超精密切削加工技术.ppt

1、超精密切削加工技术,超精密切削机床,目前超精密切削的最高加工精度是在纳米机床上完成的。 工业生产已能实现10100nm切削加工精度，1nm的加工精度也已在实验室实现。 超精密切削机床的精度实现主要依赖于解决如下几个问题：,运动零部件的运动精度,这是直接影响加工精度的重要因素。但目前对影响精度未能进行定量分析，原因在于10nm的运动精度计量技术尚未通用化。 采用高精度静压空气轴承，可使径向振摆在50nm左右，轴、轴承的圆度、直线度误差使回转振摆达到几十纳米，因此需要检测控制和误差补偿技术。目前可获得10nm的回转精度和直线精度，振摆重复性减少到2nm。,承力结构的刚性,加工过程中，大负荷将产生大

2、位移，其重复性很高。 提高刚性可显著减少变形误差。 现有机床零部件可达到100Nm的刚性，满足超精密加工的一般要求。 另外对于有规律的可重复的变形误差，可通过检测机床负荷和变形量使之通过补偿，减到最小，此时，检测、控制和分辨率决定精度界限的高低。,微观刚性问题,超精密切削的刀具切削刃作用在工件材料的一个微小区域，这个微小区域可以是一个晶粒、一个位错区，一层原子。 随着刀具的相对移动，如果材料的组织、性能发生变化，作用微区的切削力就会发生变化，由此引起变形的改变，影响加工质量和稳定性，这就是超精密切削的微观刚度问题。 如果切削过程接触变形的微观重复性及其动态特征规律清楚，则可通过提升机床敏感方向

3、的微观刚性、对工件材料提出更高要求和工艺设计解决。,机床的热变形,理论上提高温度的控制精度就能减少热变形量。控制精度达到1mk，热变形就可控制在110nmm之间。 超精密切削机床结构采用铟钢、某种玻璃、陶瓷等热膨胀系数较低（106107K）材料，能有效减少自身的热变形量。床身可采用花岗岩材料。 机床（包括刀具）与工件的热变形之间存在着某种关系，也会对加工精度的界限产生重要的影响。 尽管在整体上要求控制温度到一定的精度，但在不同部分和不同阶段总会有差别的，因此需要进行热补偿，通过机床调整和软件控制其影响。,定位精度,机床的定位精度取决于检测、控制、运动等环节的最低分辨率。提高重复精度及其分辨率常

4、用如下几种方法： 借助油膜或气膜移动的机械元件的位置重复性很高； 重复性极高的弹性交形定位机构，具有nm或nm以下的分辨率； 微动机构压电元件：所加每伏电压产生几十纳米的位移，由电压控制达到的分辨率可方便实现0.1nm的控制。但要解决其滞后问题。,公称切削厚度与有效切削厚度,超精密切削要求切削厚度很小，由机床控制的名义切削厚度为公称切削厚度，实际切除的材料厚度为有效厚度。 按照精密切削的复映性理论，有效厚度达到的量级就是加工精度能够达到的精度。通常通过减少公称厚度控制有效切削厚度来提高加工精度。 但有效厚度减少到一定程度时，切削过程出现不不稳定状态，难以实现正确切削。因此最小有效切削厚度决定几

5、何加工精度的控制极限。,加工工件的复映性及加工精度的极限,刀具锋锐性,刀具锋锐性主要取决于刃口钝圆半径，刃口钝圆半径越小刀具越锋锐，有效切削厚度就越小，对加工表面变质层和毛刺的影响也会减少。精密刀具刃口钝圆半径可达到20nm以下。而金刚石刀具刃口圆角半径可达24nm，切削厚度可达1nm。 如果复映正常，刃口粗糙度将决定表面粗糙度的极限。研磨金刚石刀具表面达到nm级并不困难，使切削可达到nm级的表面质量。,材料亲和性与热稳定性,加工材料与刀具材料之间的相互作用特性主要是亲和性，直接影响微切削加工表面的形成和刀刃微观磨损。 如高速钢刀具切削铝及铜系合金极易产生积屑瘤（BUE），积屑瘤高度大小和变化

6、规律直接影响超精密切削过程的复映性。 金刚石和切削材料的热化学特性决定刀具的主要磨损机理，但在实际当中，监视和控制都十分困难。,材料热特性对动态变形一致性的影响,刀具切削部位的动态弹性变形要一致，否则会产生基于材料杂质和晶界的表面阶梯。 材料较好的热稳定性和进行适当的热处理，将使之均匀化，阶梯平均化，获得光滑的加工表面。,加工环境与边缘技术是不可忽视的间接因素,环境温度 环境温度影响加工精度有两个方面，一是温度的高低，二是温度场的均匀性。 机床自身局部发热的原因是轴承及运动部分的摩擦与润滑，有一个热平衡过程。 人体及其运动，室内空气的对流都会引起环境发生0.001K的温差变化。照明灯辐射到花岗

7、石底座，黑白点材料之间亦有0.1K的差别。,加工环境与边缘技术是不可忽视的间接因素,振动 电机转子与定子间的磁力不均、联接器因准直误差和回转振摆等都会产生振动问题。 为此需要改善各机械零部件和工艺系统的动态特性，采用力偶传递动力，如精密摸床上的双销鸡心夹头。,加工环境与边缘技术是不可忽视的间接因素,变形 对薄件、轻件用真空吸盘、胶粘安装和夹紧，以减少回弹和残余变形。 工件自重和气压也会引起不小的变形。如直径30mm、长60mm悬臂钢梁，自重在前端产生10nm的挠度。 大气压在每100mm2就有30nm左右的压缩变形。,加工环境与边缘技术是不可忽视的间接因素,加工技术对策 切削路径选择和工艺优化

8、以及复合继承加工等工艺措施，监视、控制和补偿技术，软件编程以及检测评价技术夺回影响加工精度的获得，特别是复杂结构件的超精密切削，加工技术对策就显得益发重要。 综上，目前超精密切削加工技术的达到的精密界限约为10nm。,超精密切削的原理与过程,在超精密切削过程，如刀具轨迹足够精确，则刀口和切削运动将被复映和包络形成切削表面，同时形成表面波纹和刀痕。 工件材料内部组织的均匀性和缺陷（空穴气孔、析出物、杂质、夹杂物）也将延展和复映在表面上，形成龟裂和局部变形的表面。,影响超精密切削的材料的各类缺陷 (A：空穴气孔 B：析出物),刀具的几何参数影响加工表面粗糙度,若为圆弧刃切削，刀尖半径为r，进给量为

9、f 则表面粗糙度 Rmax=f 2/8r 若为直刃切削，主偏角K，副偏角K 则表面粗糙度 Rmax=ftgktgk / （tgK+tgK ） 因此刀具的主、辅偏角、刀尖半径和进给量都会对超精密加工表面的粗糙度产生直接的影响。,（1）积屑瘤的生成规律及影响,超精密切削过程中积屑瘤对切削力的影响远远大于在普通切削中的影响。 铝铜材料在低速切削时，切削力较大，随切削速度的增加，切削力急剧下降，至200300m/min后，切削力基本保持不变。 其原因在于低速时生成的积屑瘤高，使切削层厚度大幅度增加，故切削力也大，随速度增加积屑瘤高度急剧减小，因而切削力也急剧下降。 这个规律与普通切削正好相反。,超精密

10、切削的工艺参数,积屑瘤对切削力的影响,积屑瘤的作用,前刀面上的积屑瘤呈鼻形，前端的圆弧半径约为23m，较金刚石车刀的刃口半径0.20.3m大得多。由于切削层很薄，实际切削是由积屑瘤起主导作用，刀具锋锐性下降。 积屑瘤和切屑底层之间的摩擦、积屑瘤和已加工表面之间的摩擦都很严重。摩擦力大大超过金刚石刀具直接与这些材料之间的摩擦力，从而导致切削合力增加。 鼻形积屑瘤自刀刃前伸出，使切削厚度显著超过名义值，导致切削力明显增加,对加工表面粗糙度的影响,积屑瘤和已加工表面之间的不规则的剧烈摩擦，使表面受到耕犁作用，粗糙度加大。 积屑瘤加工对表面粗糙度的影响与对切削力的情况相同，即粗糙度大小和积屑瘤的高度有

11、关。 而积屑瘤的高度又与切削速度有关，通常是用切削速度对粗糙度的影响说明积屑瘤对粗糙度的影响，积屑瘤愈高，粗糙度值越大。,切削速度对粗糙度的影响,切削速度对积屑瘤高度的影响,切削速度的影响,低速时，切削温度较低，适合于积屑瘤生长，高度ha比较大且稳定。 高速时ha值不稳定。 特别在切削黄铜和紫铜时，积屑瘤不稳定且高度比较小，ha0.10.75m。,进给量的影响,在实验的进给量范围内都有积屑瘤。 但进给量对积屑瘤高度的影响并非单调，比较复杂，往往在一定范围 f=5m/r时，积屑瘤高度ha可以达到最小,切削深度影响,ap较小时，积屑瘤高度ha较低且变化不大， ap25m时，ha5m，之后随着ap增

12、大，积屑瘤高度ha急剧增大，这是由切削温度升高和粘结面积增大引起的。,刀具刃口半径对切削表面质量的影响,金刚石刀具精研后的刃口半径，对加工表面质量（表面粗糙度、高质层、残余应力等）影响极大，刃口半径值是衡量超精切削技术水平一个极其重要指标。 我国生产中实际使用的精密金刚石刀具的刃口半径0.20.3m，国外精密级金刚石刀具的刃口半径0.05m。,切削速度选择,金刚石刀具硬度最高，耐磨性好，传热系数高，与有色金属界面间的摩擦系数低，故选用很高的切削速度（10002000m/min）。 和普通切削的不同之处在于切削速度不受刀具磨损的限制，是根据所用超精密机床的动特性和切削系统的动特性选择的，即采用振

13、动最小的转速。 只要不在低速区，切削速度对粗糙度的影响较小，加切削液时则基本无影响。这一结论很重要，表明切削曲面、平面反射镜从边缘到中心都可获得一致较低的粗糙度。,切削用量的选择,切削深度的选择,超精密切削时允许的最小切深取决于金刚石刀具的刃口半径，约是（1/21/3）。 若刃口半径达到0.050.01m，最小切削深度可以在0.01m以下，获得超光滑表面。,进给量和修光刃的选择,超精密切削都采用很小的进给量，刀具制成带修光刃的刀尖结构。 但对有修光刃的刀具且f0.02mm/r时，进给量再减小对表面粗糙度的影响甚微。 修光刃可以减小加工表面粗糙度，修光刃的长度取0.050.10mm。 长度过长，

14、对提高加工表面质量效果不大。,超精密切削对刀具的要求,有极高的硬度。超精密切削对刀具需要很高的尺寸耐用度，因此要求刀具材料极高的耐磨性和极高的弹性模量长寿命。 刃口能磨得极其锋锐。获得很小的刀具刃口半径值，能实现超薄切削。 刀刃无缺陷。刃形将复印在加工表面上，无缺陷刀刃才能获得超光滑的镜面。 化学亲和性小。与工件材料之间的摩擦系数低，抗粘结性好，能得到极好的加工表面完整性。 天然金刚石具有上述优点且导热性好，虽然价格极为昂贵，仍被作为理想的不可代替的超精密切削刀具材料。,金刚石刀具材料,优质的单晶金刚石刀具SPDT技术是实现超精密切削的关键技术。 通常的人造单晶金刚石无法磨出极锋锐的刃口，很难

15、达到1m，只能用于有色金属和非金属的精密切削，很难达到超精密镜面切削的要求。 大颗粒人造单晶金刚石已能用于工业生产，并已开始用于超精密切削，但价格仍很昂贵。,金刚石的性能之一,金刚石外形通常有六面体、八面体和十二面体。六面体的外表面为（100）晶面，6个面、8个角都相同，具有对称性。其中的（111）晶面和（110）晶面也易确定。 八面体晶体的8个表面是等边三角形，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的中点的面是（110）晶面。十二面晶体是天然金刚石中常见的一种形状。十二个外表面呈菱形，是（110）晶面，有六个四棱晶角和八个三棱晶角，结构具有对称

16、性，以三棱晶角为一个顶点，连接相邻的晶角形成一个面，即为（111）晶面。金刚石不同的晶面具有不同的机械物理性能。,金刚石的性能之二,金刚石晶体的显微为600010000。在目前发现的所有材料中，硬度最高。耐磨性是刚玉的140倍左右。不同晶面的强度差别较大，4001000kg/mm2，强度最高的为111晶面族。 热传导率：在矿物中最大，是石英玻璃的100倍。 解理性：111晶面之间具有特殊的层叠结构，远距离晶面间的连接极易打断形成解理。沿此面易切割成型，但抗冲击能力差，刃口不能碰撞。断续切削尽量避免用此面承载。,金刚石刀具材料的要求,选材金刚石刀具材料要求晶形完整、饱满，没有骤然凸起和凹坑，具有

17、高的透明度，无色或均匀淡黄颜色，光泽均匀。金刚石材料有裂纹和杂质时会引起颜色的变化。 金刚石的主要缺陷有裂纹、杂质包裹体、孪生晶体、不完整或畸形晶体等。金刚石有无裂纹是可以可看出来的。 刀刃部分绝不能有任何缺陷。刀尾部分允许部分杂质。 金刚石刃磨困难，注意选用时的外形和尺寸使需取除的余量达到最小。,金刚石刀具材料的定向技术,金刚石材料由于各向异性的缘故，须先进行晶体定向，选择出合适的晶面作前后刀面。 定向的方法有人工目测定向、X射线定向、激光晶体定向。,刀头形式,金刚石刀具因为其磨损与崩刃影响表面粗糙度问题，一般不采用主副刃相交为一点的尖锐刀尖，而采用过渡刃结构，达到保护刀尖和修光加工表面。,

18、金刚石刀具的设计,过渡刃的形式,直线修光刃：容易制造、刃磨、研磨，对刀要与进给方向应严格一致，可获得Ra0.02m的加工表面粗糙度。修光刃长度0.10.2mm。直线修光刃是国内采用的主要形式，用以加工圆柱面，圆锥面和端平面。 圆弧修光刃：由于进给量甚小，一般f0.02mm，圆弧修光刃留下的残留面积极小，对粗糙度影响不大。圆弧修光刃对刀容易，使用方便，但较难制造和研磨。圆弧修光刃半径R一般取为0.51.5mm。,金刚石刀具的设计,车削球面或非球曲面，金刚石刀具必须是圆弧修光刃。 刀刃和加工表面接触点是变化的，要求刀刃是精度很高的圆弧，而由于金刚石晶体的各向异性，不同位置的磨除率不等，因此研磨出精

19、确的圆弧修光刃非常困难。圆弧刃要有足够的长度，一般选圆弧包角90100。,前角,金刚石较脆，在保证粗糙度要求的前提下为增强刀刃的强度，应采用较大的刀具楔角，前角和后角都取得较小。 前角。根据加工材料选。塑料2.55； 硫化锌、硒酸锌15；铝合金、铜、玻璃钢 05；锗、硅25；陶瓷玻璃1520；磷酸二氢钾晶体45。,后角。,后角增大可减少刀具后刀面和已加工表面的摩擦，减少表面粗糙度。但为保证刀刃强度，一般取o = 58。 加工球面和非球曲面的圆弧修光刃刀具，常取o 8。 一个例子是美国Contour公司的标准金刚石车刀。采用圆弧修光刃，R0.51.5mm，后角10，刀具前角根据加工材料选用。,金

20、刚石刀具前后面的晶面选择,金刚石材料具有各间异性，各晶面的差别明显，刀具前后面的晶面选择按照硬度、耐磨性、微观强度、解理破碎，研磨难易程度等因素考虑。 1）国内金刚石刀具采用（110）晶面或者和（110）晶面相近的面（35）作为前后刀面。从易于研磨考虑。 2）国外金刚石刀具多数不公布其刀具前、后刀面的晶面选择。有选用（100）晶面的，也有（110）晶面。选用（111）晶面的很少。,晶面的选择,选（110）晶面的理由刀具的研磨效率高，易研出锋锐的刀刃，如切铝，摩擦系数较低。 选（100）晶面的理由明显增大刀刃的微观强度，延长刀具寿命，微观破损强度高于（100）晶面，破损的概率低于（110）晶面，对加工铝、铜等金属56，56，楔角90，前后刀面均可为（100）晶面，可在长时间内保持刃口锋锐。,车刀结构,金刚石固定在小刀头小刀头用螺钉或压板固