系：三斜、單斜、正交、個(gè)晶系：三斜、單斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金剛六方、菱方、四方、立方；金剛石屬于六方晶系。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(jié)構(gòu)XYZabc晶面：通過(guò)原子中心的平面，即晶面：通過(guò)原子中心的平面，即晶體中各種方位上的原晶

7、體中各種方位上的原子面。子面。晶軸：與晶面垂直的軸晶軸：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(jié)構(gòu)2 2、晶體中的晶面和晶軸、晶體中的晶面和晶軸2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面上反映出來(lái)。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(hào)，這種符號(hào)叫做“晶面指數(shù)” 。 確定晶面指數(shù)的步驟如下： （1）設(shè)晶格中某一原子為原點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距。 （

8、2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)。 （3）再將這三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)，即為晶面指數(shù)，一般表示為（hkl）。 晶向指數(shù)晶面指數(shù)的例子晶面指數(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(nèi)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h k l表示。2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)晶體學(xué)原理，金剛石屬于六方晶系，主要有三個(gè)主要的晶面（100）、（111）、（110），與（100）垂直的晶軸為4次對(duì)稱(chēng)軸，與（111）垂直的晶軸為3次對(duì)稱(chēng)軸，與（100）垂直的晶軸為2次對(duì)稱(chēng)軸。規(guī)整的單

9、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(duì)稱(chēng)軸、4根3次對(duì)稱(chēng)軸、6根2次對(duì)稱(chēng)軸。八面體有八個(gè)（111）晶面圍成的外表面，菱形十二面體有十二個(gè)（110）晶面圍成外表面，六面立方體有六個(gè)（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(jié)構(gòu)3 3、金剛石晶體的晶面（面網(wǎng)）和晶軸、金剛石晶體的晶面（面網(wǎng)）和晶軸2D22D2/32D2/2 D22/4D223/ 4) 2/3/(2DDD金剛石晶體中單位晶胞的棱邊長(zhǎng)2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)4 4、金剛石的晶面（面網(wǎng)）、致密度、面網(wǎng)距、金剛石的晶面（面網(wǎng)）、致密度、面網(wǎng)距解理現(xiàn)象是某些晶

10、體特有的現(xiàn)象，晶體受到定向的機(jī)械力作用時(shí)，沿平行于某個(gè)平面平整的劈開(kāi)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(gè)，并且其中的連接共價(jià)鍵數(shù)最少，只需擊破一個(gè)價(jià)鍵就可使其劈開(kāi)。金剛石的解理現(xiàn)象即沿解理面（111）平整的劈開(kāi)兩半，且金剛石的破碎和磨損都和解理現(xiàn)象直接有關(guān)。2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)5 5、金剛石晶體的解理現(xiàn)象、金剛石晶體的解理現(xiàn)象1) A(100)晶面，磨削率有4個(gè)峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K為：5.8x105m3/(Nms1)；2) B(110)晶面，磨削率有2個(gè)峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K為：

11、12.8x105m3/(Nms1)；3) C(111)晶面，磨削率有3個(gè)峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K為： 1x105m3/ /(Nms1)?？梢?jiàn)，都在高磨削率方向時(shí)，(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(chēng)為“好磨方向”，低磨削率方向稱(chēng)為“難磨方向”。由圖可看出，當(dāng)作用力相同時(shí)，（110）面破損的機(jī)率最大，（100）面破損機(jī)率最小。設(shè)計(jì)金剛石刀具時(shí)，應(yīng)選用微觀強(qiáng)度最高的（100）作為金剛石刀具的前面和后面。衍射現(xiàn)象符合菲涅爾衍射；激光定向的優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)備價(jià)格便宜；2）操作簡(jiǎn)便，對(duì)操作者無(wú)害；3）直觀；4）定向精度可滿足生產(chǎn)需要，低于

12、X射線晶體定向，但更適宜生產(chǎn)使用。（100）（110）（111）光像葉瓣所指方向是該晶面的好磨方向。（圖2-35）金剛石刀具的主切削刃和副切削刃之間采用過(guò)渡刃對(duì)加工表面起修光作用。國(guó)內(nèi)：多采用直線修光刃，修光刃長(zhǎng)度一般取0.10.2mm國(guó)外：多采用圓弧修光刃，圓弧半徑R=0.53mm。金剛石刀具的主偏角，平時(shí)采用3090度，用得較多的是45度。1 1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀、金剛石刀具切削部分的幾何形狀刀頭形式刀頭形式1 1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀、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正交平面參考系0085p0065010p00501 1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀、金剛石刀具切削部分的幾何形狀前角和后角前角和后角1 1、金剛石刀具切削部分的幾何形狀、金剛石刀