第3章 超精密切削加工.ppt

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1、第3章 超精密切削加工 超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削(Single Point Diamond Turing，SPDT)。12 3.1 超精密切削的历史超精密切削的历史n60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁年代初，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，大功率激鼓、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红外光用的立体镜等等各种反射种复杂

2、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要求极高，使用磨削、研磨、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，不但加工成本很高，而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度的要求。为此，且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、高刚度的机床和金研究、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。刚石刀具进行切削加工的方法加工。3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，43.2 超精密切削加

3、工的应用超精密切削加工的应用n平面镜的切削平面镜的切削5（1）平面镜的切削n平面度平面度0.06 mn表面粗糙表面粗糙度度Rmax0.02 m6玻璃镜的切削7测量结果8（2）多面镜的切削）多面镜的切削n激光印刷机、复激光印刷机、复印机。印机。n面分度精度面分度精度7.5n面倾斜精度面倾斜精度3.6“n平面度平面度0.07 mn表面粗糙度表面粗糙度Rmax0.02 m9（3）球面镜的切削）球面镜的切削10（4）球面镜的切削）球面镜的切削11（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削123.

4、3 金刚石刀具切削的优点金刚石刀具切削的优点（1）n平面镜的表面粗糙度可达平面镜的表面粗糙度可达Ry5m，曲面镜的曲面镜的表面粗糙度可表面粗糙度可达达Ry10m，形状精度可达形状精度可达30m，而且没有塌边现象。而且没有塌边现象。n用用SPDT加工的表面对光线的反射率很高，例加工的表面对光线的反射率很高，例如对波长如对波长为为10.6m的激光，经的激光，经SPDT切削加切削加工的去氧铜表面的反射率为工的去氧铜表面的反射率为9999.4%。在去。在去氧铜表面镀金、银、铜层，经氧铜表面镀金、银、铜层，经SPDT切削加工切削加工后表面的反射率为后表面的反射率为96.799.3%。n经经SPDT加工的

5、表面，对激光具有很高的耐热加工的表面，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损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终精加工的最好方法。精加工的最好方法。133.3 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，金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要高精度要高精度要高精度要高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，用去氧铜经从成本上看，用去氧铜经从成本上看，用去氧铜经SPDTSPDT进行加工的光进行加工

6、的光进行加工的光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学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的学反射镜、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。产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。n n在在在在SPDTSPDT加工过程中可采用数控进行批量生产，加工过程中可采用数控进行批量生产，加工过程中可采用数控进行批量生产，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，而且可以很容易这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容

7、易这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易这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，故相对地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对地加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，但与效而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效而言，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。益相比，成本还是低的。益相比，成本还是低的。益相比，成本还是低的。143.4 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153.5 超精磨切削的刀具超精磨切削的刀

8、具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1)1)刀具刃口锋锐度刀具刃口锋锐度能能磨磨得得极极其其锋锋锐锐，刃刃口口圆圆弧弧半半径径极极小小，能能实实现现超超薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。与与切切削削刃刃的的加加工工方方位位有有关关，普普通通刀刀具具530m，金金刚石刀具刚石刀具10nm；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。16最小圆弧半径计算最小圆弧半径计算nr表面能表面能nEf杨氏模量杨氏模量n材材料料强强度度极极限限Ef/1017最小圆弧半径计算值最小圆弧半径计算值材料材料材料材

9、料杨氏模量杨氏模量杨氏模量杨氏模量EfEf/x10/x107 7表面能表面能表面能表面能r/r/x10 x107 7 J/cm J/cm2 2晶界圆弧晶界圆弧晶界圆弧晶界圆弧半径半径半径半径/nmnm金刚石金刚石金刚石金刚石10.510.5530053002.02.0BNBN6.96.9480048002.82.8TiCTiC3.23.29009001.11.1FeFe2.12.1153415342.92.9CuCu1.21.2110011003.73.7183.5.1 超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求2)2)切切削削刃刃的的粗粗糙糙度度。切切削削时时切切削削刃刃的的粗粗糙糙度度将

10、将决决定定加加工工表表面面的的粗粗糙糙度度。普普通通刀刀刃刃的的粗粗糙糙度度Ry0.35 m，金金刚刚石石刀刀具具刀刀刃刃的的粗粗糙糙度度Ry0.10.2 m，特殊情况特殊情况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)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。193.5.2 金刚石刀具对超精密切削的适应

11、性金刚石刀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56倍。倍。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。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15nm。n耐磨性好。比硬质合金高耐磨性好。比硬质合金高50100倍。倍。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。n不适宜切黑色金属。不适宜切黑色金属。n很脆，避免振动。很脆，避免振动。n价格昂贵，刃磨困难。

12、价格昂贵，刃磨困难。天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精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密切削刀具。20不同刀具材料硬度21（2）金刚石刀具刃口的锋锐性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 2nm；n目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什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；么程度还没有定论；n试验推断目前试验推断目前10nm；n一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半径刃口半径 0.20.5 m。特殊精心研磨可达特殊精心研磨可达到到 0.1 m。22刀具刃口最小

13、半径观测刀具刃口最小半径观测n通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的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测量，推断目前刃口半径最小可 N时，被切削材料和刀具时，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，最刃口圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最后形成切屑而被去除，故后形成切屑而被去除，故39最小切削厚度最小切削厚度hDmin的计算的计算Fx/Fy与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临界点并和临界点A的位置有关。根据经验，一般的位置有关。根据经验，一般Fx/Fy0.81，金刚石刀

14、具金刚石刀具Fy=0.9Fx。切削过程中取金刚切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数石和铝合金的摩擦系数0.120.26，则：，则：hDmin（0.3220.249）403.7.3 切削表面的形成n切削表面基本切削表面基本上是由刀具的上是由刀具的挤光作用而形挤光作用而形成。切削表面成。切削表面的轮廓是在垂的轮廓是在垂直切削方向的直切削方向的平面内刀具轮平面内刀具轮廓的复映。即廓的复映。即由切削深度和由切削深度和进给量综合而进给量综合而成。成。切削表面形成的模型切削表面形成的模型41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糙度的影响42（2）切削刃的复映

15、性的影响）切削刃的复映性的影响43（3）鳞刺与加工变质层的影响）鳞刺与加工变质层的影响443.7.4 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（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位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化46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超精密加工机床4849超精密加工工件50超精密加工装置示例51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