第二章精密切削加工

2019/12/192.1概述2.2精密切削加工的工艺规律和机理2.3精密切削加工的机床及应用2.4功率超声车削第2章精密切削加工2019/12/19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。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。2.1概述2019/12/19按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工：加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工（微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等）。精密加工的加工范畴2019/12/19精密加工的关键技术1.精密加工机床：主轴回转精度、工作台直线运动精度以及刀具微量进给精度2.金刚石刀具：金刚石晶面选择、刀具刃口锋利性（刀具刃口圆弧半径）3.精密切削机理：微量切削过程的特殊性4.稳定的加工环境：恒温、防振和空气净化5.误差补偿：根据规律设定补偿，反馈控制系统6.精密测量技术2019/12/19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。2.2精密切削加工机理2019/12/19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。2019/12/19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。2019/12/19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。1、切削速度的影响一、切削参数对积屑瘤生成的影响2019/12/19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、进给量f和背吃刀量的影响p2019/12/19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。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2019/12/191）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。切削模型分析实际切削厚度2019/12/19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。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2019/12/19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。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2019/12/19在进给量f5μm/r时，均达到Rmax0.05μm的加工表面粗糙度。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2019/12/19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。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2019/12/19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。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2019/12/19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。一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响刃口半径为0.6μm、0.3μm2019/12/19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。二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响2019/12/19LY12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。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2019/12/19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、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2019/12/191）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。四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响2019/12/191）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。一、精密切削对刀具的要求2019/12/19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。二、金刚石晶体的性能2019/12/19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。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2019/12/192.11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2019/12/19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。008~5p006~5010p005~01、金刚石刀具切削部分的几何形状前角和后角2019/12/191、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0.15mm342019/12/19应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（111）不适合作前后面。推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面，理由如下：1)（100）晶面的耐磨性高于（110）晶面；2)（100）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，（100）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多；3)（100）晶面和有色金属之间的摩擦系数要低于（110）晶面的摩擦系数。2、金刚石刀具前、后刀面晶面选择2019/12/19对金刚石车刀，常把金刚石固定在小刀头上，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刀杆上，或将金刚石直接固定在车刀刀杆上。在小刀头上的固定方法有：机械夹固粉末冶金法固定粘结或钎焊固定一次性使用不重磨的精密金刚石刀具，将金刚石钎焊在硬质合金片上，再用螺钉夹固在车刀杆上。3、金刚石刀具的固定方法2019/12/19二、金刚石刀具的研磨加工粗磨精研磨1、金刚石刀具的研磨机2019/12/19粗研效率与研磨方向、研磨速度和压力、使用的金刚石微粉的粒度有关。找到所磨晶面的好磨方向线速度高加大研磨压力（9～12N）研磨效率高粗粒度的微粉（初期）细粒度的微粉（后期）二、金刚石刀具的研磨加工2、粗研：去除余量2019/12/19二、金刚石刀具的研磨加工3、精研提高研磨质量，使切削刃研制更为锋锐磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小研磨盘质量越好，研磨效果越好研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。2019/12/191精密和超精密机床发展概况及典型机床简介2精密主轴部件3床身和精密导轨部件4进给驱动系统5微量进给装置6机床运动部件位移的激光在线检测系统7机床的稳定性和减振隔振8减少变形和恒温控制精密加工的机床设备2019/12/19精密机床是实现精密加工的首要基础条件。1）美国：50年代首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床；1983～1984研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型和LODTM大型超精密车床。2）英国：1991粘研制成功大型超精密机床OAGM2500。3）日本：现在在中小型超精密机床生产上已经具有一定的优势，甚至超过了美国。4）中国：JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床等。一、发展概况2019/12/19二、典型机床简介UnionCarbide公司的半球机床能加工直径100mm的半球，达到尺寸精度正负0.6μm，表面粗糙度0.025μm。精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成轴衬，径向空气轴承的外套可以调整自动定心，可提高前后轴承的同心度，以提高主轴的回转精度。2019/12/19二、典型机床简介Moore车床由Moore3型坐标测量机改造而成。采用卧式主轴，三坐标精密数控，消振和防振措施，加强恒温控制等。M-18AG型超精密非球面车床，基本结构同Moore3，采用空气静压轴承主轴、气浮导轨、双坐标双频激光测量系统、优质铸铁床身，有恒温油浇淋机和空气隔振垫支承。2019/12/19二、典型机床简介Pneumo公司的MSG-325超精密车床采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向跳动均小于等于0.05μm。床身溜板用花岗岩制造，导轨为气浮导轨；机床用滚珠丝杠和分辨率为0.01μm的双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪精密检测位移。2019/12/19二、典型机床简