第3章 超精密切削加工PPT讲稿.ppt

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1、第3章 超精密切削加工1第1页，共52页，编辑于2022年，星期二2第2页，共52页，编辑于2022年，星期二 3.1 超精密切削的历史超精密切削的历史n n6060年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的装

2、置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙不但加工成本很高，而且

3、很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。3第3页，共52页，编辑于2022年，星期二经经SPDT加工的光学元件成品示意图加工的光学元件成品示意图n n图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，图中所示的各种形状的零件

4、是去氧铜或铝合金材料，图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，4第4页，共52页，编辑于2022年，星期二3.2 超精密切削加工的应用超精密切削加工的应用n n平面镜的切削平面镜的切削5第5页，共52页，编辑于2022年，星期二（1）平面镜的切削n n平面度平面度平面度平面度0.06 0.06 mn n表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度Rmax0.02 Rmax0.02 m6第6页，共52页，编辑于2022年，星期二玻璃镜的切削7第7页，共52页，编辑于2022年，星期二测量结果8第8页，共52页，编辑于2022年，星期二（2）多面镜的切削）多面镜的切削n n激光印刷机、复印激光印

5、刷机、复印激光印刷机、复印激光印刷机、复印机。机。机。机。n n面分度精度面分度精度7.5n n面倾斜精度面倾斜精度面倾斜精度面倾斜精度3.63.6“n n平面度平面度平面度平面度0.07 0.07 mn n表面粗糙度表面粗糙度Rmax0.02 m9第9页，共52页，编辑于2022年，星期二（3）球面镜的切削）球面镜的切削10第10页，共52页，编辑于2022年，星期二（4）球面镜的切削）球面镜的切削11第11页，共52页，编辑于2022年，星期二（5）其它零件的切削n n球面（球轴承）车球面（球轴承）车削削n n复印机硒鼓（圆柱复印机硒鼓（圆柱面）车削面）车削n n磁盘基片的车削磁盘基片的车

6、削12第12页，共52页，编辑于2022年，星期二3.3 金刚石刀具切削的优点金刚石刀具切削的优点（1）n n平面镜的表面粗糙度可达平面镜的表面粗糙度可达Ry5m，曲面镜的表面，曲面镜的表面粗糙度可达粗糙度可达Ry10m，形状精度可达，形状精度可达30m，而且，而且没有塌边现象。没有塌边现象。n n用用用用SPDTSPDT加工的表面对光线的反射率很高，例如对加工的表面对光线的反射率很高，例如对加工的表面对光线的反射率很高，例如对加工的表面对光线的反射率很高，例如对波长波长波长波长 为为为为10.6m10.6m的激光，经的激光，经的激光，经的激光，经SPDTSPDT切削加工的去氧切削加工的去氧切

7、削加工的去氧切削加工的去氧铜表面的反射率为铜表面的反射率为铜表面的反射率为铜表面的反射率为999999.4%99.4%。在去氧铜表面镀金、。在去氧铜表面镀金、。在去氧铜表面镀金、。在去氧铜表面镀金、银、铜层，经银、铜层，经银、铜层，经银、铜层，经SPDTSPDT切削加工后表面的反射率为切削加工后表面的反射率为切削加工后表面的反射率为切削加工后表面的反射率为96.796.799.3%99.3%。n n经经SPDT加工的表面，对激光具有很高的耐热损加工的表面，对激光具有很高的耐热损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终精加伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终精加工的最好方法。工的最好方法。13第13

8、页，共52页，编辑于2022年，星期二3.3 金刚石刀具切削的优点金刚石刀具切削的优点（2）n n金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要高高高高1 12 2个量级。个量级。个量级。个量级。n n从成本上看，用去氧铜经从成本上看，用去氧铜经SPDT进行加工的光学反进行加工的光学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的产品相射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。比，成本大约为后者的一半或数分之一。n n在在SPDT加

9、工过程中可采用数控进行批量生产，这加工过程中可采用数控进行批量生产，这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易地加样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对而言，工非球面及其他形状复杂的表面，故相对而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效益相比，虽然加工设备最初的投资较高，但与效益相比，成本还是低的。成本还是低的。14第14页，共52页，编辑于2022年，星期二3.4 影响金刚石刀具切削加工的因素影响金刚石刀具切削加工的因素15第15页，共52页，编辑于2022年，星期二3.5 超精磨切削的刀具超精磨切削的刀具3.5.1 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具

10、的要求1)1)刀具刃口锋锐度刀具刃口锋锐度刀具刃口锋锐度刀具刃口锋锐度 能能能能磨磨磨磨得得得得极极极极其其其其锋锋锋锋锐锐锐锐，刃刃刃刃口口口口圆圆圆圆弧弧弧弧半半半半径径径径 极极极极小小小小，能能能能实实实实现现现现超超超超薄薄薄薄切切切切削削削削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。与与与与切切切切削削削削刃刃刃刃的的的的加加加加工工工工方方方方位位位位有有有有关关关关，普普普普通通通通刀刀刀刀具具具具530530 mm，金金金金刚刚刚刚石石石石刀刀刀刀具具具具10

11、nm10nm；从物理学的观点，刃口半径从物理学的观点，刃口半径从物理学的观点，刃口半径从物理学的观点，刃口半径 有一极限。有一极限。有一极限。有一极限。16第16页，共52页，编辑于2022年，星期二最小圆弧半径计算最小圆弧半径计算n nr r表面能表面能表面能表面能n nE Ef f杨氏模量杨氏模量杨氏模量杨氏模量n n材材材材 料料料料 强强强强 度度度度 极极极极 限限限限 E Ef f/10/1017第17页，共52页，编辑于2022年，星期二最小圆弧半径计算值最小圆弧半径计算值材料材料杨氏模量杨氏模量Ef/x107表面能表面能r/x107 J/cm2晶界圆弧晶界圆弧半径半径/nm金刚

12、石金刚石10.553002.0BN6.948002.8TiC3.29001.1Fe2.115342.9Cu1.211003.718第18页，共52页，编辑于2022年，星期二3.5.1 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求2)2)切切切切削削削削刃刃刃刃的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度。切切切切削削削削时时时时切切切切削削削削刃刃刃刃的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度将将将将决决决决定定定定加加加加工工工工表表表表面面面面的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度。普普普普通通通通刀刀刀刀刃刃刃刃的的的的粗粗粗粗糙糙糙糙度度度度Ry0.35 Ry0.35 m，金金刚刚石石刀刀具具刀刀刃刃的的粗粗糙

13、糙度度Ry0.10.2 m，特特殊殊情情况况Ry1nm，很难。，很难。3)极极高高的的硬硬度度、极极高高的的耐耐磨磨性性和和极极高高的的弹弹性性模模量量，保证长的刀具寿命。保证长的刀具寿命。4)4)刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。5)化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩化学亲和性小、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。擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。19第19页，共52页，编辑于2022年，星期二3.5.2 金刚石刀具对超精密切削的适应性金刚石刀

14、具对超精密切削的适应性（1）金刚石刀具的性能特点）金刚石刀具的性能特点n n硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高5656倍。倍。倍。倍。n n摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。n n能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径能磨出极锋锐的刀

15、刃。最小刃口半径15nm15nm。n n耐磨性好。比硬质合金高耐磨性好。比硬质合金高耐磨性好。比硬质合金高耐磨性好。比硬质合金高5010050100倍。倍。倍。倍。n n导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。n n不适宜切黑色金属。不适宜切黑色金属。不适宜切黑色金属。不适宜切黑色金属。n n很脆，避免振动。很脆，避免振动。很脆，避免振动。很脆，避免振动。n n价格昂贵，刃磨困难。价格昂贵，刃磨困难。价格昂贵，刃磨困难。价格昂贵，刃磨困难。天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不

16、能代替的超精密切削刀具。天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。20第20页，共52页，编辑于2022年，星期二不同刀具材料硬度21第21页，共52页，编辑于2022年，星期二（2）金刚石刀具刃口的锋锐性n n物理学计算值：最小极限圆弧半径物理学计算值：最小极限圆弧半径 2nm2nm；n n目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什么目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什么程度还没有定论；程度还没有定论；n n试验推断目前试验推断目前10nm；n n一般情

17、况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半径径径径 0.20.5 0.20.5 m。特殊精心研磨可达到。特殊精心研磨可达到 0.1 m。22第22页，共52页，编辑于2022年，星期二刀具刃口最小半径观测刀具刃口最小半径观测n n通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，推断目前刃口半径最小可推断

18、目前刃口半径最小可推断目前刃口半径最小可推断目前刃口半径最小可10nm N时，被切削材料和刀具刃口时，被切削材料和刀具刃口圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最后形成切圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最后形成切屑而被去除，故屑而被去除，故39第39页，共52页，编辑于2022年，星期二最小切削厚度最小切削厚度hDmin的计算的计算Fx/FyFx/Fy与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临界点界点界点界点A A的位置有关。根据经验，一般的位

19、置有关。根据经验，一般的位置有关。根据经验，一般的位置有关。根据经验，一般Fx/FyFx/Fy0.810.81，金刚石，金刚石，金刚石，金刚石刀具刀具刀具刀具Fy=0.9FxFy=0.9Fx。切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数。切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数。切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数。切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数 0.120.120.260.26，则：，则：，则：，则：hDmin （0.3220.3220.2490.249）40第40页，共52页，编辑于2022年，星期二3.7.3 切削表面的形成n n切削表面基本切削表面基本切削表面基本切削表面基本上是由刀具的上是

20、由刀具的上是由刀具的上是由刀具的挤光作用而形挤光作用而形挤光作用而形挤光作用而形成。切削表面成。切削表面成。切削表面成。切削表面的轮廓是在垂的轮廓是在垂的轮廓是在垂的轮廓是在垂直切削方向的直切削方向的直切削方向的直切削方向的平面内刀具轮平面内刀具轮平面内刀具轮平面内刀具轮廓的复映。即廓的复映。即廓的复映。即廓的复映。即由切削深度和由切削深度和由切削深度和由切削深度和进给量综合而进给量综合而进给量综合而进给量综合而成。成。成。成。切削表面形成的模型切削表面形成的模型41第41页，共52页，编辑于2022年，星期二影响切削表面粗糙度的因素影响切削表面粗糙度的因素（1）切削刃的粗糙度的影响切削刃的粗

21、糙度的影响42第42页，共52页，编辑于2022年，星期二（2）切削刃的复映性的影响）切削刃的复映性的影响43第43页，共52页，编辑于2022年，星期二（3）鳞刺与加工变质层的影响）鳞刺与加工变质层的影响44第44页，共52页，编辑于2022年，星期二3.7.4 超精密切削的切屑形成超精密切削的切屑形成（1）切削深度与切屑形成）切削深度与切屑形成45第45页，共52页，编辑于2022年，星期二（2）被切削材料与切屑形成）被切削材料与切屑形成n n不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化不同结晶方

22、位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化46第46页，共52页，编辑于2022年，星期二黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构47第47页，共52页，编辑于2022年，星期二超精密加工机床48第48页，共52页，编辑于2022年，星期二49第49页，共52页，编辑于2022年，星期二超精密加工工件50第50页，共52页，编辑于2022年，星期二超精密加工装置示例51第51页，共52页，编辑于2022年，星期二加工过程所产生的误差加工现象 加 工 过 程环境机械运动零件的几何形状及尺寸误差夹具夹紧工具加工机械 工件 磨损 运动误差变形（由于力、热）加工误差、尺寸误差、形位误差、表面粗糙度、加工变质层 工具52第52页，共52页，编辑于2022年，星期二