金剛石刀具超精密切削加工

每日一題輸液檢測儀設計與制造滴液速度顯示？滴液快慢警示？滴液結束報警？裝夾簡便？結構小型化？低成本制造？1寒風蕭瑟，金葉滿地本科評估，霾消云開教室暖陽，精切始開學以致用，暢談未來上節(jié)課內(nèi)容的回顧21.1精密機械與精密加工技術的關系1.2先進制造技術的發(fā)展趨勢上節(jié)課內(nèi)容的回顧34第1章緒論1.3加工方法分類（1）去除加工

可以分為三大類：去除加工、結合加工、變形加工

切削、銑削、鉆削、磨削、研磨、珩磨、電火花加工、電解加工、蝕刻、等離子加工、激光加工、脫碳處理等。1.3.1根據(jù)加工方法機理和特點分類

——從工件上去除不需要那部分材料的加工方法。主要包括:ManufacturingMachiningFabricationProcessing45第1章緒論附著(Deposition)加工：

在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，是一種弱結合，包括：——利用理化方法將不同材料結合在一起的制造方法，又分為附著、注入和連接三種。

化學鍍、化學氣相沉積、電鍍、真空蒸鍍、離子鍍、物理氣相沉積等；

（2）結合加工56第1章緒論連接(Jointed)加工：

將兩種相同或不同材料通過物化方法連接一起，包括：

激光焊接、氣焊、RP快速成形制造（3D打印制造）等；注入(Injection)加工：

在工件表面注入某些元素，使之與基體材料產(chǎn)生物化反應，是具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結合，用以改變工件表層材料的力學機械性質(zhì)，包括：

氧化、氮化、活性化學、陽極氧化、晶體生長、離子生長、離子束外延等；67第1章緒論——利用力、熱、分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形，改變其尺寸、形狀和性能。

鍛造、熱流動加工、鑄造、液體流動加工等。（3）變形加工主要包括：78第1章緒論——結合加工是使材料逐漸增加，這種流動稱之為匯合流；

近年來又提出了諸如：電鑄、晶體生長、分子束外延、快速成形等加工方法，突破了傳統(tǒng)加工概念，其中RP快速成形技術、3D打印制造技術——一種利用離散/堆積成形技術的分層制造，是一種典型的結合法。——去除加工是使材料逐漸減少，一部分材料變?yōu)榍行?，這種流動稱之為分散流；——變形加工是使材料形變而量不變，這種流動稱之為直通

流。1.3.2根據(jù)加工過程中材料的流動形態(tài)來分類89第1章緒論——復合加工：綜合上述多種能量復合作用的加工

當前，在制造業(yè)中，占主要地位的仍是傳統(tǒng)加工方法，而非傳統(tǒng)的特種加工和復合加工是解決新的難加工材料加工、實現(xiàn)更高精度和特殊加工要求零件加工的有效手段。——傳統(tǒng)加工：基于機械能的切削、磨削、拋光等——特種加工：基于電、熱、磁、聲、光、化學、核能的加工1.3.3根據(jù)加工過程所用能量來分類910第1章緒論1.4精密和超精密加工技術概述就“加工”這個詞而言，應理解為一個廣泛的概念。超精密加工包含兩個含義：

一是指向傳統(tǒng)加工方法不易達到的精度界限挑戰(zhàn)的加工，即超高精度加工，如計算機磁盤及各種金屬反射鏡的超精密鏡面加工；

二是向?qū)崿F(xiàn)微細尺寸界限挑戰(zhàn)的加工，即所謂微細加工技術（Micro-fabrication），如微電子電路制造中的電子束、光子束和離子束刻蝕加工以及離子注入、分子外延等工藝技術。1.4.1精密和超精密加工的概念和含義1011第1章緒論就“精密”這個詞而言，應作如下理解：

精密、超精密加工不僅涉及精度指標，還必須考慮到工件的形狀特點和材料等因素。

它是與生產(chǎn)力發(fā)展水平相關聯(lián)的；

精密是相對的，在不同的歷史時期，各有不同的理解；1112第1章緒論

在所處時代，用一般技術水平即可實現(xiàn)的精度稱普通加工。

必須用較高精度加工機械、工具及高水平加工技術才能達到的精度，屬于精密加工。

一般方法不能輕而易舉地達到，需要采用先進的技術經(jīng)過探討、研究、實驗之后才能達到的精度，且這一精度指標尚不能普及的加工技術稱為超精密加工。精密和超精密加工的時代性

超精密加工技術，不是指某一特定的加工方法，而是指在某一個歷史時期所能達到的最高（極限）加工精度的各種精密加工方法的總稱。1213第1章緒論加工精度概念的時代發(fā)展性1314第1章緒論物質(zhì)是由原子組成的，從機械破壞的角度看，最小則是以原子級為單位（原子顆粒的大小為幾埃(?，1?=10-10m）的破壞。如果在加工中能以原子級為單位去除被加工材料，即是加工的極限，從這一角度來定義，可以把接近于加工極限的加工技術稱為：超精密加工、微納加工。另一種概念是從被加工部位發(fā)生破壞和去除材料大小的尺寸單位來劃分各種加工。去除材料的單位為10-3cm時將以龜裂的形式發(fā)生破壞；以微米(μm)級尺寸去除，則表現(xiàn)為位錯，這一層次的加工屬于精密加工。1415第1章緒論按去除尺寸單位劃分精度等級

Ⅲ一Ⅳ區(qū)間稱為普通精度

Ⅱ一Ⅲ區(qū)間為精密加工

I一Ⅱ區(qū)間為超精密加工1516第1章緒論一般加工：加工精度10μm左右,Ra>0.1μm現(xiàn)階段精密、超精密加工精度范圍：1.4.2精密、超精密加工精度的范圍與條件精密加工：加工精度0.1~1μm,Ra=0.02~0.1μm超精密加工：加工精度<0.1μm,Ra<0.01μm發(fā)展方向：加工精度<1nm(10-3μm),Ra<0.005μm納米加工1617第1章緒論實現(xiàn)精密、超精密加工的基本條件：精密超精密加工技術超精密加工工具

工件材料超精密加工設備

超精密加工環(huán)境

超精密測量技術

1718第1章緒論超精密加工技術的研究內(nèi)容主要包括：1.4.3超精密加工技術的范疇與種類

超精密加工的機理

超精密加工的設備制造技術

超精密加工工具及刃磨技術

超精密加工測量技術和誤差補償技術

超精密加工工作環(huán)境條件1819第1章緒論電火花加工等離子加工電子束加工激光加工超聲波加工微波加工噴射加工原子束加工化學能加工光刻加工化學加工物理加工微細尺寸加工低粗糙度高形位精度磨料加工(無磨料研拋)超精密磨削精密研磨、拋光金剛石切削加工高尺寸精度高精度超精密加工方法精密電鑄電解加工精密特種加工1920第1章緒論金屬材料非金屬材料超精密加工的材料復合材料（應用：航天、能源工業(yè)）非鐵金屬材料（應用：激光技術、光學、電子工業(yè)）高硬度、高強度耐熱合金（應用：航空、航天、原子能工業(yè)）高分子有機材料（應用：光學、化學、電子工業(yè)）

無機硬脆材料（應用：電子、原子能、能源工業(yè)）1.4.4超精密加工的材料對象與應用2021第1章緒論材料超精密加工方法無機硬脆材料

半導體材料、陶瓷…玻璃、石英…藍寶石、金剛石…

超精密磨削超精密研磨

超精密拋光

軟質(zhì)金屬塑料

超精密金剛石切削耐熱合復合材料

超精密磨削超精密研磨、拋光工件材料與加工方法2122第1章緒論對材料難加工的重新認識難加工材料不再難加工可優(yōu)化零件的加工工藝過程傳統(tǒng)加工：加工→淬火→加工特種加工：淬火→加工（電解）重新衡量結構工藝性的優(yōu)劣對零件結構設計帶來變革傳統(tǒng)加工中方孔的工藝性差2223第1章緒論國家制造技術水平的重要指標之一發(fā)展高技術和新產(chǎn)品的技術基礎1.4.5精密、超精密加工技術的重要性當代高技術的產(chǎn)品，都是靠當代最高的加工技術－超精密加工來實現(xiàn)的。超精密加工的直接效果是促進了各種產(chǎn)品技術性能的提高，也就相應地促進了機械、電子、航空、航天、激光核聚變等高技術的發(fā)展。精密和超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術水平的重要標志。精密和超精密加工技術水平的高低是一個國力和國威的標志，它與高質(zhì)量民品及現(xiàn)代化國防工業(yè)密切相關。23超精密加工技術的基礎

測量技術加工技術超精密加工

工藝系統(tǒng)基礎、安裝(結構、材質(zhì))加工件夾持機構

運動控制裝置被加工件(材質(zhì)、形狀、處理)工具(材質(zhì)、形狀)導向元件(構潤滑形狀)

驅(qū)動系統(tǒng)加工機械24第2章超精密切削與金剛石刀具25大型光學元件——超精密加工？檢測？第2章超精密切削與金剛石刀具26特種型面光學元件——超精密加工？第2章超精密切削與金剛石刀具27第2章超精密切削與金剛石刀具

2.1金剛石超精密加工技術概述

SPDT主要應用：

激光或紅外平面非球面反射鏡磁盤鋁基底多面棱鏡等超精密切削可以分為超精密車削、超精密銑削、超精密鏜削和超精密鉆削，其中最常用的是金剛石刀具超精密車削，一般稱為單刃金剛石車削(SimplePointDiamondTurming，SPDT)

。

SPDT加工精度：粗糙度Ra=0.02-0.005μm

非球面形狀精度≤

0.1μm

平面度≤0.06μm光學棱鏡、鏡頭無氧銅、鋁合金件28第2章超精密切削與金剛石刀具（1）平面鏡切削示例0.5μm塑性域加工脆塑過渡切削脆性域切削29第2章超精密切削與金剛石刀具30第2章超精密切削與金剛石刀具（2）球面鏡切削示例球面鏡加工原理1-主軸；2-凹面鏡；3-刀具軸31第2章超精密切削與金剛石刀具（3）大型金剛石刀具切削機床示例LLNL的LODTM超精密車床

Worktable:1.65mdiaFigureaccuracy:0.028μm

Surfacefinish:3.5-9.0nm32第2章超精密切削與金剛石刀具平面度<0.06μm；表面粗糙度Rmax<0.02μm具備加工面型檢測功能，以補償?shù)毒吣p

(4)微構形或曲面加工菲涅耳(Fresnel)透鏡

33第2章超精密切削與金剛石刀具

2.2金剛石刀具結構與特性2.2.1刀具角度知識的復習前刀面Aγ后刀面Aa

刀尖——剛形成的切屑沿其流出的刀面

——與工件加工表面相對的刀面

——主、副切削刃的實際交點，為了強化刀尖，一般都在刀尖處磨成折線或圓弧形過渡刃。

切削刃S——前刀面與后刀面的交線，承擔主要切削工作34第2章超精密切削與金剛石刀具1）前角γ0--前刀面與基面間夾角3）主偏角kr--主切削刃在基面上投影與進給方向間夾角4）刀尖角εr--主切削刃與副切削刃在基面上投影間夾角5）刃傾角λs--主切削刃與基面之間夾角2）后角α0--后刀面與切削平面間夾角35第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.2超精密切削對刀具性能的要求3)切削時切削刃的粗糙度將決定加工表面的粗糙度,普通刀刃的粗糙度Ry0.3~5μm，金剛石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2μm，特殊情況Ry1nm，極難刃磨。1)

極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，保證長的刀具壽命。2)刀刃無缺陷，足夠的強度，耐崩刃性能。4)化學親和性小、與工件材料的抗粘結性好、摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。36第2章超精密切削與金剛石刀具5)刀具刃口鋒銳度ρ刃口圓弧半徑ρ越小，切削厚度就越薄，越能夠減小切削表面彈性恢復和表面變質(zhì)層。ρ與切削刃的加工方位有關，普通刀具5~30μm，金剛石刀具<10nm，最好能夠<5nm；從物理學的觀點，刃口半徑ρ有一極限（后續(xù)介紹）。ρ37第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.3天然金剛石的特性DiamondCBNSiCTiCWCAl2O3高碳馬氏體硬度HV6000-100006000-850035003200240022001000——硬度特性人造金剛石磨料38第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.3天然金剛石的特性（1）良好的導熱特性（熱導率和比熱容高）；——熱化學特性（3）膨脹系數(shù)低，抗熱沖擊；（2）在相同條件下計算其摩擦面的溫升，僅為其它工具材料的1/5；（4）耐熱性和耐熱損傷性有一限度。最大問題是金剛石的氧化和石墨化；（5）超過700℃，會發(fā)生氧化現(xiàn)象；（6）溫度大于773K時，穩(wěn)定結構分解，產(chǎn)生石墨化。39第2章超精密切削與金剛石刀具40每日一題一種非球面鏡的加工方案加工方法的選擇及理由？加工工具？加工設備選擇？加工工藝參數(shù)？K9光學玻璃，初始表面：Ra0.1，加工面形精度1.5μm，粗糙度Ra0.0141第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.3天然金剛石的特性3)

能磨出極鋒銳的刀刃，最小刃口半徑1~5nm（人造：100-1000nm）；2)摩擦系數(shù)低，除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力??；5)不適宜切黑色金屬；4)

導熱性能好，熱變形??；6)很脆，硬避免振動；7)價格昂貴，刃磨困難。天然單晶金剛石被公認為理想的、不可代替的超精密切削刀具！1)

耐磨性好，比硬質(zhì)合金高50~100倍；——可切削性能42第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.4金剛石晶體的晶面和晶軸按晶體學原理，金剛石晶體有三個主要晶面（與晶面垂直軸為晶軸）：常見的有八面體、十二面體、六面體。（100）面（111）面（110）面

a)3個（100）面以八面體為例分析之。b)4個（111）面

c)6個（110）面八面體的晶軸和晶面43第2章超精密切削與金剛石刀具

a)（100）晶面激光衍射當用激光對（100）、（111）、（110）晶面垂直照射時，會分別出現(xiàn)：b)（111）晶面激光衍射c)（110）晶面激光衍射

4次、3次、2次對稱衍射圖形現(xiàn)象，分別稱上述晶面的軸為4次對稱軸、3次對稱軸、2次對稱軸。44第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.5金剛石晶體的面網(wǎng)和密度面網(wǎng)——晶體內(nèi)部分布有原子的面，又稱晶面。金剛石面網(wǎng)最小單元：金剛石的面網(wǎng)有：（100）、（111）、（110）。（100）最小面網(wǎng)為正方形，含5個碳原子；（111）最小面網(wǎng)為三角形，含6個碳原子；（110）最小面網(wǎng)為矩形，含8個碳原子；設單位晶胞邊長D(=

a

0=0.35667nm)，則：

a)（100）晶面b)（111）晶面

c)（110）晶面45第2章超精密切削與金剛石刀具

a)（100）晶面b)（111）晶面46第2章超精密切削與金剛石刀具

c)（110）晶面47第2章超精密切削與金剛石刀具金剛石晶體不同晶面的面網(wǎng)距（100）面（110）面（111）面修正：48第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.6金剛石晶體的解理現(xiàn)象晶體受到定向機械力作用時，可以沿平行于某個平面平整的劈開的現(xiàn)象，稱為解理現(xiàn)象。金剛石晶體可以沿著(111)面平整劈開兩半，這是金剛石晶體的一個非常重要特性。金剛石的破碎和磨損都和解理現(xiàn)象直接相關。49第2章超精密切削與金剛石刀具2.2.7金剛石晶體的定向

對金剛石晶體進行定向，是制造金剛石刀具的前提。常用的定向方法有：人工目測定向、X射線晶體定向、激光晶體定向。

a)(100)晶面激光衍射b)(111)晶面激光衍射c)(110)晶面激光衍射50第2章超精密切削與金剛石刀具

2.3金剛石超精密加工工藝2.3.1微量切削概述超精密加工的關鍵是能夠在被加工表面上進行微量加工，其加工量的大小標志著精密加工和超精密加工的水平。

超微量去除的難點：（1）工具和工件表面微觀的彈性變形和塑性變形是隨機的，精度難以控制；（3）工藝系統(tǒng)的剛度和熱變形對加工精度有很大影響；（2）去除層越薄，被加工表面受到的切應力越大，材料就越不容易去除。為何？51第2章超精密切削與金剛石刀具微量切削的機理與一般切削機理的差異：

因切屑厚度極小，背吃刀量(切削深度)可能小于晶粒的大小，因此，切削不是在晶粒之間的破壞，切削力一定要超過晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結合力，刀刃上所承受的切應力就急速地增加并變得非常大。例如切削低碳鋼情況：刀刃上的切應力值接近材料的抗剪強度極限，當切削厚度在1μm以下時，被切材料的切應力可達13000MPa。52第2章超精密切削與金剛石刀具2.3.2材料缺陷及其破壞方式

材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性，可分為以下幾種情況：材料微觀缺陷分布

加工單位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同，被加工材料的破壞方式就不同。(a)晶格原子、分子——把原子、分子一個一個地去除；(d)晶界、空隙和裂紋——以缺陷面為基礎的晶粒間破壞。(b)點缺陷或原子缺陷——以此為起點增加晶格缺陷的破壞；(c)位錯缺陷和微裂紋——

由此引起晶體的內(nèi)滑移變形；53第2章超精密切削與金剛石刀具2.3.2材料缺陷及其破壞方式

54第2章超精密切削與金剛石刀具材料微觀缺陷分布

材料缺陷分布間距(mm)晶格原子b點陣缺陷位錯缺陷晶界空穴及裂紋缺口~10-710-7~10-510-5~10-310-3~10-110-155第2章超精密切削與金剛石刀具2.3.3加工能量

超精密切削是一種接近原子、分子級加工單位的去除加工方法，要從工件上去除一塊材料，需要相當大的能量，這種能量可用臨界加工能量密度δ(J／cm3)和單位體積切削能量ω(J／cm3)來表示。

——是指當應力超過材料彈性極限時，在切削相應的空間內(nèi)，由于材料缺陷而產(chǎn)生破壞時的加工能量密度。

——是指在產(chǎn)生某加工單位切屑時，消耗在單位體積上的加工能量。加工單位不同會引起臨界加工能量密度的變化。臨界加工能量密度δ單位體積切削能量ω56第2章超精密切削與金剛石刀具材料臨界加工能量密度δ(J／cm3)

微觀缺陷

mm加工原理10-710-610-410-21晶格原子點缺陷位錯、微裂紋晶界、空隙裂紋化學分解、電解104~103脆性破壞104~102塑性變形（微切削、拋光）103~101熔化去除104~103蒸發(fā)去除105~104離子濺射去除電子蝕刻去除105~10457第2章超精密切削與金剛石刀具2.3.4加工剪切應力切削易切鋼時切應力與切削厚度關系

例如：易切鋼材料的切變模量G=8.2×104MPa，切應變γ≈3，則理論切應力：τth＝G／2π≈13000MPa——尺寸效應58第2章超精密切削與金剛石刀具2.3.5金剛石車刀1)金剛石刀具切削刀頭幾何形狀a)尖刃:安裝方便，但一般不用。c)、d)多棱刃:安裝和刃磨方便，加工表面質(zhì)量好，直線段修光刃長=0.1-0.2mm。b)單直線刃:安裝和刃磨困難，加工殘留面積小。e)圓弧刃:安裝方便，加工殘余面積小，刃磨困難，圓弧段修光刃R=0.5-3mm。59第2章超精密切削與金剛石刀具2)金剛石刀具最小圓弧半徑計算r表面能Ef

楊氏模量材料強度極限σ＝Ef

/10ρ材料楊氏模量Ef

(x107)表面能r