第2章超精密切削与金刚石刀具

第二章超精密切削与金刚石刀具

车刀和车削金刚石车床及其加工照片加工4.5mm陶瓷球超精密切削加工

第一节超精密切削的切削速度的选择金刚石刀具硬度很高，耐磨性好，摩擦系数低，寿命很长。加工有色金属时，切削速度可以很高。切削速度对金刚石刀具的磨损影响很小，切削速度不受刀具寿命的制约。与普通切削不同，泰勒公式：超精密切削的切削速度的选择超精密切削时速度的选择：通常根据机床的动态特性和整个切削系统的动态特性选择。一般选择机床振动最小时的切削速度，以保证加工表面质量。第二节超精密切削刀具磨损与寿命金刚石刀具的寿命一般以切削路程(Km,公里)表示。如果无意外，用金刚石刀具加工有色金属，刀具寿命极高，可达到数百公里。由于磨损极小，刀具寿命高，同一把刀具可以加工多个零件，零件尺寸一致性极好。超精密切削刀具磨损与寿命超精密切削刀具磨损与寿命实际生产中，金刚石刀具的寿命达不到上述值。原因：金刚石韧性、强度低，实际生产中容易崩刃，(机床振动等)。金刚石刀具的晶体定向问题。第三节超精密切削刀时积屑瘤的生成规律OA—粘结区（内摩擦区）：摩擦系数是变化的AB—滑动区（外摩擦区）：摩擦系数是常数影响前刀面摩擦系数的主要因素工件材料，切削厚度，切削速度，刀具前角

，法应力

=s

剪应力，=

OAB

刀具积屑瘤形成原因：高温、高压，粘结、冷焊积屑瘤的作用：增大前角增大切削厚度表面粗糙增大保护刀具防止积屑瘤的办法：低速切削、或高速切削添加润滑液、较小摩擦增大刀具前角，减小刀—屑间的压力提高工件硬度，减小加工硬化切削速度对积屑瘤产生的影响。与普通切削不同切削速度越高,积屑瘤高度越低。超精密切削刀时积屑瘤的生成规律积屑瘤对切削力的影响积屑瘤越高，切削力越大与普通切削正好相反，普通切削时，积屑瘤可增大刀具前角，从而使切削力下降。超精密切削刀时积屑瘤的生成规律积屑瘤越高，切削力越大的主要原因积屑瘤圆弧半径R约为2-3m，远远大于金刚石刀具刃口半径

0.1-0.3m。积屑瘤代替金刚石刀刃切削，积屑瘤与切屑间摩擦很严重，摩擦力大大增加。积屑瘤的存在，导致切削厚度增加。积屑瘤的存在，加工表面粗糙度增加。使用切削液，可减小积屑瘤高度，减小加工表面粗糙度1.切削速度的影响不同的切削速度，均能得到表面粗糙度极小的加工表面，切削速度对加工表面质量的影响不显著。在机床、刀具、环境条件符合要求的条件下，从高速到低速，都能得到粗糙度极小的加工表面。第四节切削参数对加工表面质量的影响2.进给量和修光刃的影响金刚石一般带有修光刃，切削时进给量很小。使用带修光刃的刀具加工时，进给量减小对表面粗糙度影响不大。3.刀刃形状对加工表面粗糙的影响直线修光刃（国内）、圆弧修光刃（国外）。修光刃太长对加工表面粗糙度影响不大。圆弧修光刃刀具加工表面质量较高，但是，制造、刃磨复杂，成本高。4.背吃刀量对加工表面粗糙的影响在超精密加工中，背吃刀量一般都比较小，对加工表面粗糙度的影响很小。但是如果ap太小，挤压严重，切削困难，加工表面粗糙度增加。5.背吃刀量对加工表面残余应力的影响ap减小，加工表面残余应力减小。但当ap太小（小于某临界值时），挤压严重，加工表面残余应力增加。此临界值的大小与刀刃锋锐度有关（刃口半径、钝园半径）。第五节刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响1.刀刃锋锐度定义：刃口半径、钝园半径（前后刀面之间），刀刃的锋利程度刀尖圆弧半径：主副切削刃之间，刀尖锋利程度。刃口半径2.刀刃锋锐度的测量：普通刀具：金相显微镜测量（=5-30m）金刚石刀具：扫描电子显微镜SEM测量（=0.001-0.2m）3.刀刃锋锐度对加工表面粗糙度、切削变形和切小力的影响越小（刀刃越锋利），加工表面粗糙度越小。越小（刀刃越锋利），切削力越小。越小（刀刃越锋利），切削变形越小。4.刀刃锋锐度对加工表面硬化、组织位错和残余应力的影响越小（刀刃越锋利），位错密度越小、加工硬化越小。越小（刀刃越锋利），残余应力越小。1.最小切削厚度定义：超精密切削实际达到的最小切削厚度。超精密切削最小切削厚度与刀具、锋锐度、工件材料、机床特性、切削环境等因素有关。目前，使用极其锋利的金刚石刀具在机床最佳条件下可以实现纳米级连续稳定的切削。第六节金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题一、超精密切削最小切削厚度常规切削与超精密切削加工常规切削与超精密切削加工常规切削与超精密切削加工超精密切削加工2.刃口半径（钝圆半径）rn与最小切削厚度的关系可见，最小切削厚度与刀具锋锐度、切削力、摩擦系数有关。举例：金刚石刀具切削铝合金我国现行金刚石刀具锋锐度：可见，如果要得到小的最小切削厚度，就必须有小的刀具锋锐度（刃口半径）。1.金刚石晶体的摩擦系数金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显。(100)晶面的摩擦系数曲线有四个波峰和波谷。(110)晶面的摩擦系数曲线有两个波峰和波谷。(111)晶面的摩擦系数曲线有三个波峰和波谷。二、金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质量的影响金刚石晶体的摩擦系数以波谷最低值比较，(100)晶面的摩擦系数最低，(110)晶面的摩擦系最高。(100)晶面的摩擦系数差别最大，(111)晶面的摩擦系数差别最小。2.金刚石刀具不同晶面对切削变形的影响车刀1，前、后刀面为(100)晶面，车刀2，前、后刀面为(110)晶面。车刀1切下的切屑变形小于车刀2。车刀1切下的切屑变形系数小于车刀2。车刀1的剪切角大于车刀2。金刚石刀具不同晶面对加工表面质量和刀具磨损的影响粗糙度：车刀1与车刀2加工表面粗糙度相差不大。残余应力：车刀1切出的表层残余应力小于车刀2。刀具磨损：车刀1磨损慢，车刀2磨损快。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硅、单晶铝、单晶铜等属于各向异性材料。切削变形和加工表面质量受各向异性的影响。沿(110)晶面切削时：切削力有2个最大值。沿(100)晶面切削时：切削力有4个最大值。沿(111)晶面切削时：切削力无明显变化。1.超精密加工对刀具材料的要求：极高等硬度、极高得耐磨性能、极高的弹性模量极锋利的刀刃、刃口半径值极小、能实现超薄切削刀刃无缺陷、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、能得到极好的加工表面完整性第七节超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构上述四项要求决定了超精密切削使用刀具的性能要求。天然单晶金刚石有一系列优点，如：硬度高、导热系数大、摩擦系数低、刀刃能磨得锋利，虽然价格昂贵，但仍被一致公认为理想、不可替代的超精密切削刀具。金刚石刀具单晶金刚石刀具天然单晶金刚石刀具人造单晶金刚石刀具多晶金刚石刀具PCD刀具CVD金刚石刀具CVD金刚石薄膜涂层刀具金刚石厚度膜焊接刀具金刚石刀具极高的硬度和耐磨性：硬度达HV10000，是自然界最硬的物质，具有极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金80-120倍，人造金刚石耐磨性为硬质合金60-80倍。各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行晶体定向。金刚石刀具的性能特点具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半。刀刃非常锋利：金刚石切削刃可磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍。导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。热胀系数低：金刚石热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。

金刚石的物理力学性能硬度6000～10000(随晶体方向和温度而有所差别)WC：2400Al2O3：2200TiC:3200SiC:3500CBN：6000～8500抗弯强度210～490MPa抗压强度1500～2500MPa弹性模量(9～10.5)×1011N/m2导热系数(2～4)×418.68W/(m.K)和铝合金和黄铜之间的摩擦系数0.06～0.13开始氧化温度900～1000K人造金刚石的制备工艺(a)人造单晶金刚石的制备(b)聚晶金刚石的制备石墨+触媒剂金刚石单晶粉高温高压金刚石单晶粉+结合剂PCD聚晶高温高压人造金刚石的制备工艺聚晶金刚石(PCD)刀具PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCD研制成功以后。PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低。CVD金刚石刀具CVD金刚石刀具是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金等)上合成金刚石膜制作的刀具。20世纪70年代末至80年代初，CVD金刚石在日本首先出现，目前，CVD金刚石膜产品直径已超过110mm，厚达毫米级，并日趋成熟。CVD金刚石刀具不仅直接冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为PCD刀具强有力的竞争对手，目前已经商品化。CVD金刚石刀具的种类CVD金刚石刀具可制成两种形式。一种是在基体上沉积厚度小于50m的薄层膜，即：CVD金刚石薄膜涂层刀具。另一种是沉积厚度达到1mm的无衬底的金刚石厚膜，即：CVD金刚石厚膜焊接刀具，如果需要它可以钎焊在基体上。

激光金刚石膜基体材料

(b)激光切割

(a)厚膜与基体材料

金刚石膜小块

硬质合金(c)厚膜单体小块(d)钎焊成刀具或刀片CVD金刚石厚膜刀具形成示意图特性聚晶金刚石刀具(PCD)金刚石膜刀具单晶金刚石刀具材质结构含粘结剂纯金刚石纯金刚石耐磨性随金刚石颗粒大小而变高于PCD2～10倍高于PCD和金刚石膜韧性优良差化学稳定性较低高高可加工性优差差可焊性优差差刃口质量良优优适用性粗加工、精加工精加工超精密加工各种金刚石刀具的性能比较金刚石刀具的应用可用于加工铝合金、黄铜等有色金属和某些非金属材料，不能用于黑色金属材料的加工。其中80％以上的PCD刀具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件。由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而PCD刀具的寿命远高于硬质合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。在加工硅含量较高的铝合金时，除PCD刀具外，其它所有的刀具都在很短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削。PCD刀具还非常适合对难加工非金属材料(如：木材、人造板材、强化复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、石材等)进行加工。采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削。超光滑表面，Ra0.02-0.005m，精度达到0.01m以上。金刚石的热稳定性比较差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构。可超精密加工许多零件，如：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、复印机的硒鼓等。天然金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削，极限最小切削厚度可达到1nm。超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度和被切材料的物理力学性能有关。l

金刚石刀具的应用PCD刀具应用领域分布PCD木工刀具主要加工对象分布世界主要PCD刀片商标牌号公司名称国别牌号平均粒径尺寸(m)

GE

美国COMPAX1600COMPAX1300510DeBeers

英国SYNDITE002SYNDITE010210住友电工

日本DA200DA1500.55

东名

日本TDC-FMTDC-SM0.38京磁电子日本KPD002KPD010210

三菱

日本MD230MD220微粒中粒+微粒东芝日本T-DLADX120T-DLADX140细粒中粒

Megadiamond

美国MEGAPAX100MEGAPAX300

28常规切削加工刀片形状陶瓷刀片PCD刀具金刚石的晶体结构规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，有三根4次对称轴，四根3次对称轴和六根2次对称轴.a）4次对称轴和（100）晶面L4（100）（110）L2L3（111）b）2次对称轴和（110）晶面c）3次对称轴和（111）晶面八面体的晶轴和镜晶面金刚石的晶体结构1.

在晶体中，各方位的原子面叫晶面（面网），在晶体中，各方向的原子列叫晶向。2.

单晶金刚石晶体主要晶面有：(100)、(110)、(111)3.

面网密度(晶面原子密度：单位面积上的原子数)最大的晶面是：(111)(100):(110):(111)=1:1.414:2.3084.

面网密度最大的晶面硬度高，耐磨性好5.

面网间距：晶体面网之间的距离(111)晶面面网间距最大，原子结合力小，很容易产生解理.金刚石晶体的面网距和解理现象◎金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。◎（100）与（110）面网的面间距分布均匀；（111）面网的面间距较大。（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面◎在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈开。◎在两个相邻的（111）面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。1.金刚石晶体各晶面的耐磨性能金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显，不同晶面耐磨性能不同。同一晶面不同晶向耐磨性能也存在很大差别。耐磨性能可用“磨削率”表示：单位载荷单位线速度下的磨削体积。各晶面均有好磨和难磨方向。第八节金刚石晶体各晶面的耐磨性能和好磨和难磨方向(100)晶面，磨削率有四个峰值。(110)晶面，磨削率有两个峰值。(111)晶面，磨削率有三个峰值。在高磨削率方向：(110)晶面磨削率最高，(111)晶面磨削率最低。(100)晶面摩擦系数有4个好磨和难磨方向(110)晶面摩擦系数有2个好磨和难磨方向(111)晶面摩擦系数有3个好磨和难磨方向2.金刚石晶体各晶面的好磨和难磨方向高磨削率的方向：“好磨方向”，耐磨性低的方向。低磨削率的方向：“难磨方向”，耐磨性高的方向。3.金刚石晶体研磨时摩擦系数的各向异性使用铸铁研磨金刚石：各晶面摩擦系数不同同一晶面不同晶向摩擦系数也存在很大差别研磨时，(110)晶面摩擦系数最大，(111)晶面摩擦系数最小。(100)晶面摩擦系数有4个波峰和波谷(110)晶面摩擦系数有2个波峰和波谷(111)晶面摩擦系数有3个波峰和波谷可根据摩擦系数大小找出晶面的好磨和难磨方向摩擦系数大，磨削率高——好磨方向摩擦系数小，磨削率低——难磨方向第九节金刚石刀具磨损和破损机理原因：磨损：刀刃处微观解理的累积破损：（111）晶面的解理金刚石晶体的（111）晶面面网密度最大，耐磨性最好。但是（111）面网的面间距宽。在距离大的（111）面之间，只需击破一个共价键就可以劈。在两个相邻的(111)面之间劈开，可得到很平的劈开面，称之为“解理”。普通刀具前刀面磨损

超精密切削刀具磨损形貌普通刀具前刀面磨损

普通刀具前刀面的破损普通刀具后刀面磨损

普通刀具粘结磨损超精密切削刀具磨损与寿命

第十节金刚石晶体定向人工目测—靠人工经验，方便实用，精度较低，费用低。X射线衍射—精度高，费用高，X射线对人体有害。激光定向—精度高、操作方便、费用不是很高（约为X射线衍射定向仪的十分之一），较为实用，适宜于生产。人造金刚石第十一节超精密加工金刚石刀具设计与制造金刚石刀具设计设计目标能否加工出超光滑表面？刀刃切削时间是否足够长？设计内容切削部几何形状设计晶面选择结构与固定方法研磨加工金刚石刀具切削部几何形状金刚石刀具一般不采用主副切削刃相交为一点的