精密超精密加工技术

1、超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具 王永明切削速度的选择：切削速度的选择： 超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。，即选择振动最小的转速。超精密切削的切削速度的选择超精密切削的切削速度的选择超精密切削时刀具的磨损和寿命超精密切削时刀具的磨损和寿命n 由于磨损极小，刀具寿命高，同一把刀具可以加工多的零件，零件尺由于磨损极小，刀具寿命高，同一把刀具可以加工多的零件，零件尺寸一致性极好。寸一致性极好。n 用金刚石刀具加工有色金属，刀具寿命极高，可达数百千

2、米。用金刚石刀具加工有色金属，刀具寿命极高，可达数百千米。n 使用条件：必须在振动极小的设备上使用（很大程度上的崩刃是振动使用条件：必须在振动极小的设备上使用（很大程度上的崩刃是振动引起的引起的)超精密切削时积屑瘤的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律1.1.切削参数对积屑瘤的影响切削参数对积屑瘤的影响（1 1）切削速度切削速度对积屑瘤的影响：一般材料的一般规律（未使用切削液）是随着速对积屑瘤的影响：一般材料的一般规律（未使用切削液）是随着速度增加而减小。（不一般：黄铜和纯铜）度增加而减小。（不一般：黄铜和纯铜） （2 2）进给量和背吃刀量进给量和背吃刀量对积屑瘤的影响：对积屑瘤的影响：2.2

3、.积屑瘤对切削力的和表面粗糙度的影响积屑瘤对切削力的和表面粗糙度的影响（1 1）积屑瘤越大切削力越大（普通加工相反）积屑瘤越大切削力越大（普通加工相反）原因原因有效刃口半径增大；摩擦力增加；实际切有效刃口半径增大；摩擦力增加；实际切削厚度增大。削厚度增大。（在宏观时的对切削力的影响的主因与微观时的主因不同）（在宏观时的对切削力的影响的主因与微观时的主因不同）（2 2）积屑瘤的存在，会使表面粗糙度增大积屑瘤的存在，会使表面粗糙度增大3.3.切削液可以有效减小积屑瘤，提升工件表面质量切削液可以有效减小积屑瘤，提升工件表面质量切削参数变化对加工表面质量的影响切削参数变化对加工表面质量的影响（1 1）

4、切削速度）切削速度-基本基本无影响无影响（其他参数都合适时）（其他参数都合适时）（2 2）进给量小）进给量小-表面质量好（存在临界值）表面质量好（存在临界值） 修光刃（圆弧和直线（刃长有讲究）修光刃（圆弧和直线（刃长有讲究）-可以提高加工质量可以提高加工质量（4 4）背吃刀量与刀具切削刃钝圆半径共同影响表面质量）背吃刀量与刀具切削刃钝圆半径共同影响表面质量-存在最优组存在最优组合（可以写论文）。合（可以写论文）。（5 5）背吃刀量小）背吃刀量小-表面残留应力小（存在临界值由切削刃钝圆半径决表面残留应力小（存在临界值由切削刃钝圆半径决定）定）切削刃锐度对切削变形、加工表面质量的影响切削刃锐度对切

5、削变形、加工表面质量的影响n 金刚石刀具的测量：用金刚石刀具的测量：用扫描电镜、原子力显微镜测量扫描电镜、原子力显微镜测量。n 刀刃越锋利刀刃越锋利锐度小锐度小切削变形小切削变形小-切削力小切削力小-组织错组织错位密度小位密度小-表层冷硬减小量小表层冷硬减小量小-表面残余应力越小表面残余应力越小对加工要求高，宏观层面易坏对加工要求高，宏观层面易坏 -贵贵 贵贵 贵贵加工质量加工质量-好好 好好 好好加工质量加工质量-好好 好好 好好加工质量加工质量-好好 好好 好好加工质量加工质量-好好 好好 好好加工质量加工质量-好好 好好 好好金刚石刀具超精密切削的若干理论问题金刚石刀具超精密切削的若干理

6、论问题 1.最小切削厚度最小切削厚度-目前极限目前极限1nm1nm，金刚石切削刃钝圆半径应为，金刚石切削刃钝圆半径应为34nm34nm 2. 2.金刚石刀具晶面的选择对切削变形和加工表面质量的影响金刚石刀具晶面的选择对切削变形和加工表面质量的影响 （100100）晶面的车刀切削时的切削变形比用（）晶面的车刀切削时的切削变形比用（110110）晶面的车刀要小（）晶面的车刀要小（100100）晶面的车刀）晶面的车刀和（和（110110）晶面的车刀的加工表面粗糙度相差不多。（）晶面的车刀的加工表面粗糙度相差不多。（100100）晶面车刀切出的表面层残）晶面车刀切出的表面层残余应力小于用（余应力小于用

7、（110110）晶面的车刀所切出的，特别是切向残余应力）晶面的车刀所切出的，特别是切向残余应力 。（100100各种好但国内大部分还在车刀前刀面在用各种好但国内大部分还在车刀前刀面在用110110晶面很可能的原因是加工问晶面很可能的原因是加工问题）题）3.3.工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量的影响工件材料的晶体方向对切削变形和加工表面质量的影响 单晶体材料有很高的各向异性，不同晶向的切削变形和切削力都不相同。不同晶向单晶体材料有很高的各向异性，不同晶向的切削变形和切削力都不相同。不同晶向的加工表面粗糙度都不相同。相同晶面的切削，晶面方向发生变化，切削变形和加工的加工表面粗糙度都不相同

8、。相同晶面的切削，晶面方向发生变化，切削变形和加工表面粗糙度也不相同。表面粗糙度也不相同。 对不同晶面和晶体方向的研究可以在加工时应用中用到对不同晶面和晶体方向的研究可以在加工时应用中用到4.4.脆性材料脆性材料-实现塑性切削（锐度合适，角度合适，切削厚度要小）实现塑性切削（锐度合适，角度合适，切削厚度要小）对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构（1 1）对刀具材料的要求：）对刀具材料的要求：1 1）极高的硬度、耐磨性、和弹性模量，以保证刀具具有很长的寿命和很高的尺）极高的硬度、耐磨性、和弹性模量，以保证刀具具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。寸耐用度。2 2）极锋

9、利的刀刃、刀刃半径值极小、能实现超薄切削。）极锋利的刀刃、刀刃半径值极小、能实现超薄切削。3 3）刀刃无缺陷、切削时将刃形复印到加工表面上，能得到超光滑的镜面。）刀刃无缺陷、切削时将刃形复印到加工表面上，能得到超光滑的镜面。4 4）与工件的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的表面完整）与工件的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦系数低、能得到极好的表面完整性。性。5 5）切削刃粗糙度小）切削刃粗糙度小天然单晶金刚石的优点：硬度高、导热系数大、摩擦系数小、刀刃能磨天然单晶金刚石的优点：硬度高、导热系数大、摩擦系数小、刀刃能磨得锋利，是不可替代的超精密切削刀具得锋利，是不可替代的超精密切削

10、刀具。（2 2）金刚石的晶体结构）金刚石的晶体结构1 1）在晶体中，各方位的原子面叫晶面，各方向的原子列叫晶向。）在晶体中，各方位的原子面叫晶面，各方向的原子列叫晶向。2 2）单晶金刚石晶体主要晶面有：）单晶金刚石晶体主要晶面有：100100、110110、111111金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向（1 1）金刚石晶体各晶面的耐磨性）金刚石晶体各晶面的耐磨性 ： 金刚石晶体的各向异性，在磨削率方向：金刚石晶体的各向异性，在磨削率方向：（110110）晶面磨削率最高（）晶面磨削率最高（111111）晶）晶体磨削率体磨削率最低最低。（2 2）金刚石晶体

11、各晶体面的好磨和难磨方向：）金刚石晶体各晶体面的好磨和难磨方向： （100100）有四个好磨难磨方向；（）有四个好磨难磨方向；（110110）有）有2 2个；（个；（111)111)有有3 3个。个。（3 3）金刚石晶体研磨时磨擦系数的各向异性：）金刚石晶体研磨时磨擦系数的各向异性： （110110）晶体）晶体摩摩擦系数最大；（擦系数最大；（111111）晶体磨擦系数最小。）晶体磨擦系数最小。 摩摩擦系数大，磨削率高擦系数大，磨削率高好磨方向；好磨方向；（100）（111）（110）金刚石刀具的设计与制造金刚石刀具的设计与制造设计方向：刀具实现更高的加工质量；更长的寿命设计方向：刀具实现更高的加工质量；更长的寿命; ;（1 1）金刚石刀具的几何形状）金刚石刀具的几何形状 小圆弧刀具，直线刃刀具，大圆弧刃刀具小圆弧刀具，直线刃刀具，大圆弧刃刀具（2 2）单晶金刚石刀具的前刀面理论上应该选择（）单晶金刚