精密与超精密加工课件 第二章(精品).ppt
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1、疏达2008年9月Precision and ultraprecision machining精密和超精密加工技术1/25/20231/25/2023第2章 超精密切削与金刚石刀具1/25/20231/25/20232.1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1/25/20231/25/2023 2.7超精密切削对刀具的要求及金刚石的性 能和晶体结
2、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1/25/20231/25/2023切削速度向来是影响刀具耐用度最主要的因素,但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
3、时刀擦系数低,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具耐磨度甚高,可用很高的切削速度100010002000m/min2000m/min,而刀具的磨损甚小。,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。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1/25/20231/25/2023总结:天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转总结: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
4、则由于振动金刚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。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1/25/20231/25/2023图图2-32-3:图:图a a是刀刃磨损的正是刀刃磨损的正常情况,图常情况,图b b是剧烈磨损情是剧烈磨损情况,可以看到磨损后成层状,况,可以看到磨损后成层状,即刀具磨损为层状微小剥落。即刀具磨损为层状微小剥落。图图2-42-4:图中所示沿切削速:图中所示沿切削速度方向出现磨损沟槽,由于度方向出现磨损沟槽,由于金刚石和铁、镍的化学和物金刚石和铁、镍的化学和物理亲和性而产生的腐蚀沟槽。理亲和性而
5、产生的腐蚀沟槽。图图2-52-5:金刚石切削时,若:金刚石切削时,若有微小振动,就会产生刀刃有微小振动,就会产生刀刃微小崩刃。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1/25/20231/25/2023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 1、切削速度的影响、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响1/25/20231/25/2023由图2-8可以看出在进给量很小时,积屑瘤的高度很大
6、,在f5m/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 25m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 2、进给量、进给量f f和背吃刀量和背吃刀量 的影响的影响1/25/20231/25/2023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 1、对切削力的影响、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二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响1/25/20231/25/20
7、231 1)积屑瘤前端积屑瘤前端R R大约大约2 23m3m,实际切削,实际切削力由刃口半径力由刃口半径R R起起作用,切削力明显作用,切削力明显增加增加 。2 2)积屑瘤与切削层和)积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩已加工表面间的摩擦力增大,切削力擦力增大,切削力增大。增大。3 3)实际切削厚度超过)实际切削厚度超过名义值,切削厚度名义值,切削厚度增加增加 h hD D-h-hDuDu,切削,切削力增加。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切削模型分析实际切削厚度1/25/20231/25/2023积屑瘤高度大,表面粗糙度大,积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大,表面粗糙度
8、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。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二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响2 2、对加工表面粗糙度的影响、对加工表面粗糙度的影响1/25/20231/25/2023 由图由图2-122-12知,在有切削液的条件下,切削速度对加工表面粗知,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。糙度的影响很小。图图2-132-13说明,不同切削速度下
9、均得到表面粗糙度极小的加工说明,不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面表面镜面。镜面。2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响1 1、切削速度的影响、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一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响1/25/20231/25/2023 在进给量在进给量f5f5m/rm/r时,均达到时,均达到R Rmaxmax0.05m 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,
10、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)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)1/25/20231/25/2023刀具刀具 被切材料被切材料 最小切削厚度最小切削厚度 W18Cr4V W18Cr4V Q235Q235钢钢0.248 0.248 W18Cr4VW18Cr4V4545钢钢0.2740.274YG8YG8Q235Q235钢钢0.350 0.350 YG8YG84545钢钢0.3770
11、.377 根据经验,A点处的 比值一般在0.81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34nm。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)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系(续)1/25/20231/25/20231)极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模
12、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。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一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求1/25/20231/25/2023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
13、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、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能1/25/20231/25/2023晶胞晶胞晶格模型晶格模型晶格模型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
14、构三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构1 1、晶体结构、晶体结构1/25/20231/25/2023晶胞晶胞晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a,b,c 组成晶格的最小几何单元称为组成晶格的最小几何单元称为晶胞,晶胞各边的尺寸晶胞,晶胞各边的尺寸a a、b b、c c称称为晶格常数,晶胞各边之间的相为晶格常数,晶胞各边之间的相互夹角分别以互夹角分别以、表示表示。根据根据6 6个参数间的相互关系,可个参数间的相互关系,可将全部空间晶格归属于将全部空间晶格归属于7 7种类型,种类型,即即7 7个晶系:三斜、单斜、正交、个晶系:三斜、单斜、正交、六方、菱
15、方、四方、立方;金刚六方、菱方、四方、立方;金刚石属于六方晶系。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1/25/20231/25/2023XYZabc晶面:通过原子中心的平面,即晶面:通过原子中心的平面,即晶体中各种方位上的原晶体中各种方位上的原子面。子面。晶轴:与晶面垂直的轴晶轴: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 2、晶体中的晶面和晶轴、晶体中的晶面和晶轴1/25/20231/25/2023晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数: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
16、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1/25/20231/25/2023晶面指数的例子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
17、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h k l表示。2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构1/25/20231/25/2023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
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