精密与超精密加工课件

1、第二章第二章 超精密切削与超精密切削与金刚石刀具金刚石刀具l超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色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，可以直接切出超光滑的加工表面。金属和非金属，可以直接切出超光滑的加工表面。l用金刚石刀具进行超精密切削、用于加工铝合金，无氧用金刚石刀具进行超精密切削、用于加工铝合金，无氧 铜，黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。在符铜，黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。在符 合条件的机床和环境条件下，可以得到超光滑表面，表面合条件的机床和环境条件下，可以得到超光滑表面，表面 粗糙度粗糙度Ra0.020.05 m，精度，精度0

2、. 01 m 。l现在用于加工陀螺仪，激光反射镜，天文望远镜的反射现在用于加工陀螺仪，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。硒鼓，菲尼尔透镜等。 l超精密切削也是金属切削的超精密切削也是金属切削的种，它当然也服从金属切种，它当然也服从金属切 削的普遍规律，它同时也有不少的特殊规律。这是由金刚削的普遍规律，它同时也有不少的特殊规律。这是由金刚 石刀具的特殊物理化学性能和切削层极薄等因素造

3、成的。石刀具的特殊物理化学性能和切削层极薄等因素造成的。 我们将研究超精密切削的一些主要的特殊切削规律。我们将研究超精密切削的一些主要的特殊切削规律。 l超精密切削时使用天然单晶金刚石刀具，切削刃可磨得超精密切削时使用天然单晶金刚石刀具，切削刃可磨得 极锋利。极锋利。 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择第一节第一节 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择超精密切削可以使用很高的切削速度超精密切削可以使用很高的切削速度l超精密切削要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度，超精密切削要求得到超光滑的加工表面和高的加工精度， 这要求刀具有高的尺寸寿命。这要求刀具有高的尺寸寿命。

4、l高速切削时刀具磨损亦甚慢。因此高速切削时刀具磨损亦甚慢。因此超精密切削时，切削超精密切削时，切削 速度并不受刀具寿命的制约。速度并不受刀具寿命的制约。这点是和普通的切削规律这点是和普通的切削规律 不同的。不同的。 超精密切削可以使用很高的切削速度超精密切削可以使用很高的切削速度第一节第一节 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择l超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的 超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择 振动最小的转速。振动最小的转速。因为在该转速时表面粗糙度最小

5、、加工质量最高。获得因为在该转速时表面粗糙度最小、加工质量最高。获得 高质量的加工表面是超精密切削的首要问题。高质量的加工表面是超精密切削的首要问题。使用质量好，特别是动特性好，振动小的超精密机床可使用质量好，特别是动特性好，振动小的超精密机床可 以使用高的切削速度，可以提高加工的效率。以使用高的切削速度，可以提高加工的效率。选择切削速度的依据选择切削速度的依据第一节第一节 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择l例如：某超精密车床在例如：某超精密车床在700800rmin时振动最大。时振动最大。因此用这机床进行超精密切削时，要避开该转速范围，因此用这机床进行超精密切削时，要避开该转

6、速范围， 用高于或低于该转速切削，均可得到较好的加工表面质用高于或低于该转速切削，均可得到较好的加工表面质 量。量。在加工批量小时可选低转速；在批量大要求生产率高时在加工批量小时可选低转速；在批量大要求生产率高时 提高转速。提高转速。选择切削速度的依据选择切削速度的依据第一节第一节 超精密切削的切削速度选择超精密切削的切削速度选择l天然单晶金刚石刀具用于超精密切削，破损或天然单晶金刚石刀具用于超精密切削，破损或 磨损而不能继续使用的标志磨损而不能继续使用的标志为加工表面粗糙度为加工表面粗糙度 超过规定值超过规定值。 天然单晶金刚石刀具破损或磨损的标志天然单晶金刚石刀具破损或磨损的标志金刚石刀具

7、寿命的表示方法金刚石刀具寿命的表示方法l金刚石刀具的寿命金刚石刀具的寿命平时以其切削路径的长度计。平时以其切削路径的长度计。l如切削条件正常，金刚石刀具的寿命可达数百公里。如切削条件正常，金刚石刀具的寿命可达数百公里。 图图2-1为美国为美国LLL实验室进行的刀具磨损试验的结果，其实验室进行的刀具磨损试验的结果，其 中中图图2-1a为切最初为切最初300m时的加工表面粗糙度，时的加工表面粗糙度，图图2-1b为为 切切 20km时的表面粗糙度。时的表面粗糙度。可以看到，在切削长度超过可以看到，在切削长度超过20km后，加工表面粗糙度后，加工表面粗糙度Ra 仍在仍在0.01m以内，刀具仍能继续使用

8、。以内，刀具仍能继续使用。由于刀具的磨损甚少，故同一刀具可以加工很多零件，零由于刀具的磨损甚少，故同一刀具可以加工很多零件，零 件的尺寸一致，基本不受刀具磨损的影响。件的尺寸一致，基本不受刀具磨损的影响。l实际使用中金刚石刀具常达不到上述的寿命，常常是由于实际使用中金刚石刀具常达不到上述的寿命，常常是由于 切削刃产生微小崩刃而不能继续使用，这主要是切削刃产生微小崩刃而不能继续使用，这主要是由于切削由于切削 时的振动或刀刃的碰撞引起的。时的振动或刀刃的碰撞引起的。l注意：注意：天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高 精度机床上，否则由

9、于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃精度机床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃 微观崩刀，不能继续使用。微观崩刀，不能继续使用。金刚石刀具要求使用维护极为小心，不允许在有振动的机金刚石刀具要求使用维护极为小心，不允许在有振动的机 床上使用。床上使用。在刀具设计时应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃有在刀具设计时应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃有 较高强度。较高强度。 图图2-2为金刚石刀具磨损区概为金刚石刀具磨损区概 貌。一般到加工表面粗糙度貌。一般到加工表面粗糙度 改变时，刀具磨损仍甚小，改变时，刀具磨损仍甚小， 刀刃的正常磨损情况，如刀刃的正常磨损情况，如 图图2-3a所示。所示。

10、图图2-3b中为剧烈磨损情况。中为剧烈磨损情况。 从图中可看到磨损后成层从图中可看到磨损后成层 状，即刀具磨损为层状微小状，即刀具磨损为层状微小 剥落，这大概是剥落，这大概是由于金刚石由于金刚石 沿沿(111)晶面有解理现象产生晶面有解理现象产生 而造成这样的磨损形式。而造成这样的磨损形式。 图图2-4中是金刚石切削钢和镍时的磨损形式，沿切削速度中是金刚石切削钢和镍时的磨损形式，沿切削速度 方向出现磨损沟槽，这是由于金刚石和铁、镍的化学和方向出现磨损沟槽，这是由于金刚石和铁、镍的化学和 物理亲和性而产生的腐蚀沟槽。物理亲和性而产生的腐蚀沟槽。图图2-5为刀刃产生微小崩刃时情况，在金刚石刀具切削

11、为刀刃产生微小崩刃时情况，在金刚石刀具切削 时，如有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。时，如有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。 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一、一、超精密切削时超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响切削参数对积屑瘤生成的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响l例如金刚石刀具精切硬铝例如金刚石刀具精切硬铝2A12时，时，不同的切削速度都产生积屑瘤。不同的切削速度都产生积屑瘤。但但切削速度变化将影响切削速度变化将影响 积屑瘤的高度。积屑瘤的高度。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到 一定值时，

12、积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。 从从图图2-6可看到当切削速度较低可看到当切削速度较低 时，积屑瘤高度时，积屑瘤高度ho最高，而当最高，而当 切削速度大于切削速度大于v314m/min 时，积屑瘤趋于稳定，高度变化时，积屑瘤趋于稳定，高度变化 不大。这说明不大。这说明在低速切削时在低速切削时,切切 削温度比较低，较适于积屑增生削温度比较低，较适于积屑增生 长，且在低速时长，且在低速时ho值比较稳定。值比较稳定。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一、一、超精密切削时超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响切削参数对积屑瘤生成的影响1 1

13、、切削速度的影响、切削速度的影响在中速时在中速时ho值不稳定。值不稳定。切黄铜和紫铜，积屑瘤切黄铜和紫铜，积屑瘤 不稳定且比较小高度不稳定且比较小高度 ho在在0.10.75 m 。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一、一、超精密切削时超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响切削参数对积屑瘤生成的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响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一、一、超精密切削时超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响切削参数对积屑瘤生成的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响l刀刃的微观缺陷直接影响积屑瘤的高度。刀刃的微观缺陷直接影响积

14、屑瘤的高度。l在某相同的切削条件下，完整刃的积屑瘤高度在某相同的切削条件下，完整刃的积屑瘤高度 为为5 m ，而有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度为，而有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度为 18 m 。 2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量apap的影响的影响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一、超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响一、超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响l在实验的切削参数范围内都在实验的切削参数范围内都 有积屑瘤产生。有积屑瘤产生。如图如图2-7：在进给量很小时，：在进给量很小时， 积屑瘤的高度积屑瘤的高度h0 较大，在较大，在 f=5m/r时时h0值最

15、小，值最小，f值值 再增大时，再增大时，h0值稍有增加，值稍有增加， 这这是由于切削温度变化所是由于切削温度变化所 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一、一、超精密切削时超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响切削参数对积屑瘤生成的影响2 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量apap的影响的影响如如图图2-8：在背吃刀量：在背吃刀量ap25 m 后，后， 积屑瘤高度将随积屑瘤高度将随ap值的增加值的增加 而增加，这而增加，这是由于切削温度是由于切削温度 变化和积屑瘤底部粘附面积变化和积屑瘤底部粘附面积 的变化所造成的。的变化所造成的。超精密切削时积屑瘤

16、的生成规律超精密切削时积屑瘤的生成规律1 1、对切削力的影响、对切削力的影响l实验证明实验证明超精切削时切削力的超精切削时切削力的 变化规律和普通切削是有区别变化规律和普通切削是有区别 的。的。如图超精密切削铝合金和紫铜如图超精密切削铝合金和紫铜 时，时，低速时切削力大，随切削低速时切削力大，随切削 速度增加，切削力急剧下降。速度增加，切削力急剧下降。 到到200300mmin后，切削力后，切削力 基本保持不变。基本保持不变。 l这规律和这规律和图图2-6中的积屑瘤高度中的积屑瘤高度h0随切削速度的变化规律随切削速度的变化规律 一致。一致。 即即积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力也积屑瘤高时

17、切削力大，积屑瘤小时切削力也 小，小，和普通切削切钢时的规律正好相反和普通切削切钢时的规律正好相反。 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、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超精密切削时积屑瘤的生成规律1 1、对切削力的影响、对切削力的影响l普通切削切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，普通切削切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，l故故积屑瘤增大可使切削力下降，积屑瘤增大可使切削力下降， l但超精切削时切削力增大。但超精切削时切削力增大。 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分析积屑瘤造成切削力增加的原因分析积屑瘤造成切削

18、力增加的原因鼻形积屑瘤前端的鼻形积屑瘤前端的圆弧半径圆弧半径R大约为大约为23m，较原来金，较原来金刚石车刀的刃口刚石车刀的刃口rn= 0.20.3大得多。由大得多。由于超精切削切削于超精切削切削 层极薄，实际切削层极薄，实际切削是由刃口半径是由刃口半径R起起作用，这将导致切作用，这将导致切 削力明显增加；削力明显增加； 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分析积屑瘤造成切削力增加的原因分析积屑瘤造成切削力增加的原因积屑瘤存在时，它代替积屑瘤存在时，它代替金刚石刀刃进行切削，金刚石刀刃进行切削，积屑瘤和切屑间的摩擦积屑瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面及积屑瘤和已加工表面

19、之间的摩擦都很严重，之间的摩擦都很严重，摩擦力很大，大大超过摩擦力很大，大大超过金刚石和这些材料之间金刚石和这些材料之间的摩擦力，这导致切削的摩擦力，这导致切削力的增加；力的增加； 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分析积屑瘤造成切削力增加的原因分析积屑瘤造成切削力增加的原因积屑瘤呈鼻形并自刀刃积屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，这导致实际切前伸出，这导致实际切削厚度超过名义值。超削厚度超过名义值。超精密切削的切削厚度原精密切削的切削厚度原来就甚小，增加切削厚来就甚小，增加切削厚度将使切削力明显增加。度将使切削力明显增加。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2

20、 2、对加工表面粗糙度的影响、对加工表面粗糙度的影响l超精切削的积屑瘤呈鼻形，代替刀刃进行切削，积屑瘤超精切削的积屑瘤呈鼻形，代替刀刃进行切削，积屑瘤 和己加工表面剧烈摩擦，使表面粗糙度加大。和己加工表面剧烈摩擦，使表面粗糙度加大。l加工表面粗糙度直接和积屑瘤的高度有关，即积屑瘤高加工表面粗糙度直接和积屑瘤的高度有关，即积屑瘤高 度大，表面租糙度大；积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。度大，表面租糙度大；积屑瘤小时加工表面粗糙度亦小。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如图如图可看到加工硬铝时，如加航可看到加工硬铝时，如加航 空汽油为切削液，可明显减小加空汽油为切削液，可明显减小

21、加 工表面粗糙度，并且在低速时表工表面粗糙度，并且在低速时表 面粗糙度亦很小。面粗糙度亦很小。 这说明使用切削液后，已消除了这说明使用切削液后，已消除了 积屑瘤对加工表面粗糙度的影响。积屑瘤对加工表面粗糙度的影响。 这时切削速度已和加工表面粗糙这时切削速度已和加工表面粗糙 度无关，度无关，这情况是和普通切削时这情况是和普通切削时切钢的规律不同。切钢的规律不同。 加工黄铜时，切削液无加工黄铜时，切削液无 明显效果，低速时加工明显效果，低速时加工 表而粗糙度不大，故加表而粗糙度不大，故加工黄铜可使用也可不使工黄铜可使用也可不使用切削液。用切削液。 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

22、表面质量的影响l切削速度变化将影响切削变形，将影响加工表面的粗糙切削速度变化将影响切削变形，将影响加工表面的粗糙 度和度和变质层变质层，但在常用的超精密速度范围内对加工表面，但在常用的超精密速度范围内对加工表面 粗糙度的影响并不显著。粗糙度的影响并不显著。l这里讨论切削速度对加工表面粗糙度的影响时，只考虑这里讨论切削速度对加工表面粗糙度的影响时，只考虑 使用切削液的情况。使用切削液的情况。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l如图如图给出了一组切削速度变给出了一组切削速度变 化对加工表面粗糙度影响关化对加工表面粗糙度影响关 系的实验结果。系的实验结果。l可以看到有切

23、削液的条件下可以看到有切削液的条件下 切削速度对加工表面粗糙度切削速度对加工表面粗糙度 的影响其微。的影响其微。 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表表2-1实验结果表明，实验结果表明，切削速度对加工表面粗糙度基本无影切削速度对加工表面粗糙度基本无影 响，响，表表中表面粗糙度略有变化，主要是受机床动特性的影中表面粗糙度略有变化，主要是受机床动特性的影 响。响。在刀具、机床、环境条件都符合条件时，从极低到很高切削在刀具、机床、环境条件都符合条件时，从极低到很高切削 速度，都能够得到粗糙度极小的加工表面速度，都能够得到粗糙度极小的加工表面(Ra0.01m)。 表表2-

24、2中是不同进给量时中是不同进给量时的表面粗糙度，可看到在使的表面粗糙度，可看到在使用用有修光刀的刀具时，有修光刀的刀具时，f 0.02mm/r时，进给量再时，进给量再 减小对表面粗糙度影响不减小对表面粗糙度影响不 大。大。 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l为使加工表面粗糙度值减小，超精切削都采用为使加工表面粗糙度值减小，超精切削都采用很小的进很小的进 给量给量，刀具制成带，刀具制成带修光刃修光刃的。的。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l如图如图是在超精密切削条件下，是在超精密切削条件下， 变化进给量得到的加工表面粗变化进给量得到

25、的加工表面粗 糙度实验结果。糙度实验结果。实验中使用圆弧切削刃刀具。实验中使用圆弧切削刃刀具。可看到在进给量可看到在进给量f 5mr 时，均达到时，均达到Rmax 0.05m 的镜面。的镜面。 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刀刃形状对加工表面粗糙度的影响刀刃形状对加工表面粗糙度的影响超精密切削时用的单晶金刚石刀具，超精密切削时用的单晶金刚石刀具， 有做成有做成直线修光刃直线修光刃的，也有的做成的，也有的做成圆圆 弧刃弧刃。刀具有直线修光刃时，可减少残留面刀具有直线修光刃时，可减少残留面 积，减小加工表面的粗糙度值。积，减小加工表面的粗糙度值。修光刃的长度常取修

26、光刃的长度常取0.050.20mm。若长度过长，对提高加工表面质量效若长度过长，对提高加工表面质量效 果不大。果不大。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刀刃形状对加工表面粗糙度的影响刀刃形状对加工表面粗糙度的影响l对有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对刀，使修光对有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对刀，使修光 刃和进给方向一致。刃和进给方向一致。生产中常使用生产中常使用对刀显微镜对刀显微镜来精确对刀。来精确对刀。为易于对刀，圆弧刃半径一般取为易于对刀，圆弧刃半径一般取R=25mm。 由于超精密切削进给量很小，故用圆弧刃车刀时仍可切除由于超精密切削进给量很小，故用圆

27、弧刃车刀时仍可切除 高质量的超光滑表面。高质量的超光滑表面。使用圆弧刃车刀时对刀使用方便，但刀具制造较复杂。使用圆弧刃车刀时对刀使用方便，但刀具制造较复杂。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l实验表明（表实验表明（表2-3），背吃刀量减小使加工表面粗糙度加），背吃刀量减小使加工表面粗糙度加 大。经分析后发现这实验使用的刀具刃口半径大。经分析后发现这实验使用的刀具刃口半径rn较大，故较大，故 背吃刀量小时，切削困难，变质层大，造成加工表面粗糙背吃刀量小时，切削困难，变质层大，造成加工表面粗糙 度加大。度加大。背吃刀量变化对加工表面粗糙度的影响背吃刀量变化对加工表面粗

28、糙度的影响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背吃刀量变化对加工表面粗糙度的影响背吃刀量变化对加工表面粗糙度的影响l实验结果（实验结果（图图2-15）：在在v314m/min、f 2.5m/r的超精密切削的超精密切削 条件下，背吃刀条件下，背吃刀 ap=0.55 m时均得到时均得到 极小表面粗糙度的镜面。极小表面粗糙度的镜面。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背吃刀量变化对加工表面残留应力的影响背吃刀量变化对加工表面残留应力的影响l切削实验：切削实验：采用采用v=314mmin 、 f=2.5m/r，加工材料硬铝，加工材料硬铝2A12。

29、 使用日本生产的使用日本生产的X射线应力测量仪射线应力测量仪 测残留应力。测残留应力。l实验结果实验结果（如（如图图2-16）：）：背吃刀量背吃刀量 减少，表面残留应力亦减小，减少，表面残留应力亦减小，但小但小 过某临界值时，背吃刀量减小反而过某临界值时，背吃刀量减小反而 使加工表面残留应力增加。使加工表面残留应力增加。这临界这临界 值的大小和刀刃锋锐度值的大小和刀刃锋锐度(刀口半径刀口半径 rn )有关有关即刀刃锋锐时该临界值即刀刃锋锐时该临界值 就要小些。就要小些。切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响l金刚石刀具的钝圆半径金刚石刀具的钝圆半径

30、rn值可值可 采用采用扫描电镜扫描电镜和和原子力显微镜原子力显微镜 测量。如测量。如图图2-17l对比试验：对比试验：l图图2-18是试验用的金刚石车刀是试验用的金刚石车刀 几何形状，两把刀几何形状完几何形状，两把刀几何形状完 全相同，仅锋锐度有差别。全相同，仅锋锐度有差别。 实实 际切削刃钝圆半径分别为际切削刃钝圆半径分别为 0.3m和和0.6m。切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响加工表面粗糙度的影响加工表面粗糙度的影响1.1.两把刀在不同背吃刀量时的加工表面粗糙度两把刀在不同背吃刀量时的加工表面粗糙度l实验结果：切削实验结果：切削 刃锋锐度

31、对加工刃锋锐度对加工 表面粗糙度有明表面粗糙度有明 显影响：显影响：l背吃刀量相同背吃刀量相同 时，更锋锐的刀时，更锋锐的刀 具切出的表面粗具切出的表面粗 糙度更小。糙度更小。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响加工表面粗糙度的影响加工表面粗糙度的影响2.2.两把刀在不同进给量时的加工表面粗糙度两把刀在不同进给量时的加工表面粗糙度l实验结果：实验结果：l在不同进给在不同进给 量时，锋锐量时，锋锐 的金刚石车的金刚石车 刀加工表面刀加工表面 粗糙度值较粗糙度值较 小，差别是小，差别是 很明显的。很明显的。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切

32、削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响加工表面粗糙度的影响加工表面粗糙度的影响3.3.两把刀具在不同切削速度两把刀具在不同切削速度v v时的加工表面粗糙度时的加工表面粗糙度 l采用较小的背吃刀量和进给量时采用较小的背吃刀量和进给量时(ap12m， f2.5m r)，两把刀切出的加工表面粗糙度两把刀切出的加工表面粗糙度 相差不大相差不大。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响l用金刚石刀具进行超精密切削，刀刃锋锐度对切削变形用金刚石刀具进行超精密切削，刀刃锋锐度对切削变形 有着很大影响，特别是在背吃刀量和进给量较小的时候。有着很大影响，特别是

33、在背吃刀量和进给量较小的时候。l直接测量切削变形比较困难，故通过测量切屑的变形系直接测量切削变形比较困难，故通过测量切屑的变形系 数、测量切削力、测量加工表面的变形程度来说明切削数、测量切削力、测量加工表面的变形程度来说明切削 变形的大小。变形的大小。l经实测，经实测，用锋锐金刚石车刀切削时，切屑变形系数明显用锋锐金刚石车刀切削时，切屑变形系数明显 低于用较钝的刀具切削时的切屑变形系数。低于用较钝的刀具切削时的切屑变形系数。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响l刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。l 刃口半径增大，切

34、削力增大，即切削刃口半径增大，切削力增大，即切削 变形大。背吃刀量很小时，切削力显变形大。背吃刀量很小时，切削力显 著增大。著增大。l因为背吃刀量很小时，刃口半径造成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大比例，刃口的微小变化将使切削变 形产生很大的变化。形产生很大的变化。 l所以在背吃刀量很小的精切时，应采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。用刃口半径很小的锋锐金刚石车刀。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响1.1.对加

35、工表面冷硬的影响对加工表面冷硬的影响1)金刚石刀具锋锐度不同时，加工表面变质层的冷硬和显金刚石刀具锋锐度不同时，加工表面变质层的冷硬和显 微硬度有明显差别；微硬度有明显差别；2)在金刚石刀具较锋锐的情况下在金刚石刀具较锋锐的情况下(rn0.3m)，超精密切，超精密切 削的加工表面仍有较大的冷硬存在，在加工表面要求变削的加工表面仍有较大的冷硬存在，在加工表面要求变 质层很小的情况下，应努力将金刚石刀具研磨得更加锋质层很小的情况下，应努力将金刚石刀具研磨得更加锋 锐，即要求锐，即要求rn值更小。值更小。切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响2 2、对加

36、工表面组织位错的影响、对加工表面组织位错的影响l刃口半径越小，位错刃口半径越小，位错 密度越小，切削变形密度越小，切削变形 越小，表面质量越高。越小，表面质量越高。 切削刃锋锐度对切削变形、切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影响加工表面质量的影响1) 刃口半径越小，残留应力越低；刃口半径越小，残留应力越低；2)背吃刀量背吃刀量ap减小，可使残留应力减小；减小，可使残留应力减小；3)当背吃刀量当背吃刀量ap减小到某临界值时，再继续减小背吃刀减小到某临界值时，再继续减小背吃刀 量，却使加工表面残留应力增大。量，却使加工表面残留应力增大。 切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题超精密切削能达到

37、的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度1.1.实际切削达到的最小切削厚度实际切削达到的最小切削厚度l超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的 锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境 条件等都直接有关。条件等都直接有关。l研究结果之一证明，研究结果之一证明，使用极锋锐的刀具和机床条件最佳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，可以实现切削厚的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可以实现切削厚 度为纳米度为纳米(nm）级的连续稳定切削。）级的连续稳定切削。

38、切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度1.1.实际切削达到的最小切削厚度实际切削达到的最小切削厚度l图图2-23为为这项实验中用扫描电镜拍摄的一组切屑的照这项实验中用扫描电镜拍摄的一组切屑的照 片，其切削厚度分别为片，其切削厚度分别为30nm和和1nm，实验使用的单晶金，实验使用的单晶金 刚石刀具是日本大阪金刚石公司特制的，切削试验的机刚石刀具是日本大阪金刚石公司特制的，切削试验的机 床是床是LLL实验室的超精密金刚石车床。实验室的超精密金刚石车床。l从从STM照片中可以看到在切削厚度极小时照片中可以看到在切削厚度极小时(hDmin

39、 1nm） 仍能得到连续稳定的切屑，说明切削过程是连续、稳定和仍能得到连续稳定的切屑，说明切削过程是连续、稳定和 正常的。正常的。 切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l超精密切削时能达到的超精密切削时能达到的 极限最小切削厚度和金极限最小切削厚度和金 刚石刀具刀刃锋锐度刚石刀具刀刃锋锐度 (刀口半径刀口半径rn值值)有关，有关， 和被切材料的物理力学和被切材料的物理力

40、学 性能有关。性能有关。 切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l超精密切削时能达到的超精密切削时能达到的 极限最小切削厚度和金极限最小切削厚度和金 刚石刀具刀刃锋锐度刚石刀具刀刃锋锐度 (刀口半径刀口半径rn值值)有关，有关， 和被切材料的物理力学和被切材料的物理力学 性能有关。性能有关。 图图2-24所示为极限最小切削所示为极限最小切削 厚度厚度hDmin和切削刃钝圆半径和切削刃钝圆半径rn 的关系，极限临界点的关系，极限临界点A以上被以上被 加工材料将堆积起来形成

41、切加工材料将堆积起来形成切 屑，而屑，而A以下，加工材料经以下，加工材料经 弹塑变形，形成加工表面，弹塑变形，形成加工表面， 如如图图2-24a所示。所示。 切削中的若干理论问题2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l分析临界点分析临界点A的受力变形情的受力变形情 况。如况。如图图所示。所示。l在在A点处工件受水平力点处工件受水

42、平力Ff和和 垂直力垂直力FP作用。作用。l这两力亦可分解为这两力亦可分解为A点处的点处的 法向力法向力FN 和切向力和切向力FT，则，则 FN力和力和FT力可用下式计算：力可用下式计算： 切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系FN=Fpcos+Ffsin FT=Ffcos+FpsinFT=FN tan =(Ff- Fp)/(Ff+Fp)切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削

43、厚度的关系和最小切削厚度的关系l仅在实际摩擦力仅在实际摩擦力(FT) 大于大于 FT时时，被切材料和刀刃刃，被切材料和刀刃刃 口圆弧无相对滑移，将随刀口圆弧无相对滑移，将随刀 刃前进，形成堆积，最后刃前进，形成堆积，最后形形 成切屑成切屑而被切除。故而被切除。故 (FT) Ffcos-Fpsin 切削中的若干理论问题2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度l现在现在A点为点为极限临界点极限临界点，极，极 限最小切削厚度限最小切削厚度hDmin应为应为切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小

44、切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l分析这方程式可知，当刀刃刃口半径分析这方程式可知，当刀刃刃口半径rn为某值时，能为某值时，能 切下的最小切削厚度切下的最小切削厚度hDmin和临界点处的和临界点处的Fy/Fx比值有比值有 关，并和刀具工件材料间的摩擦系数有关。关，并和刀具工件材料间的摩擦系数有关。l在切削时，在切削时，A点处的点处的FP/Ff 比值是利工件材料的强度、比值是利工件材料的强度、 延伸率、摩擦系数有关，并和延伸率、摩擦系数有关，并和A点位置的高低有关。点位置的高低有关。l根据经验，根据经验，A

45、点处的点处的FP/Ff比值比值 一般在一般在0.81范围内。范围内。 对于用金刚石刀具进行超精密切削，根据经验可以取对于用金刚石刀具进行超精密切削，根据经验可以取 FP0.9Ff。切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l我们曾实测过金刚石和铝合金之间的摩擦系数为我们曾实测过金刚石和铝合金之间的摩擦系数为0.06 0.13(随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化)，在，在 切削过程中摩擦系数可假设为上述数值的两倍，即切削过程中摩擦系数可假

46、设为上述数值的两倍，即 0.120.26。切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l图图2-24中中所示实际切削时能正常切削的最小切削厚度所示实际切削时能正常切削的最小切削厚度 HDmin1nm，这时可以估算所用的金刚石刀具刃口，这时可以估算所用的金刚石刀具刃口 半径半径rn应为应为34nm。l这是极为锋锐的金刚石刀具，它的刃口半径这是极为锋锐的金刚石刀具，它的刃口半径rn

47、值比现在值比现在 生产中用的要小很多。生产中用的要小很多。切削中的若干理论问题超精密切削能达到的最小切削厚度超精密切削能达到的最小切削厚度2.2.刀刃刃口半径刀刃刃口半径r rn n和最小切削厚度的关系和最小切削厚度的关系l用高速调和硬质合金刀具进行切削试验，研究能达到用高速调和硬质合金刀具进行切削试验，研究能达到 的最小切削厚度，得到如下结果的最小切削厚度，得到如下结果: l现在我国生产中使用的金刚石刀具，刀刃锋锐度约为现在我国生产中使用的金刚石刀具，刀刃锋锐度约为 rn=0.25m，特殊精心研磨可以达到，特殊精心研磨可以达到rn0.1m。切削中的若干理论问题1.1.刀具晶面选择对切削变形和

48、加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响1）(100)晶面的摩擦系数曲线有晶面的摩擦系数曲线有4 个个波峰和波谷；波峰和波谷；(110)晶面有晶面有2 个个波峰和波谷；波峰和波谷；(111)晶面有晶面有3 个个波峰和波谷；波峰和波谷；2） ( 100)晶面的摩擦系数最低；晶面的摩擦系数最低； (111)晶面次之；晶面次之；(110）晶面晶面 最高；最高；3） (100)晶面的摩擦系数差别最晶面的摩擦系数差别最 大大 ；(110)晶面次之；晶面次之； ( 111) 晶面最小。晶面最小。 切削中的若干理论问题刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工

49、表面质量的影响2.2.l用对比实验的方法，比较金刚石刀具晶面不同对切削变用对比实验的方法，比较金刚石刀具晶面不同对切削变 形的影响。形的影响。 l用两把金刚石车刀，几何形状相同，但用两把金刚石车刀，几何形状相同，但No1车刀前、后面车刀前、后面 为为(100)晶面；晶面；No2车刀为车刀为(110)晶面。晶面。l比较切削变形大小是通过观察切屑外形，测量切屑变形比较切削变形大小是通过观察切屑外形，测量切屑变形 系数和比较剪切角大小。系数和比较剪切角大小。 切削中的若干理论问题1)观察两把刀切下的切屑的外形，切屑的厚度，切屑上滑移观察两把刀切下的切屑的外形，切屑的厚度，切屑上滑移 线痕迹等，明显看

50、出。采用线痕迹等，明显看出。采用(100)晶面的晶面的No1车刀切下的车刀切下的 切屑变形，切屑变形，小于小于用用(110)晶面的晶面的No2车刀切下的切屑的变车刀切下的切屑的变 形。形。2)实测两把刀切下的切屑厚度，通过切屑厚度计算出切屑变实测两把刀切下的切屑厚度，通过切屑厚度计算出切屑变 形系数。形系数。No1车刀切下切屑的变形系数车刀切下切屑的变形系数小于小于用用No2车刀切车刀切 下切屑的变形系数。下切屑的变形系数。3)剪切角剪切角的计算：假设切削过程为直角自由切削。这时剪的计算：假设切削过程为直角自由切削。这时剪 切角可用下式计算：切角可用下式计算：l从表从表2-5中可以看出，中可以

51、看出，N01车刀的实际剪切角大于车刀的实际剪切角大于N02 车刀，即用（车刀，即用（100）晶面的）晶面的N01车刀切下的切屑变形小车刀切下的切屑变形小 于用（于用（110）晶面的）晶面的N02号车刀。号车刀。 切削中的若干理论问题切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题3.3.刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响（1）加工表面粗糙度）加工表面粗糙度 l用用(100)晶面的晶面的No1车刀和车刀和(110)晶面的晶面的No2车刀，在相同车刀，在相同 的切削条件下加工纯铜，改变进给量得到的加工表面粗的切削条件下加工纯铜，改变进给量得到的加工表面粗

52、糙度见糙度见图图2-26。 实验结果是在两把刀都比实验结果是在两把刀都比 较锋锐的情况下获得的。较锋锐的情况下获得的。可以看到可以看到No1车刀和车刀和No2 车刀的车刀的加工表面粗糙度相加工表面粗糙度相 差不多。差不多。切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响3.3.切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响3.3.（2）加工表面层的残余应力）加工表面层的残余应力l用上述两把金刚石车刀在相同的切削条件下加工紫铜。用上述两把金刚石

53、车刀在相同的切削条件下加工紫铜。l从实验结果可看到，从实验结果可看到，这两把金刚石车刀切出的加工表面这两把金刚石车刀切出的加工表面 层都有残余压应力，用（层都有残余压应力，用（100）晶面的）晶面的No1车刀切出的表车刀切出的表 面层残余压应力小于用（面层残余压应力小于用（110）晶面的）晶面的No2车刀所切出车刀所切出 的，特别是切向残余应力。的，特别是切向残余应力。 切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响3.3.（2）加工表面层的残余应力）加工表面层的残余应力l用摩擦系数小的用摩擦系数小的(100)晶面作

54、金刚石刀具的前、后面，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可使切削变形减小，并可减小后面与加工表面间的摩 擦，这是加工表面残余应力能减小的原因。擦，这是加工表面残余应力能减小的原因。l对要求残余应力小，要求长期尺寸稳定性高的精密零件对要求残余应力小，要求长期尺寸稳定性高的精密零件 的加工，这点应特别注意。的加工，这点应特别注意。切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响4.4.l使用使用(100)晶面和晶面和(110)晶面的金刚石刀具进行磨损耐用晶面的金刚石刀具进行磨损耐用

55、 度对比实验。度对比实验。l在两把刀均锋利时加工表面粗糙度相差不大在两把刀均锋利时加工表面粗糙度相差不大 。 l(110 )晶面的刀具磨损较快，晶面的刀具磨损较快，切削相当时间后，加工表切削相当时间后，加工表 面粗糙度已超过面粗糙度已超过Rmax0.05m；l (100)晶面的刀具磨损较慢，晶面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表切削较长时间后，加工表 面粗糙度仍是面粗糙度仍是Rmax0.05 m，刀具耐用度明显较，刀具耐用度明显较 高。高。l图图2-27为不同晶面刀具切削紫铜后的刀具磨损情况，为不同晶面刀具切削紫铜后的刀具磨损情况， 从图中可以明显看到从图中可以明显看到(100)晶面的金刚

56、石刀具磨损要晶面的金刚石刀具磨损要 比比(110)晶面小得多。晶面小得多。 切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题对切削变形和加工表面质量的影响对切削变形和加工表面质量的影响1.1.l超精密切削晶体材料时，由于晶体各向异性，不同晶向超精密切削晶体材料时，由于晶体各向异性，不同晶向 的切削变形和切削力都不相同。的切削变形和切削力都不相同。2.2.l超精密切削晶体材料时，由于晶体各向异性，不同晶向超精密切削晶体材料时，由于晶体各向异性，不同晶向 的加工表面粗糙度都不相同。的加工表面粗糙度都不相同。切削中的切削中的若干理论问题若干理论问题l超精密加工脆性材料

57、时，由于材料的脆性，切削加工表超精密加工脆性材料时，由于材料的脆性，切削加工表 层极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。层极易产生裂纹和崩碎凹坑等脆性破坏。l随着随着l脆性材料要实现脆性材料要实现第七节第七节 超精密切削对刀具的要求及金刚石的超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构性能和晶体结构1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。）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）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。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）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面

58、上，从 而得到超光滑的镜面。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）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数 不低，以得到极好的加工表面完整性。不低，以得到极好的加工表面完整性。第七节第七节 超精密切削对刀具的要求及金刚石的超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构性能和晶体结构1.1.第七节第七节 超精密切削对刀具的要求及金刚石的超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构性能和晶体结构2.2.第七节第七节 超精密切削对刀具的要求及金刚石的超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构性能和晶体结构3.3.u金刚石有甚高的硬度、较高的导热系数、和有色金

59、属间金刚石有甚高的硬度、较高的导热系数、和有色金属间 的摩擦因数低、开始氧化的温度较高，这些都是超精密的摩擦因数低、开始氧化的温度较高，这些都是超精密 切削刀具所要求的。切削刀具所要求的。u单晶金刚石可以研磨达到极锋利的刃口单晶金刚石可以研磨达到极锋利的刃口( rn 可以小到可以小到 0.050.01m)，没有其它任何材料可以磨到这样锋锐，没有其它任何材料可以磨到这样锋锐 并且能长期切削而磨损很小。并且能长期切削而磨损很小。u因此金刚石成为理想的、不能代替的超精密切削的刀具因此金刚石成为理想的、不能代替的超精密切削的刀具 材科。材科。三、金刚石的晶体结构三、金刚石的晶体结构l金刚石晶体属于立方

60、晶系，金刚石晶体属于立方晶系，常遇到的天然单晶金刚石为常遇到的天然单晶金刚石为 8面体和面体和12面体，面体，有时也会遇到有时也会遇到6面体或共它晶形面体或共它晶形。l人造单晶金刚石常为人造单晶金刚石常为6面体、面体、8面体和面体和12面体。面体。l优质金刚石晶形都比较规整。优质金刚石晶形都比较规整。l金刚石晶体只有各向异性和解理现象，不同晶向的物理金刚石晶体只有各向异性和解理现象，不同晶向的物理 性能相差很大。性能相差很大。l按晶体学原理金刚石晶体属于按晶体学原理金刚石晶体属于6方晶系，单晶硅和金方晶系，单晶硅和金 刚石有相同的晶体结构。刚石有相同的晶体结构。第七节第七节 超精密切削对刀具的