第2章 2.1超精密切削加工

加工方法
电火花加工；电解加工、刻蚀、化学机械抛光；超 精密切削、磨削、研磨、抛光、珩磨、超声波加工、 离子溅射加工、等离子加工和喷射加工；电子束加 工、激光加工、脱碳处理、气割 化学镀，气相镀 氧化，氮化 电镀、电铸 阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀） 离子溅射注入加工 激光焊接、电焊、化学粘接 锻造、热流动加工（高频电流、热射流、电子束、 激光） 铸造、液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、 浇铸） 微粒子流动加工

化简后得

tan 

Fx  Fy

Fx  Fy
8

在实际摩擦力 (N ) > N 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
(N )  Fx cos  Fy sin 

A点为极限临界点，极限最小切削厚度 hD min 应为
     Fy  Fx    1      1   (1  cos )   1    1      2 2  1  tan2   ( Fx  Fy )(1   2 )         Fy Fx   Fy 1      Fx      


LY12(2A12)铝合金原始材料的显微硬度为105HV。 使用ρ＝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 ρ ＝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。

（4）刀刃圆弧半径对最小切削厚度的限制
刀具刃口半径限制了其最小的切削厚度，刀具 刃口半径越小，允许的最小切削厚度也越小。 若需加工切削厚度为1nm的工件，刀具刃口半径 必须小于5nm。

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（5）刀具的磨损和破损及切削过程中的 微振动

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。（崩刃是当 刀具刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受力 时发生的）

去除加工

结合加工

变形加工 (流动加工)

3

2.1 超精密切削加工
2.1.1概述
超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。 超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。 金刚石刀具的超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。 4
27

2、对加工表面粗糙度的影响

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。

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2.1.4保证超精密切削加工的措施与方法 （1）合理选择工件材料 （2）减小刃口圆弧半径 （3）选择适当的刀具前、后刀面 （4）稳定的机床动特性和加工环境
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。因为在该转速时表面粗糙度最小，加工 质量最高。（在机床切削条件最佳时）

2、进给量的影响

在进给量 f<5μm/r时，均达 到Rmax<0.05μm 的加工表面粗糙度。

进给量f——刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量（feed）
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3、切削深度的影响

在刀具刃口半径足够小时，超精密切削范围内，切削 深度变化对加工表面粗糙度影响很小。 切削深度减少，表面残留应力也减少，但超过某临界 值时，切削深度减少反而使加工表面残留应力增加。
1、切削力的影响

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。
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切削模型分析（分析切削 力增大的原因）
1）积屑瘤前端R大约

实际切削厚度

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 已加工表面间的挤 压摩擦力增大，单 位切削力增大。 3）实际切削厚度超过 名义值，切削力增 加。
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（3）切削温度
由于超精密切削的切削用量极小以及金刚石刀 具和工件材料具有高导热性，因此，与传统切 削相比，超精密切削的切削温度相当低。但对 于精度较高的超精密加工来说，加工温度的微 小变化对加工精度的影响也是不可忽略的。同 时，切削温度对刀具磨损影响较大，切削温度 在金刚石刀具的化学磨损中的影响也极为显著。

注：位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。
5源自文库

（2）超精密切削的切削力特性


超精密切削时的切削力特征为：切削力微小，单位 切削力很大；切削力随切削深度的减小而增大，而 在切深很小时切削力却急速上升。这就是切削力的 尺寸效应。

6

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。切削深度很小时， 切削力显著增大（切削力的尺寸效 应）。因为切削深度很 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。所以在切削深度很小的 精切时，应采用刃口半径很小的锋 锐金刚石车刀。

2A12为铝-铜-镁系中的典型硬铝合金

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2、对加工表面组织位错的影响

刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。
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注：位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

三、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响
金刚石刀具超精密切削时，工件表层产生塑性变形，内层 产生弹性变形。切削后，内层弹性恢复，受到表层阻碍， 从而使表层产生残余压应力。由于微挤压作用，也使得工 件表层有残余压应力

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（1）材料微量加工性的影响
超精密切削加工材料的选择以纳米级 的表面质量为前提，称为材料的“微 量加工性”。影响材料微量加工性的 因素包括被切削材料对金刚石刀具的 内部亲和性（化学反应）、材料本身 的晶体结构、缺陷、分布和热处理状 态等（如多晶体材料的各向异性对零 件加工表面完整性具有较大影响）。
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（2）单位切削应力大
实现纳米级超精密加工的物理实质是切断 材料分子、原子间的结合，实现原子或分 子的去除，因此切削力必须超过晶体内部 的分子、原子结合力。当切削深度和进给 量极小时，单位切削面积上的切削力将急 剧增大，同时产生很大的热量，使刀刃尖 端局部区域的温度升高，因此在微细切削 时对刀具要求较高，需采用耐磨、耐热、 高温硬度高、高温强度好的超硬刀具材料。 在切削铝合金等有色金属时，最常用的是 金刚石刀具。
x

Fy

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 2～4nm。
hD min  1nm

，可估算金刚石刀具刃口半径 为

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：

刀具
W18Cr4V W18Cr4V
xi

2.1.2超精密切削加工的机理

（1）材料的微观缺陷对超精密切削的影响
普通切削的切削深度一般远远大于材料的晶粒尺寸， 切削加工以数十计的晶粒团为加工单位，在切应力 的作用下从基体上去除金属。  而超精密切削的切削层很薄或尺寸很小，切削深度 和进给量必然非常小，特别是亚微米和纳米级的超 精密切削，切削深度通常小于材料的晶粒直径，使 得切削只能在晶粒内进行，刀具切削要克服的是晶 粒内部非常大的原子结合力，刀具上的切削力急剧 增大；这时的切削相当于对一个个不连续体进行切 削，在晶粒内部大约1μm左右的间隙内就有一个位 错缺陷，所以超精密切削是一种断续切削。
nie

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（6）积屑瘤对加工过程的影响
超精密切削时积屑瘤的生成规律
一、切削参数对积屑瘤生成的影响 1、切削速度的影响

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 24 趋于稳定，高度变化不大。

2、进给量f和切削深度的影响

22

A

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。
精密机械制造工程

机械制造系 石运序
1

第2章 超精密机械加工方法

2

精密和超精密加工
分 类 加工机理
电物理加工、电化学加工、力 学加工、力溅射、热蒸发、热 扩散、热溶解 化学附着 化学结合 电化学附着 电化学结合 热附着 扩散结合 熔化结合 物理附着 注入 热物理、电物理化学 热表面流动 粘滞性流动 摩擦流动

（5）降低切削温度
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晶面不同对刀具磨损的影响

通过对比实验，（110）晶面的刀具磨损较快，切削相 当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05μm；（100）晶 面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表面粗糙度仍 <0.05μm，即刀具耐用度明显较高。
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刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响 一、刃口锋锐度对加工表面粗糙度的影响

刃口半径为0.6μm、0.3μm 刃口锋锐度对加工表 面有一定的影响，相 同条件下（切削深度、 进给量），更锋锐的 刀具切出的表面粗糙 度更小。
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二、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响
1、对加工表面冷硬的影响

被切材料
Q235钢 45钢

最小切削厚度
0.248  0.274 

YG8
YG8

Q235钢
45钢

0.350 
0.377 
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（4）超精密切削的表面质量
一、切削速度、进给量、修光刃和切削深度的影响 1、切削速度的影响

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。 11
2

hD min

  1  2  





        

当刀刃刃口半径  为某值时，切下的最小切削厚度 hD min 和临界点处的 F 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦 F 系数有关。
y x

9

根据经验，A点处的 F 比值一般在0.8～1范围内，对于金刚 石刀具进行超精密切削，取 Fy  0.9Fx 。





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，在切削深度<25μm时，积屑瘤的高度 变化不大，但在切削深度> 25μm后， h0值将随着切 削深度的增加而增加。
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二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响
7

（3）超精密切削的最小切削厚度
一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系
分析：在极限临界点A 的受力变形情况：在A 点处工件受水平和垂 直力作用，此两力可 分解为A点处的法向力 N和切向力 N ，则N 力和 N 力可用下式计 算 N  F cos  F sin 
y x

N  Fx cos  Fy sin 

1）刃口半径越小，残留应力越低； 2）切削深度越小，残留应力越小，但当切削深度减小 到临界值时，切削深度减小，残留应力增大。
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2.1.3超精密切削加工的特点


实现超精密切削的关键是极薄（超微量）去除技术， 其难度比常规的大尺寸去除加工技术大得多，原因 在于：一是由于刀具和工件表面微观的弹性变形和 塑性变形是随机的，准确度难控制；二是工艺系统 的刚度和热变形对加工准确度有很大影响；三是去 除层越薄，被加工表面所受到的剪切力越大，材料 越不易被去除。当去除厚度在1μm以下时，就需在 晶粒内进行加工，这时材料被去除的区域内产生的 剪切应力急剧增大。故要实现纳米级超精密切削加 工需要注意以下技术特点：