精密与超精密加工-第二章方案

2023/12/6姜春晓2005年8月Precisionandultraprecisionmachining精密和超精密加工技术2023/12/6第2章超精密切削与金刚石刀具

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，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.02～0.005µm，加工精度<0.01µm)。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。超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。2023/12/62.1超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度

2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律

2.3切削参数变化对加工表面质量的影响

2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量

的影响

2.5超精密切削时的最小切削厚度

2.6金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工

表面质量的影响第2章超精密切削与金刚石刀具2023/12/6

2.7超精密切削对刀具的要求及金刚石的性

能和晶体结构

2.8金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向

2.9单晶金刚石刀具的磨损破损机理

2.10金刚石晶体的定向

2.11金刚石刀具的设计与制造第2章超精密切削与金刚石刀具2023/12/6切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素，但是切削速度的高低对金刚石刀具的磨损大小影响甚微，刀具的耐用度极高。原因是：金刚石的硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，和有色金属间的摩擦系数低，因此切削温度低，在加工有色金属时刀具耐磨度甚高，可用很高的切削速度1000～2000m/min，而刀具的磨损甚小。超精密切削实际速度的选择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，即选择振动最小的转速。2.1超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度2023/12/6总结：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车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。2.1超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度2023/12/6图2-3：图a是刀刃磨损的正常情况，图b是剧烈磨损情况，可以看到磨损后成层状，即刀具磨损为层状微小剥落。图2-4：图中所示沿切削速度方向出现磨损沟槽，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。图2-5：金刚石切削时，若有微小振动，就会产生刀刃微小崩刃。2.1超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度2023/12/6不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。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，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律1、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响2023/12/6由图2-8可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f＝5μm/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。由图2-9所示，在背吃刀量<25μm时，积屑瘤的高度变化不大，但在背吃刀量>25μm后，h0值将随着背吃刀量的增加而增加。2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律2、进给量f和背吃刀量的影响2023/12/6积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律1、对切削力的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响2023/12/61）积屑瘤前端R大约2～3μm，实际切削力由刃口半径R起作用，切削力明显增加。2）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。3）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加hD-hDu，切削力增加。2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律切削模型分析实际切削厚度2023/12/6积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响2、对加工表面粗糙度的影响2023/12/6

由图2-12知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗糙度的影响很小。图2-13说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面—镜面。2.3切削参数变化对加工表面质量的影响1、切削速度的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响2023/12/6

在进给量f<5μm/r时，均达到Rmax<0.05μm的加工表面粗糙度。2.3切削参数变化对加工表面质量的影响2、进给量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响2023/12/6修光刃长度常取0.05～0.20mm。

修光刃的长度过长，对加工表面粗糙度影响不大。

修光刃有直线和圆弧两种，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。圆弧刃半径一般取2～5mm。2.3切削参数变化对加工表面质量的影响3、修光刃的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响2023/12/6

在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，背吃刀量变化对加工表面粗糙度影响很小。背吃刀量减少，表面残留应力也减少，但超过某临界值时，背吃刀量减少反而使加工表面残留应力增加。2.3切削参数变化对加工表面质量的影响4、背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响2023/12/6刃口锋锐度对加工表面有一定的影响，相同条件下（背吃刀量、进给量），更锋锐的刀具切出的表面粗糙度更小；速度的影响不是很大。2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口半径为0.6μm、0.3μm2023/12/6锋锐车刀切削变形系数明显低于较钝的车刀。刀刃锋锐度不同，切削力明显不同。刃口半径增大，切削力增大，即切削变形大。背吃刀量很小时，切削力显著增大。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大比例，刃口的微小变化将使切削变形产生很大的变化。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。2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响2023/12/6LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用p＝0.3μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用p＝0.6μm的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为205HV。1）刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有很大区别；2）刃口半径越小，加工表面变质层的冷硬度越小。2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响1、对加工表面冷硬的影响三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响2023/12/6刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响2、对加工表面组织位错的影响三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响2023/12/61）刃口半径越小，残留应力越低；2）背吃刀量越小，残留应力越小，但当背吃刀量减小到临界值时，背吃刀量减小，残留应力增大。2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响2023/12/6分析：在极限临界点A的受力变形情况：在A点处工件受水平和垂直力作用，此两力可分解为A点处的法向力N和切向力，则N力和力可用下式计算化简后得

2.5超精密切削时的最小切削厚度一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系2023/12/6

在实际摩擦力>时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切削被切除，即A点为极限临界点，极限最小切削厚度应为

当刀刃刃口半径为某值时，切下的最小切削厚度和临界点处的比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。

2.5超精密切削时的最小切削厚度一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）2023/12/6刀具被切材料最小切削厚度W18Cr4VQ235钢0.248W18Cr4V45钢0.274YG8Q235钢0.350YG845钢0.377

根据经验，A点处的比值一般在0.8～1范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取。

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，可实现切削厚度为纳米（nm）级的连续稳定切削。要使最小切削厚度，可估算金刚石刀具刃口半径为3～4nm。用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：2.5超精密切削时的最小切削厚度一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）2023/12/61）（100）晶面的摩擦系数曲线有4个波峰和波谷；（110）晶面有2个波峰和波谷；（111）晶面有3个波峰和波谷；2）（100）晶面的摩擦系数最低；（110）最高；3）（100）晶面的摩擦系数差别最大；（111）晶面最小。2.6刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响一、金刚石晶体的摩擦系数2023/12/61号车刀：前、后面为（100）晶面；2号车刀：前、后面为（110）晶面。比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。（一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。（三）剪切角的计算：假设切削过程为直角自由切削式中为变形系数，为前角。从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀，即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）晶面的2号车刀。二、晶面不同对切削变形的影响2.6刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响2023/12/6用（100）晶面的1号车刀和（110）晶面的2号车刀，在相同的切削条件下加工紫铜，改变进给量得到的加工表面粗糙度相差不多。

这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的。所以用摩擦系数小的（100）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擦，从而减小加工表面残余应力。三、晶面不同对加工表面质量的影响2.6刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响2023/12/6

通过对比实验，（110）晶面的刀具磨损较快，切削相当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05μm；（100）晶面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表面粗糙度仍<0.05μm，即刀具耐用度明显较高。四、晶面不同对刀具磨损的影响2.6刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响2023/12/61）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、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构一、超精密切削对刀具的要求2023/12/6硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构二、金刚石晶体的性能2023/12/6晶胞晶格模型晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。

2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构三、金刚石晶体的结构1、晶体结构2023/12/6晶胞XYZabc晶格常数a，b，c

组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。

根据6个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于7种类型，即7个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金刚石属于六方晶系。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构2023/12/6XYZabc晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原子面。晶轴：与晶面垂直的轴2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构2、晶体中的晶面和晶轴2023/12/6晶体中的晶面指数:2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构

晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来。许多性能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这种符号叫做“晶面指数”。确定晶面指数的步骤如下：

（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。

（2）将所得三截距之值变为倒数。

（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。

晶向指数2023/12/6晶面指数的例子晶面指数的意义：晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构2023/12/6根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴2023/12/6晶面（面网）（100）（110）（111）面网的最小单元面积原子数4x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=2面网密度（致密度）面网距D－金刚石晶体中单位晶胞的棱边长2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距2023/12/6解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。（111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。2.7刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构5、金刚石晶体的解理现象2023/12/61)A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x10－5µm3/(Nms－1)；2)B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x10－5µm3/(Nms－1)；3)C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为：1x10－5µm3//(Nms－1)。可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削；(100)次之，(111)最低。高磨削率方向称为“好磨方向”，低磨削率方向称为“难磨方向”。2.8金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向一、金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向2023/12/61)(110)晶面摩擦系数最大，(100)晶面次之，(111)晶面最小。2)(100)晶面有4个波峰和波谷，(110)晶面有2个波峰和波谷，(111)晶面有3个波峰和波谷。3)摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数低时磨削率也低。摩擦系数曲线的波峰方向即是磨削率最高的“好磨方向”；摩擦系数曲线的波谷方向即是磨削率最低的“难磨方向”。4)根据摩擦力的大小可找出所磨晶面的好磨方向。2.8金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向二、金刚石晶体研磨时摩擦系数的各向异性2023/12/6金刚石刀具的磨损，主要属于机械磨损，本质是微观解理的积累；金刚石晶体的破损机理，主要产生于（111）晶面的解理。当垂直于（111）面的拉力超过某特定值时，两相邻的（111）面分离，产生解理劈开。刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，所以刀刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。由图可看出，当作用力相同时，（110）面破损的机率最大，（100）面破损机率最小。设计金刚石刀具时，应选用微观强度最高的（100）作为金刚石刀具的前面和后面。2.9单晶金刚石刀具的磨损破损机理2023/12/6六面体金刚石晶体是正方形，它的六个面和八个角都是相同的，具有对称性。六面体的六个外表面及其平行面都是（100）晶面。六面体的八个角都是都是由三个相互垂直的（100）晶面所组成的。六面体中，与每两对棱的中点连线方向垂直的是（110）晶面；与两对应角连线相垂直的是（111）晶面。八面体八个外表面都是等边三角形，它的八个面和六个角是相同的，具有对称性。八面体的外表面及其平行面都是（111）晶面，通过四个对称顶角的面是（100）晶面，通过两个对称顶角和两个对称边中点的面是（110）晶面。棱形十二面体的十二个外表面及其平行面呈棱形，是（110）晶面，与两个对应三个面交点连线垂直的是（111）晶面，与两个对应四个面交点的连线垂直的是（100）晶面。2.10金刚石晶体的定向一、金刚石晶体的人工目测定向2023/12/6当一定波长的X光束穿透晶体，晶体内振动的电子将在各个方向发出散射光，该散射光在某些方向被反射增强，形成所谓的衍射光束，能在荧光屏上观察到，并能使照片底片感光。在满足反射的条件下，只有原子密集的晶面，如（100）（111）（110）晶面反射的X光才能观察到衍射图像。将金刚石放在X光束照射下，改变X光的入射角度，观察衍射图像的变化。当衍射图像中的光点出现4次、3次或2次对称现象时，X光束已经和金刚石的4次、3次或2次对称轴重合，确定了晶体的4次、3次或2次对称轴的方位，同时也确定了（100）（111）或（110）晶面的空间方位。2.10金刚石晶体的定向二、金刚石晶体的X射线定向2023/12/6原理：利用金刚石在不同结晶方向上，晶体结构不同，对激光反射而形成的衍射图像不同而进行的。2.10金刚石晶体的定向三、金刚石晶体的激光定向2023/12/6金刚石晶体的各晶面有其固定的晶纹和微观凹坑形状，因此各晶面反射激光而形成的衍射光像形状也是固定的。衍射现象符合菲涅尔衍射；激光定向的优点：1）设备价格便宜；2）操作简便，对操作者无害；3）直观；4）定向精度可满足生产需要，低于X射线晶体定向，但更适宜生产使用。2.10金刚石晶体的定向三、金刚石晶体的激光定向（100）（110）（111）光像叶瓣所指方向是该晶面的好磨方向。（图2-35）2023/12/6衡量金刚石刀具的标准：能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm）能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米）设计的主要问题：优选切削部分的几何形状；前、后面选择最佳晶面；确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。2.11金刚石刀具的设计与制造一、金刚石刀具的设计2023/12/6金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用。国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.1～0.2mm国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.5~3mm。金刚石刀具的主偏角，平时采用30～90度，用得较多的是45度。2.11金刚石刀具的设计与制造1、金刚石刀具切削部分的几何形状刀头形式2023/12/62.11金刚石刀具的设计与制造1、金刚石刀具切削部分的几何形状前角后角副偏角主偏角刃倾角正交平面参考系2023/12/6

为增加刀刃的强度，采用较大的刀具楔角，故刀具的前角、后角都取得较小。后角：多采用加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具，常取前角根据加工材料，切铝、铜合金前角取。2.11金刚石刀具的设计与制造1、金刚石刀具切削部分的几何形状前角和后角2023/12/62.11金刚石刀具的设计与制造1、金刚石刀具切削部分的几何形状金刚石车刀举例11231：主偏角45度2：前角0度3：后角5度4：修光刃0.15mm342023/12/