第2章超精密切削與金剛石刀具

1、 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0.01m)。用于加工：陀螺儀、激光反射鏡、天文望遠(yuǎn)鏡的反射鏡、紅外反射鏡和紅外透鏡、雷達(dá)的波導(dǎo)管內(nèi)腔、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、激光打印機(jī)的多面棱鏡、錄像機(jī)的磁頭、復(fù)印機(jī)的硒鼓、菲尼爾透鏡等。 超精密切削也是金屬切削的一種，當(dāng)然也服從金屬切削的普遍規(guī)律。 金剛石刀具的超精密加工技術(shù)主要應(yīng)用于單件大型超精密零件的切削加工和大量生產(chǎn)中的中小型超精密零件加工。 2.1超精密切削時(shí)刀具的切削速度、磨損和耐用度 2.2超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律 2.3切削參數(shù)變化對(duì)加工表面質(zhì)量的

2、影響 2.4刀刃鋒銳度對(duì)切削變形和加工表面質(zhì)量 的影響 2.5超精密切削時(shí)的最小切削厚度 2.6金剛石刀具晶面選擇對(duì)切削變形和加工 表面質(zhì)量的影響 2.7超精密切削對(duì)刀具的要求及金剛石的性 能和晶體結(jié)構(gòu) 2.8金剛石晶體各晶面的耐磨性和好磨難磨方向 2.9單晶金剛石刀具的磨損破損機(jī)理 2.10金剛石晶體的定向 2.11金剛石刀具的設(shè)計(jì)與制造車(chē)刀切削部分的結(jié)構(gòu)要素車(chē)刀切削部分的結(jié)構(gòu)要素 切削速度向來(lái)是影響刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低對(duì)金剛石刀具的磨損大小影響甚微，刀具的耐用度極高。原因是：金剛石的硬度極高，耐磨性好，熱傳導(dǎo)系數(shù)高，和有色金屬間的摩擦系數(shù)低，因此切削溫度低，在加工有色

3、金屬時(shí)刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度10002000m/min，而刀具的磨損甚小。 超精密切削實(shí)際速度的選擇根據(jù)所使用的超精密機(jī)床的動(dòng)特性和切削系統(tǒng)的動(dòng)特性選取，即選擇振動(dòng)最小的轉(zhuǎn)速。不管在多大的切削速度下都有積屑瘤生成，切削速度不同，積屑瘤的高度也不同。當(dāng)切削速度較低時(shí)，積屑瘤高度較高，當(dāng)切削速度達(dá)到一定值時(shí)，積屑瘤趨于穩(wěn)定，高度變化不大。超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律1 1、切削速度的影響、切削速度的影響一、切削參數(shù)對(duì)積屑瘤生成的影響一、切削參數(shù)對(duì)積屑瘤生成的影響 由圖2-8可以看出在進(jìn)給量很小時(shí)，積屑瘤的高度很大，在f5m/r時(shí)，h0值最小，f值再增大時(shí)，h0值稍有增加。 由圖2-9所

4、示，在背吃刀量 25m后， h0值將隨著背吃刀量的增加而增加。超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律2 2、進(jìn)給量、進(jìn)給量f f和背吃刀量和背吃刀量 的影響的影響p積屑瘤高時(shí)切削力也大，積屑瘤小時(shí)切削力也小。與普通切削規(guī)律正好相反。超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律1 1、對(duì)切削力的影響、對(duì)切削力的影響1）積屑瘤前端R大約23m，實(shí)際切削力由刃口半徑R起作用，切削力明顯增加 。2）積屑瘤與切削層和已加工表面間的摩擦力增大，切削力增大。3）實(shí)際切削厚度超過(guò)名義值，切削厚度增加 hD-hDu，切削力增加。超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律切削模型分析切削模型分析實(shí)際切削厚度超精密切削時(shí)積屑瘤的生成規(guī)律2 2、對(duì)加工表面

5、粗糙度的影響、對(duì)加工表面粗糙度的影響 由圖2-12知，在有切削液的條件下，切削速度對(duì)加工表面粗糙度的影響很小。 圖2-13說(shuō)明，不同切削速度下均得到表面粗糙度極小的加工表面鏡面。切削參數(shù)變化對(duì)加工表面質(zhì)量的影響1 1、切削速度的影響、切削速度的影響 在進(jìn)給量f5m/r時(shí)，均達(dá)到Rmax 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222222

6、min111)1)(1tan111)cos1 (xyxyyxxyDFFFFFFFFh刀具 被切材料 最小切削厚度 W18Cr4V Q235鋼0.248 W18Cr4V45鋼0.274YG8Q235鋼0.350 YG845鋼0.377 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

7、時(shí)的最小切削厚度1）（100）晶面的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)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；（111）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(xiàn)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

8、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（1

9、00）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1）極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量。2）刃口能磨得極其鋒銳，刃口半徑值極小，能實(shí)現(xiàn)超薄切削厚度。3）刀刃無(wú)缺陷，切削時(shí)刃形將復(fù)制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。4）與工件材料的抗粘性好、化

10、學(xué)親和性小、摩擦系數(shù)低，以得到極好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：?jiǎn)尉Ы饎偸?.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)硬度最高，各向異性，不同晶向的物理性能相差很大。優(yōu)質(zhì)天然單晶金剛石：多數(shù)為規(guī)整的8面體或菱形12面體，少數(shù)為6面立方體或其他形狀，淺色透明，無(wú)雜質(zhì)、無(wú)缺陷。大顆粒人造金剛石在超高壓、高溫下由子晶生長(zhǎng)而成，并且要求很長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)時(shí)間。人造單晶金剛石已用于制造超精密切削的刀具。2.7 刀具的要求及金剛石的性能和晶體結(jié)構(gòu)晶胞晶胞晶格模型晶格模型晶體結(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

11、常把原子抽象為幾何點(diǎn)，并用許多假想的直線(xiàn)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)晶胞晶胞XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c 組成晶格的最小幾何單元稱(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

12、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晶體中的晶面指數(shù)晶體中的晶面指數(shù): :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

13、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。 （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

14、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

15、（面網(wǎng)）和晶軸晶面（面網(wǎng)）（100）（110）（111）面網(wǎng)的最小單元面積原子數(shù)4x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=2面網(wǎng)密度（致密度）面網(wǎng)距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

16、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：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)，

17、(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”。1)(110)晶面摩擦系數(shù)最大， (100) 晶面次之，(111)晶面最小。2) (100) 晶面有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。3)摩擦系數(shù)高時(shí)磨削率亦高，摩擦系數(shù)低時(shí)磨削率也低。摩擦系數(shù)曲線(xiàn)的波峰方向即是磨削率最高的“好磨方向”；摩擦系數(shù)曲線(xiàn)的波谷方向即是磨削率最低的“難磨方向”。4)根據(jù)摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向。金剛石刀具的磨損，主要屬于機(jī)械磨損，本質(zhì)是微觀解理的積累；金剛石晶體的破損機(jī)理

18、，主要產(chǎn)生于（111）晶面的解理。當(dāng)垂直于（111）面的拉力超過(guò)某特定值時(shí)，兩相鄰的（111）面分離，產(chǎn)生解理劈開(kāi)。刀刃處的解理破損是磨損和破損的主要形式，所以刀刃的微觀強(qiáng)度是刀具設(shè)計(jì)選擇晶面的主要依據(jù)。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。 六面體金剛石晶體是正方形，它的六個(gè)面和八個(gè)角都是相同的，具有對(duì)稱(chēng)性。六面體的六個(gè)外表面及其平行面都是（100）晶面。六面體的八個(gè)角都是都是由三個(gè)相互垂直的（100）晶面所組成的。六面體中，與每?jī)蓪?duì)棱的中點(diǎn)連線(xiàn)方向垂直的是（110）晶面；

19、與兩對(duì)應(yīng)角連線(xiàn)相垂直的是（111）晶面。 八面體八個(gè)外表面都是等邊三角形，它的八個(gè)面和六個(gè)角是相同的，具有對(duì)稱(chēng)性。八面體的外表面及其平行面都是（111）晶面，通過(guò)四個(gè)對(duì)稱(chēng)頂角的面是（100）晶面，通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)頂角和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)邊中點(diǎn)的面是（110）晶面。 棱形十二面體的十二個(gè)外表面及其平行面呈棱形，是（110）晶面，與兩個(gè)對(duì)應(yīng)三個(gè)面交點(diǎn)連線(xiàn)垂直的是（111）晶面，與兩個(gè)對(duì)應(yīng)四個(gè)面交點(diǎn)的連線(xiàn)垂直的是（100）晶面。 當(dāng)一定波長(zhǎng)的X光束穿透晶體，晶體內(nèi)振動(dòng)的電子將在各個(gè)方向發(fā)出散射光，該散射光在某些方向被反射增強(qiáng)，形成所謂的衍射光束，能在熒光屏上觀察到，并能使照片底片感光。 在滿(mǎn)足反射的條件下，只有原

20、子密集的晶面，如（100）（111）（110）晶面反射的X光才能觀察到衍射圖像。 將金剛石放在X光束照射下，改變X光的入射角度，觀察衍射圖像的變化。當(dāng)衍射圖像中的光點(diǎn)出現(xiàn)4次、3次或2次對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象時(shí)，X光束已經(jīng)和金剛石的4次、3次或2次對(duì)稱(chēng)軸重合，確定了晶體的4次、3次或2次對(duì)稱(chēng)軸的方位，同時(shí)也確定了（100）（111）或（110）晶面的空間方位。原理：利用金剛石在不同結(jié)晶方向上，晶體結(jié)構(gòu)不同，對(duì)激光反射而形成的衍射圖像不同而進(jìn)行的。金剛石晶體的各晶面有其固定的晶紋和微觀凹坑形狀，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形狀也是固定的。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

21、簡(jiǎn)便，對(duì)操作者無(wú)害；3）直觀；4）定向精度可滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，低于X射線(xiàn)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）衡量金剛石刀具的標(biāo)準(zhǔn)：衡量金剛石刀具的標(biāo)準(zhǔn)： 能否加工出高質(zhì)量的超光滑表面（Ra0.0050.02m） 能否有較長(zhǎng)的切削時(shí)間保持刀刃鋒銳（切削長(zhǎng)度數(shù)百千米）設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題：設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題： 優(yōu)選切削部分的幾何形狀； 前、后面選擇最佳晶面； 確定刀具結(jié)構(gòu)和金剛石在刀具上的固定方法。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(xiàn)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

22、，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 為增加刀刃的強(qiáng)度，采用較大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得較小。后角： 多采用加工球面和非球面的圓弧修光刃刀具，常取前角根據(jù)加工材料，切鋁、銅合金前角取 。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、金剛石刀具切削部分的幾何形狀金剛石車(chē)刀舉例金剛石車(chē)刀舉例11231：主偏角