哈工大超精密加工大作业

1、精选优质文档-倾情为你奉上超精密加工与特种加工技术课程大作业题 目： 影响超精密切削表面质量因素分析 姓 名： 学 号： 授课教师： 得分哈尔滨工业大学航空宇航制造系2014年6月 8日影响超精密切削表面质量因素分析引言超精密切削的主要目的是要切下一层极薄的金属层,与普通切削相比,刀具前刀面参与切削部分面积减小,而刀刃附近区域却要承担大部分的切削工作,这对所选择的刀具材料提出了更高的要求。另外,背吃刀量从几微米减小到一微米以下时,车刀的尖端会受到很大的应力作用,从而在单位面积上会产生很大的热量,使刀具尖端局部区域达到极高的温度。切削时采用的背吃刀量越小,就越要求使用的刀具耐热性能高、耐磨性强和

2、硬度高,而金刚石刀具恰恰能够满足上述要求。因此,金刚石刀具被普遍认为是超精密加工最为理想的刀具。在超精密加工中,刀具的几何形状、振动、刀具的磨损、机床的几何运动精度和工件材料的变形等因素对超精密车削表面粗糙度具有显著的影响。1 被加工材料的影响超精密加工精度最终是受刀具和被切削材料在接触区域的相对运动所左右。用于超精密加工的工件材料,在其化学成分、物理性能或熔炼、塑性加工、热处理等工艺方面都有严格的要求。超精密加工用的材料的化学成化纯度应为10-210-3数量级,物理性能(拉伸强度、硬度、延伸率、膨胀系数和热传导率等)应达到10-510-6数量级。就金属材料而言,各金属元素只有达到熔化温度才能

3、混合均匀,如有尚未达到熔点的金属存在,有可能引起恶劣影响,故冶炼时采用陶瓷过滤等措施。另外,材料晶粒的大小对加工表面质量有很大影响,必须通过正确的热处理来控制晶粒细化。因此,为了获得好的加工精度和表面粗糙度,材料必须没有气泡、均匀细化且无杂质、加工后残余应力小、能长期保持尺寸精度稳定性,同时还要考虑微量吃刀的加工性及与刀具磨损的关系。由被切削材料直接造成精度下降的主要原因有:(1) 在熔炼过程中表现出现杂质、金属间化合物、沉淀物或生成不规则的空穴和划伤。(2) 在熔炼过程中出现晶界阶梯、晶界位错。这是由于晶粒变形的方位不同和晶粒本身的弹性系数不同而引起的。(3) 经轧制而成的被切削材料,在做成

4、卷材时,在其组织内部则产生残余应力。以后即使用热处理进行完全退火,也难以完全消除这些残余应力。对于影响因素(1),主要采用高纯度合金元素并在高真空中进行熔炼和铸造。如现在所用的99.99%Al和99.999.99%Mg都是在真空中或高洁净的环境中生产的。对于影响因素(2),可以考虑制成单晶,以消除晶界阶梯或铸造时以极快的速度冷却,使之成为微粒结晶。目前采用的方法主要是加快冷却速度,提高合金元素的纯度和在洁净的环境中进行冶炼,以缓和由杂质和金属间化合物造成的局部应力场,借助热处理等工艺进行晶粒细化或降低残余应力。对于影响因素(3),理想方法是省掉轧制等塑性加工工序,由铸造直接进行成型加工。但是,

5、即使在这种状态下,要使铸造产生的残余应力下降为零也是很难的。另外,象磁盘基片那样119mm的厚度的铸件还存在本身强度低,组织粗糙等问题。通常,消除残余应力的方法是将坯料再次升温到再结晶温度以上,再放入与制品的标准形状一样的框架中加载并保持长时间的高温高压,进行矫正。被加工材料如不合要求,将影响产品的质量,如反射镜的反射率会降低,磁盘存储密度无法提高,另外,对零件的表面完整性、残余应力等也有很大的影响。总之,用于超精密加工的材料必须从冶炼、铸造、轧制、热处理到表面处理等过程都要严格控制。2 刀具几何形状对表面粗糙度的影响刀具的切削部分包括:前刀面、后刀面、刀具的圆弧半径及刃口半径等要素,各种要素

6、的不同组合形成不同的切削形态。在切削过程中,刀具切削部分的形态直接影响着切削过程的稳定性和表面质量。理想状态下,采用圆弧刃金刚石刀具进行超精密车削加工软金属时,在工件加工表面形成轮廓峰和轮廓谷,它们之间的距离,被称为理论粗糙度(见图1),其大小等于f2/8R(f为进给量,R为刀具圆弧半径)。超精密车削模型如图2所示,在超精密切削塑性金属时,主切削刃和前刀面的主要任务是去除金属,切削层在前刀面的挤压作用下发生剪切滑移和塑性变形,然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的形状直接影响塑性变形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之间的摩擦特性,并直接对切削力、切削温度、切屑的折断方式和加工表面质量造成显著影响。

7、主切削刃是前刀面和后刀面的交线。实际上前刀面和后刀面的交线不可能为理想直线,而是一微观交接的曲线。该曲线的形状可以近似用与其在不同位置的法平面相交成交线的平均曲率半径来反映,称其为刃口半径。切削时刃前区的应力状态十分复杂,应力集中造成金属中位错集中,导致金属产生塑性变形和滑移分离,一部分金属成为切屑沿前刀面流出,另一部分金属经后刀面熨压留在已加工表面。因为两部分金属运动方向不同,必然使刀具刃口前金属呈拉伸状态,拉应力使刃前区金属的抗剪能力下降,在刀刃的直接作用下,金属产生滑移分离。刃口半径越小,应力越集中,变形越容易,切削力越小,加工表面质量好。也就是说刃口半径对切削过程有较大影响,同时对切削

8、力、切削温度和切屑变形系数都有不同程度的影响。因此,提高刀具的锋锐程度,可减小刀具对金属的挤压力,使金属的变形程度降低,减缓金属的冷作硬化,有助于提高切削过程的稳定性,改善加工表面质量和延长刀具的使用寿命。 图1 理想状态下形成的表面微观形貌 图2 超精密车削模型另外,切削层金属被通过分流点O且平行于已加工表面的分流线分为两部分,分流线以上的材料沿前刀面流出,分流线以下的塑性变形层被O点以下的刀刃熨压后成为已加工表面。经过熨压以后,刀刃下方的材料产生严重的压缩变形,对已加工表面质量产生直接影响。3 最小切削厚度对表面粗糙度的影响除了机床本身的性能以外,使用刀具切削刃有效地切除工件材料时,最小切

9、削厚度(MTC)的可控性和重复性是影响加工精度的主要因素。MTC不仅可以反映切削刃的纳米级微观结构,还可以反映出刀具和工件材料之间的相互作用状态。最小切削厚度被定义为能够从工件材料上有效地去除金属的最小厚度。切削厚度越小,工件材料抵抗塑性变形的能力越强,刀具和材料原子之间的相互作用力越弱。当金刚石刀具刃口半径为几个纳米的特定切削环境下,最终可达到的加工精度与最小切削厚度为同一个数量级。日本学者在高稳定的机床上使用特制的金刚石刀具切削单晶铜,获得了非常微细的切屑,并使最小切削厚度可以达到1nm。最小切削厚度这个变量随着刀具的几何形状和切削条件的不同而变化。美国和日本有关专家通过实验研究发现:金刚

10、石刀具的刃口半径对最小切削厚度有显著的影响,当车削铝合金的时候,最小切削厚度大约为所采用刀具刃口半径的0.30.6倍,这个比值随着被加工材料和切削条件(如进给量和刀具的圆弧半径)的不同而略有差异。4 金属变形对表面粗糙度的影响金属切削加工过程非常复杂,加工后形成的表面粗糙度与工件的材料、刀具的几何形状、润滑方法以及选用的切削深度密切相关。剪切、滑移和断裂被认为是影响切屑形成的几个主要因素。超精密切削时只要有切屑产生,就可以把该过程模型化为材料沿着与水平面倾斜一定角度的平面被刀具剪切的过程,在已加工表面上形成的峰、谷高度随刀具刃口锋锐轮廓的变化而变化。最小切削厚度的存在使小于一定切削深度的工件材

11、料不能被切除。图3中所示的Xc值通常大于进给量的一半,所以不完整切屑的形成只能使表面粗糙度的值增加。对已加工表面粗糙度进行测量时我们往往会发现一种奇怪的现象,表面粗糙度的测量值有时很小,什么原因造成的呢?我们可用材料变形的观点对这个问题作出合理解释。图3中阴影所示部分为在加工表面上残留的区域,有关文献把它命名为spanzipfel(残留区)。虚线表示理想条件下材料去除形成切屑的边界形状,磨损的刀具进给时对被加工金属产生挤压磨光作用,使金属产生塑性变形,最终导致残留区的左边界线发生偏斜,左边界线由虚线1的位置变到实线2的位置;另外,用刀具切削金属时在已加工表面将产生弹性恢复变形,使加工表面的形状

12、由虚线3的位置变为实线4的位置,导致残留区高度的降低、表面粗糙度值相应减小。其中残留区的高低主要取决于所使用刀具的刃口半径的大小。刀具刃口半径不同产生的弹性恢复变形不同,其对应关系如下式所示。图3 切屑发生的变形示意图式(1)中S为材料恢复变形的高度,为金刚石刀具的刃口半径,K为常数,H为材料的硬度,E为材料的弹性模量。由此可见:金属材料弹性恢复变形量大小随着工件材料而变化,且工件表面弹性恢复变形量与刃口半径呈线性关系。加工同一种材料,采用刀具的刃口半径较小时,加工表面产生的弹性恢复变形较小;当刀具刃口半径较大时,在加工表面会产生较大的恢复弹性变形,从而降低了在已加工表面形成的峰谷之间的高度1

13、。因此,工件材料的弹性恢复变形和塑性变形,也有可能使已加工表面粗糙度值变小,这也是刀具磨损时却能加工出粗糙度值较小表面的主要原因。由测量得到的图4AFM照片也可以明显看出:金属的变形对表面形貌有显著的影响。图4 加工表面微观形貌的AFM照片另外,工件材料对金刚石车削加工表面粗糙度有显著的影响,在一般车削加工中经常忽略材料晶体微观结构的影响,而金刚石车削中材料对表面粗糙度的影响却不容忽视。例如:某种材料的弹性模量主要依赖于单晶体的晶向,虽然铜、铝同样是软金属,但它们的硬度却有较大差异。在同样条件下切削上述两种金属时,切削状态不同,产生切削力的大小也会有所不同。另外,被加工材料的纯度、材质是否均匀

14、以及晶体的晶向各异性都会对加工表面质量产生重要影响。5 切削用量对表面粗糙度的影响通过采用回归分析方法在大量的试验和观察中寻找隐藏在随机性后面的统计规律性,根据实验目的和数据分析来选择实验点,使得在每个实验点上获得的数据含有大量的信息,在113m/minV314m/min，1.8m/rf5.0m/r, 1.50map6.00m的条件下,建立了如公式(2)所示的金刚石车刀车削铝合金表面粗糙度的预测模型,(V:切削速度,f:进给量,ap:背吃刀量),从中可以看出各种切削参数对表面粗糙度值的影响。 在上述的条件下,从预测模型可反映出:随着切削速度的增加,表面粗糙度值略微减小,这种变化主要受机床动态特

15、性的影响。当f=5.0m/r,ap=6.00m时,利用模型作出如图5所示的切削速度与表面粗糙度对应关系曲线,从中也可看到切削速度变化时,表面粗糙度的变化范围仅为2nm左右,因此说切削速度对表面粗糙度基本无影响。金刚石车削铜合金时也能够得到同样的结论。车削铝合金时,背吃刀量对加工表面粗糙度的影响也不显著,当切削速度为314m/min、进给量为5m/r时,利用模型作出如图6所示的背吃刀量与表面粗糙度对应关系曲线,从中可看到背吃刀量小于6m时,对加工表面粗糙度基本无影响。图5 切削速度和表 图6 背吃刀量和表 图7 进给量和表 面粗糙度对 面粗糙度对 面粗糙度对 应关系曲线 应关系曲线 应关系曲线当

16、切削速度为314m/min、背吃刀量为6Lm时,利用模型作出如图7所示的进给量与表面粗糙度对应关系曲线,从中可知小进给量可得到小的表面粗糙度值。但是由于最小切削厚度的存在,实测的表面粗糙度值往往要比理论粗糙度值大几倍。6 机床的影响超精密加工就是将高精度、高刚性的机床运动精度,通过锋利的刀具正确地复映到工件上。工件的加工精度主要依赖于机床本身的运动精度,作为加工的代表精度通常举出尺寸和形状精度为011Lm,表面粗糙度为Rmax0.02m左右,所以机床必须具备保证上述加工精度的运动精度,机床主轴精度、工作台静、动态精度及其热稳定性都必须很高。6.1 机床零部件的运动精度机床的运动精度是直接影响加

17、工精度的重要因素。利用静压支撑运动部分的超精密加工机床,由轴和轴承的圆度或直线度等几何精度误差会引起回转振摆和静压工作台的直线运动误。同时,由于轴承型式和所用流体的种类不同,有时也会发生微小振动。另外,空气和油静压导轨在停止时,运动体和工作台之间有相对位移。传动机构由于分辨率的限制及爬行现象的存在,也影响了加工精度。6.2 刚性机床的零部件必须具有很高的刚性才能保证超精密加工的顺利进行。现在的超精密加工机床零部件刚度可达到100N/Lm,即使因大负荷而产生相当大的位移,如果这种位移是弹性的,其重复性将很高。同时,通过检测负荷和变形量,并把它减到最小,便可使它看起来具有很大的刚性。在高精度条件下

18、,宏观变形比接触部分和滑动部分的动态变形重要。在超精密加工中,由于切削力很小,因此必须充分注意这种微观刚性。同时接触部分变形的微观重复性和非可逆的动态变形也会影响超精密加工的精度。6.3 热变形一般来说,固体的线性膨胀系数为10-610-5/K的数量级,因此微小的温度变化也会表现为大的机械变形。从原理上说,只要能够提高温度的控制精度,总能够减少热变形量。在实现1mk的温度情况下,可计算出变形量为110nm/m,然而,这种数量级的温度控制并不容易实现,如采用与超精密主轴连成一体的直接驱动,由于电机发热引起的主轴轴向伸长将直接影响超精密加工的精度,但可将压缩空气导入主轴尾部由气流从尾部将电机产生的

19、热量带走以减少电机发热引起的主轴轴向伸长.6.4 振动超精密机床通常都有很高的固有频率,在超精密加工过程中,实际的工艺系统是一个非常复杂的振动系统,系统中的振动使工件与刀具之间的相对位置发生了微幅变动,最终使工件表面粗糙度增大、表面质量降低。有关学者通过研究发现:机床主轴的振动、导轨的振动以及刀具的振动都具有高频率、小振幅的特征,积屑瘤、外界干扰、机床刚性不足以及高速旋转部件不平衡也会引起切削振动,最终导致加工表面微观特征的改变。另外,切削系统中的动态效应对振动也有显著的影响。因此,必须采取必要的预防措施来减小或防止振动对超精密加工表面质量的影响。7 控制和检测超精密加工控制采用数控系统,控制

20、精度要求很高,但其控制模型难以精确建立,一般应用误差补偿闭环控制、插补等技术以提高控制精度。精密测量同加工一样重要,超精密加工对测量期望更高。因为没有高精度测量手段,就不能评价超精密加工精度,通常认为测量精度应高于加工精度一个数量级。运动精度和定位精度的提高依赖于检测、控制分辨率的提高。但是,能够用10nm数量级的精度等级来评价机床运动精度的计量技术还没有通用化。传感器的检测精度(分辨率和重复性等)的提高是提高检测精度的关键问题。7.1光棚式刻度尺光棚式刻度尺是通过移动两块刻度尺的位置,使之产生黑白条纹,再用光电二极管检测明暗条纹数而进行测量。将所得的一个明暗周期的1/4信号,通过组合,还能进

21、行分细。为了提高光棚的分辨率,最好是缩小刻线尺条纹的间距。但间距过小,则会引起光衍射现象,因而分辨率是有限的(约为011Lm)。为此,开发了衍射光棚。利用光的多次衍射现象,可以覆盖几十毫米的范围,使分辨率提高到0101Lm。但是,当使整个测量范围的累计误差达到与分辨率相等时,再提高就困难了。另外,由于计数器的性能关系,高速移动刻度尺会造成计数跟不上的难题。7.2 激光干涉仪激光干涉仪是利用激光作光源的干涉方法,其特点如下:分辨率高;测量范围大;是以光波长为基准的绝对测长。使用不同波长的二束激长的光外差方法,可以高灵敏度地检测位移,可得到nm级的分辨率。但是激光干涉仪在操作上有一定的难度:对环境

22、有严格要求,需补偿光的折射率;操作者需要有对光学元件的调整经验。7.3 利用隧道效应的方法(STM)这种方法可以获得0.1nm的分辨率,它是使具有电位差的两个物体接近而不接触,利用在其间隙中流动的隧道电流产生的隧道效应进行测量。进行这样的超精密测量,其测量环境是非常重要的,即必须能高精度的控制振动和温度变化。8 加工环境超精密加工对环境的要求十分严格,不仅要求恒温、恒湿和洁净,而且还要隔绝振动。8.1超精密加工机床的环境、振动和防尘控制在金属零件加工中,尺寸为100mm的零件,温度每变化1,就会造成尺寸误差11.6m。所以对要保证0.01m的尺寸精度,必须有能控制0.01的温度措施。对高精度机

23、床,在设计时可采用如下方法:(1)选用与加工零件相同的材料构成机床,采用对温度适应性好的薄壁结构。(2)选择导热性差的材料作为结构材料,设计大热容量,使之不受微小温度变化的影响。但热容量大,意味着达到设定温度的时间长。(3)使用不受热影响的线性膨胀系数极低的材料。一般在加工过程中采用油喷淋冷却以控制机床和工件温度、隔绝热对超精密加工区的干扰。在油喷淋温度监控制系统中要消除因环境和冷却水温度变化引起的低频温度变化,减少温度变化源的干扰,减少输送油温出现的滞后时间。伴随切削而产生的振动对超精密加工带来很大影响。通常,软金属的微量切削,所需的切削力只是几牛顿以下。因此,在超精密加工机床整体设计时可不

24、必太在意,相反,在刀具的周围和工件安装的局部范围内,就应注意切削力引起的振动和变形。为了解决机床内部的强制振动,运动部分需要彻底的轻量化和充分的动态平衡。光有满足刚性的床身设计是不够的,还必须有能吸收不平衡振动的床身重量。大面积超净不易达到高的洁净度,且造价昂贵,所以机床要用防尘罩隔离,通入洁净空气造成正压,以形成可靠的洁净小环境。此外机床还应有吸尘装置,以保证加工质量。8.2超精密加工的环境基础设施(1)洁净度超精密加工应在高洁净度室内进行,无高洁净度环境是不能研磨出低粗糙度表面,所以要达到低的表面粗糙度的加工,就要注意灰尘的影响,灰尘的混入会使镜面划伤和使工件精度受到损害。在超精密研磨中,

25、研磨剂的颗粒可小至100,而灰尘的微粒竟比研磨刘的颗粒大数十倍至数百倍。通常要求洁净度为100级(即每立方英尺的空气内含大于0.5m的灰尘粒不超过100个)以上的洁净室。(2)温湿度在要求纳米加工的超精密环境中,温湿度是基本要求的环境因素。严格的温度控制需掌握各机器设备的发热量。湿度与加工内容有关,一般在40%RH以下时由于静电的影响加工精度易受影响,而在50%RH以上时,又担心生锈,因此多把湿度40%50%RH定为要求的环境。湿度的容许范围与温度的容许范围有关联, ±5%的湿度控制范围适应于±1的温度控制范围。(3)气流和压力为得到很高的洁净度,采用使室内的气流以均匀的速

26、度向同一个方向流动的方式,让洁净的空气直接流过作业区域,用洁净的空气冲洗灰尘。为保持超精密加工环境的洁净度和温湿度,需要使室内的压力比外部高即室内正压。为保持室内正压,空气的输入量比输出量大。因此,必须正确地掌握从作业空间排出的气量,以保持室内外稳定的压差。(4)振动在超精密加工中,机床振动已由本身解决,而外界振动对超精密加工的精度和粗糙度影响甚大。采用带防振沟的隔振地基和把机床放在地下室,都是一种有效的隔振措施。但是,频率较低的振动不能有效隔离。用隔振动气垫隔振具有灵活性和能隔离低频率振动的效果。隔振气垫能有效隔离高于2HZ的低频振动。为了避免机床部件在运动过程中机床底座的倾斜,隔振气垫应具有自动调平装置。9 被加工工件的检测方法对零件的检测主要包括实时在线检测和计量室的离线计量检测,随着精度的逐步提高,在线检测和误差补偿技术越来越受到重视。目前多数计量工作还是在计量室完成的,主要检测的指标是形状误差和表面粗糙度等,还应大力开发的研制测量超精表面微缺陷、裂纹以及应力分布的仪器。三座标测量机以及各类表面粗糙度检测仪器等始终占据主导地位,随着CNC三座标测量机的诞生,使自动化计量能向更高一步迈进。事实上,一种消除或减小误差的方法是硬方法,即通过提高机床制造精度、保证加工环境等实现.另一种即为误差补偿方式,这种方式应当建立在对加工