精密与超精密加工_第二章

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 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 (xyxyyxxyDFFFF

2、FFFFh 根据经验，A点处的 比值一般在0.81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；（1

3、11）晶面最小。2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响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

4、变形小于用（110）晶面的2号车刀。00sincostanhh02.6 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

5、表面的粗糙度已经超过0.05m；（100）晶面的刀具磨损较慢，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2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构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

6、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

7、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、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。 （

8、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

9、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

10、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：

11、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。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

12、X射线晶体定向，但更适宜生产使用。（100）（110）（111）光像叶瓣所指方向是该晶面的好磨方向。（图2-35）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 1、金刚石刀具切削部分的几何形状、金刚石刀