金刚石刀具超精密切削加工

每日一题输液检测仪设计与制造滴液速度显示？滴液快慢警示？滴液结束报警？装夹简便？结构小型化？低成本制造？1寒风萧瑟，金叶满地本科评估，霾消云开教室暖阳，精切始开学以致用，畅谈未来上节课内容的回顾21.1精密机械与精密加工技术的关系1.2先进制造技术的发展趋势上节课内容的回顾34第1章绪论1.3加工方法分类（1）去除加工

可以分为三大类：去除加工、结合加工、变形加工

切削、铣削、钻削、磨削、研磨、珩磨、电火花加工、电解加工、蚀刻、等离子加工、激光加工、脱碳处理等。1.3.1根据加工方法机理和特点分类

——从工件上去除不需要那部分材料的加工方法。主要包括:ManufacturingMachiningFabricationProcessing45第1章绪论附着(Deposition)加工：

在工件表面上覆盖一层物质，是一种弱结合，包括：——利用理化方法将不同材料结合在一起的制造方法，又分为附着、注入和连接三种。

化学镀、化学气相沉积、电镀、真空蒸镀、离子镀、物理气相沉积等；

（2）结合加工56第1章绪论连接(Jointed)加工：

将两种相同或不同材料通过物化方法连接一起，包括：

激光焊接、气焊、RP快速成形制造（3D打印制造）等；注入(Injection)加工：

在工件表面注入某些元素，使之与基体材料产生物化反应，是具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，包括：

氧化、氮化、活性化学、阳极氧化、晶体生长、离子生长、离子束外延等；67第1章绪论——利用力、热、分子运动等手段使工件产生变形，改变其尺寸、形状和性能。

锻造、热流动加工、铸造、液体流动加工等。（3）变形加工主要包括：78第1章绪论——结合加工是使材料逐渐增加，这种流动称之为汇合流；

近年来又提出了诸如：电铸、晶体生长、分子束外延、快速成形等加工方法，突破了传统加工概念，其中RP快速成形技术、3D打印制造技术——一种利用离散/堆积成形技术的分层制造，是一种典型的结合法。——去除加工是使材料逐渐减少，一部分材料变为切屑，这种流动称之为分散流；——变形加工是使材料形变而量不变，这种流动称之为直通

流。1.3.2根据加工过程中材料的流动形态来分类89第1章绪论——复合加工：综合上述多种能量复合作用的加工

当前，在制造业中，占主要地位的仍是传统加工方法，而非传统的特种加工和复合加工是解决新的难加工材料加工、实现更高精度和特殊加工要求零件加工的有效手段。——传统加工：基于机械能的切削、磨削、抛光等——特种加工：基于电、热、磁、声、光、化学、核能的加工1.3.3根据加工过程所用能量来分类910第1章绪论1.4精密和超精密加工技术概述就“加工”这个词而言，应理解为一个广泛的概念。超精密加工包含两个含义：

一是指向传统加工方法不易达到的精度界限挑战的加工，即超高精度加工，如计算机磁盘及各种金属反射镜的超精密镜面加工；

二是向实现微细尺寸界限挑战的加工，即所谓微细加工技术（Micro-fabrication），如微电子电路制造中的电子束、光子束和离子束刻蚀加工以及离子注入、分子外延等工艺技术。1.4.1精密和超精密加工的概念和含义1011第1章绪论就“精密”这个词而言，应作如下理解：

精密、超精密加工不仅涉及精度指标，还必须考虑到工件的形状特点和材料等因素。

它是与生产力发展水平相关联的；

精密是相对的，在不同的历史时期，各有不同的理解；1112第1章绪论

在所处时代，用一般技术水平即可实现的精度称普通加工。

必须用较高精度加工机械、工具及高水平加工技术才能达到的精度，属于精密加工。

一般方法不能轻而易举地达到，需要采用先进的技术经过探讨、研究、实验之后才能达到的精度，且这一精度指标尚不能普及的加工技术称为超精密加工。精密和超精密加工的时代性

超精密加工技术，不是指某一特定的加工方法，而是指在某一个历史时期所能达到的最高（极限）加工精度的各种精密加工方法的总称。1213第1章绪论加工精度概念的时代发展性1314第1章绪论物质是由原子组成的，从机械破坏的角度看，最小则是以原子级为单位（原子颗粒的大小为几埃(Å，1Å=10-10m）的破坏。如果在加工中能以原子级为单位去除被加工材料，即是加工的极限，从这一角度来定义，可以把接近于加工极限的加工技术称为：超精密加工、微纳加工。另一种概念是从被加工部位发生破坏和去除材料大小的尺寸单位来划分各种加工。去除材料的单位为10-3cm时将以龟裂的形式发生破坏；以微米(μm)级尺寸去除，则表现为位错，这一层次的加工属于精密加工。1415第1章绪论按去除尺寸单位划分精度等级

Ⅲ一Ⅳ区间称为普通精度

Ⅱ一Ⅲ区间为精密加工

I一Ⅱ区间为超精密加工1516第1章绪论一般加工：加工精度10μm左右,Ra>0.1μm现阶段精密、超精密加工精度范围：1.4.2精密、超精密加工精度的范围与条件精密加工：加工精度0.1~1μm,Ra=0.02~0.1μm超精密加工：加工精度<0.1μm,Ra<0.01μm发展方向：加工精度<1nm(10-3μm),Ra<0.005μm纳米加工1617第1章绪论实现精密、超精密加工的基本条件：精密超精密加工技术超精密加工工具

工件材料超精密加工设备

超精密加工环境

超精密测量技术

1718第1章绪论超精密加工技术的研究内容主要包括：1.4.3超精密加工技术的范畴与种类

超精密加工的机理

超精密加工的设备制造技术

超精密加工工具及刃磨技术

超精密加工测量技术和误差补偿技术

超精密加工工作环境条件1819第1章绪论电火花加工等离子加工电子束加工激光加工超声波加工微波加工喷射加工原子束加工化学能加工光刻加工化学加工物理加工微细尺寸加工低粗糙度高形位精度磨料加工(无磨料研抛)超精密磨削精密研磨、抛光金刚石切削加工高尺寸精度高精度超精密加工方法精密电铸电解加工精密特种加工1920第1章绪论金属材料非金属材料超精密加工的材料复合材料（应用：航天、能源工业）非铁金属材料（应用：激光技术、光学、电子工业）高硬度、高强度耐热合金（应用：航空、航天、原子能工业）高分子有机材料（应用：光学、化学、电子工业）

无机硬脆材料（应用：电子、原子能、能源工业）1.4.4超精密加工的材料对象与应用2021第1章绪论材料超精密加工方法无机硬脆材料

半导体材料、陶瓷…玻璃、石英…蓝宝石、金刚石…

超精密磨削超精密研磨

超精密抛光

软质金属塑料

超精密金刚石切削耐热合复合材料

超精密磨削超精密研磨、抛光工件材料与加工方法2122第1章绪论对材料难加工的重新认识难加工材料不再难加工可优化零件的加工工艺过程传统加工：加工→淬火→加工特种加工：淬火→加工（电解）重新衡量结构工艺性的优劣对零件结构设计带来变革传统加工中方孔的工艺性差2223第1章绪论国家制造技术水平的重要指标之一发展高技术和新产品的技术基础1.4.5精密、超精密加工技术的重要性当代高技术的产品，都是靠当代最高的加工技术－超精密加工来实现的。超精密加工的直接效果是促进了各种产品技术性能的提高，也就相应地促进了机械、电子、航空、航天、激光核聚变等高技术的发展。精密和超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水平的重要标志。精密和超精密加工技术水平的高低是一个国力和国威的标志，它与高质量民品及现代化国防工业密切相关。23超精密加工技术的基础

测量技术加工技术超精密加工

工艺系统基础、安装(结构、材质)加工件夹持机构

运动控制装置被加工件(材质、形状、处理)工具(材质、形状)导向元件(构润滑形状)

驱动系统加工机械24第2章超精密切削与金刚石刀具25大型光学元件——超精密加工？检测？第2章超精密切削与金刚石刀具26特种型面光学元件——超精密加工？第2章超精密切削与金刚石刀具27第2章超精密切削与金刚石刀具

2.1金刚石超精密加工技术概述

SPDT主要应用：

激光或红外平面非球面反射镜磁盘铝基底多面棱镜等超精密切削可以分为超精密车削、超精密铣削、超精密镗削和超精密钻削，其中最常用的是金刚石刀具超精密车削，一般称为单刃金刚石车削(SimplePointDiamondTurming，SPDT)

。

SPDT加工精度：粗糙度Ra=0.02-0.005μm

非球面形状精度≤

0.1μm

平面度≤0.06μm光学棱镜、镜头无氧铜、铝合金件28第2章超精密切削与金刚石刀具（1）平面镜切削示例0.5μm塑性域加工脆塑过渡切削脆性域切削29第2章超精密切削与金刚石刀具30第2章超精密切削与金刚石刀具（2）球面镜切削示例球面镜加工原理1-主轴；2-凹面镜；3-刀具轴31第2章超精密切削与金刚石刀具（3）大型金刚石刀具切削机床示例LLNL的LODTM超精密车床

Worktable:1.65mdiaFigureaccuracy:0.028μm

Surfacefinish:3.5-9.0nm32第2章超精密切削与金刚石刀具平面度<0.06µm；表面粗糙度Rmax<0.02µm具备加工面型检测功能，以补偿刀具磨损

(4)微构形或曲面加工菲涅耳(Fresnel)透镜

33第2章超精密切削与金刚石刀具

2.2金刚石刀具结构与特性2.2.1刀具角度知识的复习前刀面Aγ后刀面Aa

刀尖——刚形成的切屑沿其流出的刀面

——与工件加工表面相对的刀面

——主、副切削刃的实际交点，为了强化刀尖，一般都在刀尖处磨成折线或圆弧形过渡刃。

切削刃S——前刀面与后刀面的交线，承担主要切削工作34第2章超精密切削与金刚石刀具1）前角γ0--前刀面与基面间夹角3）主偏角kr--主切削刃在基面上投影与进给方向间夹角4）刀尖角εr--主切削刃与副切削刃在基面上投影间夹角5）刃倾角λs--主切削刃与基面之间夹角2）后角α0--后刀面与切削平面间夹角35第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.2超精密切削对刀具性能的要求3)切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度,普通刀刃的粗糙度Ry0.3~5μm，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.1~0.2μm，特殊情况Ry1nm，极难刃磨。1)

极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。2)刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。4)化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。36第2章超精密切削与金刚石刀具5)刀具刃口锋锐度ρ刃口圆弧半径ρ越小，切削厚度就越薄，越能够减小切削表面弹性恢复和表面变质层。ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具5~30μm，金刚石刀具<10nm，最好能够<5nm；从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限（后续介绍）。ρ37第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.3天然金刚石的特性DiamondCBNSiCTiCWCAl2O3高碳马氏体硬度HV6000-100006000-850035003200240022001000——硬度特性人造金刚石磨料38第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.3天然金刚石的特性（1）良好的导热特性（热导率和比热容高）；——热化学特性（3）膨胀系数低，抗热冲击；（2）在相同条件下计算其摩擦面的温升，仅为其它工具材料的1/5；（4）耐热性和耐热损伤性有一限度。最大问题是金刚石的氧化和石墨化；（5）超过700℃，会发生氧化现象；（6）温度大于773K时，稳定结构分解，产生石墨化。39第2章超精密切削与金刚石刀具40每日一题一种非球面镜的加工方案加工方法的选择及理由？加工工具？加工设备选择？加工工艺参数？K9光学玻璃，初始表面：Ra0.1，加工面形精度1.5μm，粗糙度Ra0.0141第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.3天然金刚石的特性3)

能磨出极锋锐的刀刃，最小刃口半径1~5nm（人造：100-1000nm）；2)摩擦系数低，除黑色金属外，与其它物质的亲和力小；5)不适宜切黑色金属；4)

导热性能好，热变形小；6)很脆，硬避免振动；7)价格昂贵，刃磨困难。天然单晶金刚石被公认为理想的、不可代替的超精密切削刀具！1)

耐磨性好，比硬质合金高50~100倍；——可切削性能42第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.4金刚石晶体的晶面和晶轴按晶体学原理，金刚石晶体有三个主要晶面（与晶面垂直轴为晶轴）：常见的有八面体、十二面体、六面体。（100）面（111）面（110）面

a)3个（100）面以八面体为例分析之。b)4个（111）面

c)6个（110）面八面体的晶轴和晶面43第2章超精密切削与金刚石刀具

a)（100）晶面激光衍射当用激光对（100）、（111）、（110）晶面垂直照射时，会分别出现：b)（111）晶面激光衍射c)（110）晶面激光衍射

4次、3次、2次对称衍射图形现象，分别称上述晶面的轴为4次对称轴、3次对称轴、2次对称轴。44第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.5金刚石晶体的面网和密度面网——晶体内部分布有原子的面，又称晶面。金刚石面网最小单元：金刚石的面网有：（100）、（111）、（110）。（100）最小面网为正方形，含5个碳原子；（111）最小面网为三角形，含6个碳原子；（110）最小面网为矩形，含8个碳原子；设单位晶胞边长D(=

a

0=0.35667nm)，则：

a)（100）晶面b)（111）晶面

c)（110）晶面45第2章超精密切削与金刚石刀具

a)（100）晶面b)（111）晶面46第2章超精密切削与金刚石刀具

c)（110）晶面47第2章超精密切削与金刚石刀具金刚石晶体不同晶面的面网距（100）面（110）面（111）面修正：48第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.6金刚石晶体的解理现象晶体受到定向机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整的劈开的现象，称为解理现象。金刚石晶体可以沿着(111)面平整劈开两半，这是金刚石晶体的一个非常重要特性。金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接相关。49第2章超精密切削与金刚石刀具2.2.7金刚石晶体的定向

对金刚石晶体进行定向，是制造金刚石刀具的前提。常用的定向方法有：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。

a)(100)晶面激光衍射b)(111)晶面激光衍射c)(110)晶面激光衍射50第2章超精密切削与金刚石刀具

2.3金刚石超精密加工工艺2.3.1微量切削概述超精密加工的关键是能够在被加工表面上进行微量加工，其加工量的大小标志着精密加工和超精密加工的水平。

超微量去除的难点：（1）工具和工件表面微观的弹性变形和塑性变形是随机的，精度难以控制；（3）工艺系统的刚度和热变形对加工精度有很大影响；（2）去除层越薄，被加工表面受到的切应力越大，材料就越不容易去除。为何？51第2章超精密切削与金刚石刀具微量切削的机理与一般切削机理的差异：

因切屑厚度极小，背吃刀量(切削深度)可能小于晶粒的大小，因此，切削不是在晶粒之间的破坏，切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大。例如切削低碳钢情况：刀刃上的切应力值接近材料的抗剪强度极限，当切削厚度在1μm以下时，被切材料的切应力可达13000MPa。52第2章超精密切削与金刚石刀具2.3.2材料缺陷及其破坏方式

材料微观缺陷分布或材质不均匀性，可分为以下几种情况：材料微观缺陷分布

加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同，被加工材料的破坏方式就不同。(a)晶格原子、分子——把原子、分子一个一个地去除；(d)晶界、空隙和裂纹——以缺陷面为基础的晶粒间破坏。(b)点缺陷或原子缺陷——以此为起点增加晶格缺陷的破坏；(c)位错缺陷和微裂纹——

由此引起晶体的内滑移变形；53第2章超精密切削与金刚石刀具2.3.2材料缺陷及其破坏方式

54第2章超精密切削与金刚石刀具材料微观缺陷分布

材料缺陷分布间距(mm)晶格原子b点阵缺陷位错缺陷晶界空穴及裂纹缺口~10-710-7~10-510-5~10-310-3~10-110-155第2章超精密切削与金刚石刀具2.3.3加工能量

超精密切削是一种接近原子、分子级加工单位的去除加工方法，要从工件上去除一块材料，需要相当大的能量，这种能量可用临界加工能量密度δ(J／cm3)和单位体积切削能量ω(J／cm3)来表示。

——是指当应力超过材料弹性极限时，在切削相应的空间内，由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度。

——是指在产生某加工单位切屑时，消耗在单位体积上的加工能量。加工单位不同会引起临界加工能量密度的变化。临界加工能量密度δ单位体积切削能量ω56第2章超精密切削与金刚石刀具材料临界加工能量密度δ(J／cm3)

微观缺陷

mm加工原理10-710-610-410-21晶格原子点缺陷位错、微裂纹晶界、空隙裂纹化学分解、电解104~103脆性破坏104~102塑性变形（微切削、抛光）103~101熔化去除104~103蒸发去除105~104离子溅射去除电子蚀刻去除105~10457第2章超精密切削与金刚石刀具2.3.4加工剪切应力切削易切钢时切应力与切削厚度关系

例如：易切钢材料的切变模量G=8.2×104MPa，切应变γ≈3，则理论切应力：τth＝G／2π≈13000MPa——尺寸效应58第2章超精密切削与金刚石刀具2.3.5金刚石车刀1)金刚石刀具切削刀头几何形状a)尖刃:安装方便，但一般不用。c)、d)多棱刃:安装和刃磨方便，加工表面质量好，直线段修光刃长=0.1-0.2mm。b)单直线刃:安装和刃磨困难，加工残留面积小。e)圆弧刃:安装方便，加工残余面积小，刃磨困难，圆弧段修光刃R=0.5-3mm。59第2章超精密切削与金刚石刀具2)金刚石刀具最小圆弧半径计算r表面能Ef

杨氏模量材料强度极限σ＝Ef

/10ρ材料杨氏模量Ef

(x107)表面能r