精密与超精密加工第二章方案.ppt

1、Precision and ultraprecision machining 超精密切削是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：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、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。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不

2、同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。超精密切削时积屑瘤的生成规律1 1、切削速度的影响、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f5m/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。由图2-9所示，在背吃刀量 25m后，h0值将随着背吃刀量的增加而增加。超精密切削时积屑瘤的生成规律2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量 的影响的影响p积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。超精密切削时积屑瘤的

3、生成规律1 1、对切削力的影响、对切削力的影响超精密切削时积屑瘤的生成规律切削模型分析切削模型分析实际切削厚度超精密切削时积屑瘤的生成规律2 2、对加工表面粗糙度的影响、对加工表面粗糙度的影响切削参数变化对加工表面质量的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响切削参数变化对加工表面质量的影响2 2、进给量的影响、进给量的影响切削参数变化对加工表面质量的影响3 3、修光刃的影响、修光刃的影响切削参数变化对加工表面质量的影响4 4、背吃刀量的影响、背吃刀量的影响刃口锋锐度对加工表面有一定的影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小；速度的影响不是很大。刀刃锋锐度对切削

4、变形和加工表面质量的影响刃口半径为刃口半径为0.6、0.3锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大。背吃刀量很小时，切削力显著增大。因为背吃刀量很小时，刃口半径造成的附加切削变形已占总切削变形的很大比例，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。所以在背吃刀量很小的精切时，应采用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀。刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用p0.3m的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用p0.6m的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为205HV

5、。1）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；2）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响1 1、对加工表面冷硬的影响、对加工表面冷硬的影响刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响2 2、对加工表面组织位错的影响、对加工表面组织位错的影响1）刃口半径越小，残留应力越低；2）背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响分析：在极限临界点A的受力变形情况：在A点处工件受水平和垂直力作用，此两力可分解为A点处

6、的法向力N和切向力 ，则N力和 力可用下式计算化简后得 NNsincossincosyxxyFFNFFNyxyxFFFFtan超精密切削时的最小切削厚度 在实际摩擦力 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切削被切除，即)(NNsincos)(yxFFN A点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为minDh 当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。minDhxyFF超精密切削时的最小切削厚度222222min111)1)(1tan111)cos1(xyxyyxxyDFFFFFFFFh 根据经验，A点处的 比值一般在0.81

7、范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取 。使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削。要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径 为34nm。用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：xyFFxyFF9.0nmhD1min超精密切削时的最小切削厚度1）（100）晶面的摩擦系数曲线有4个波峰和波谷；（110）晶面有2个波峰和波谷；（111）晶面有3个波峰和波谷；2）（100）晶面的摩擦系数最低；（110）最高；3）（100）晶面的摩擦系数差别最大；（111）晶面最小。2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的

8、影响1号车刀：前、后面为（100）晶面；2号车刀：前、后面为（110）晶面。比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。（三）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削式中 为变形系数，为前角。从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀，即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）晶面的2号车刀。00sincostanh

9、h02.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响用（100）晶面的1号车刀和（110）晶面的2号车刀，在相同的切削条件下加工紫铜，改变进给量得到的加工表面粗糙度相差不多。这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的。所以用摩擦系数小的（100）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使切削变形减小，并可减小后面与加工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力。2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响 通过对比实验，（110）晶面的刀具磨损较快，切削相当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05m；（100）晶面的刀具磨损较慢，

10、切削较长时间后，加工表面粗糙度仍0.05m，即刀具耐用度明显较高。2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由

11、子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构晶胞晶胞晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构1 1、晶体结构、晶体结构XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 组成晶格的最小几何单元称为组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸晶胞，晶胞各边的尺寸a a、b b、c c称称为晶格常数，晶胞各边之间的相为晶

12、格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以互夹角分别以、表示表示。根据根据6 6个参数间的相互关系，可个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于将全部空间晶格归属于7 7种类型，种类型，即即7 7个晶系：三斜、单斜、正交、个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金刚六方、菱方、四方、立方；金刚石属于六方晶系。石属于六方晶系。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构XYZabc晶面：通过原子中心的平面，即晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原晶体中各种方位上的原子面。子面。晶轴：与晶面垂直的轴晶轴：与晶面垂直的轴2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构2 2、晶体中的晶面和晶轴

13、、晶体中的晶面和晶轴2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来。许多性能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这种符号叫做“晶面指数”。确定晶面指数的步骤如下：（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。（2）将所得三截距之值变为倒数。（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。晶向指数晶面指数的例子晶

14、面指数的例子晶面指数的意义：晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着 一组相互平行的晶面。在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以h k l表示。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。八面体有八个（111）晶面围成的

15、外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构3 3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴2D22D2/32D2/2 D22/4D223/4)2/3/(2DDD金刚石晶体中单位晶胞的棱边长2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构4 4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。（111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的

16、一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构5 5、金刚石晶体的解理现象、金刚石晶体的解理现象1)A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x105m3/(Nms1)；2)B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x105m3/(Nms1)；3)C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为：1x105m3/(Nms1)。可见，都在高

17、磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。高磨削率方向称为“好磨方向”，低磨削率方向称为“难磨方向”。由图可看出，当作用力相同时，（110）面破损的机率最大，（100）面破损机率最小。设计金刚石刀具时，应选用微观强度最高的（100）作为金刚石刀具的前面和后面。金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。衍射现象符合菲涅尔衍射；激光定向的优点：1）设备价格便宜；2）操作简便，对操作者无害；3）直观；4）定向精度可满足生产需要，低于X射线晶体定向，但更适宜生产使用。（100）（110）（111）光像叶瓣

18、所指方向是该晶面的好磨方向。（图2-35）m金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.10.2mm国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.53mm。金刚石刀具的主偏角，平时采用3090度，用得较多的是45度。1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状刀头形式刀头形式1 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状前角后角副偏角主偏角刃倾角正交平面参考系正交平面参考系0085p0065010p00501 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状前角和后角前角和后角1

19、 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀具切削部分的几何形状金刚石车刀举例金刚石车刀举例11231：主偏角：主偏角45度度2：前角：前角0度度3：后角：后角5度度4：修光刃：修光刃0.15mm342 2、金刚石刀具前、后刀面晶面选择、金刚石刀具前、后刀面晶面选择3 3、金刚石刀具的固定方法、金刚石刀具的固定方法1 1、金刚石刀具的研磨机、金刚石刀具的研磨机2 2、粗研：去除余量、粗研：去除余量3 3、精研、精研课后思考题人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。