第2章超精密切削与金刚石刀具详解

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。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
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。
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
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。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
1、切削速度的影响
一、超精密切削对刀具的要求
• 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。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
3、修光刃的影响
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。
2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响
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
• • • • 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。
• 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。
2.1 超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度
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。
2.1 超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响
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。
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
四、刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响
1）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。
2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响
四、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。
2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构
化简后得
tan
Fx Fy
Fx Fy
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）
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
被切材料
Q235钢 45钢 Q235钢 45钢
最小切削厚度
0.248 0.274 0.350 0.377

2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响
一、金刚石晶体的摩擦系数
1）（100）晶面的摩擦系 数曲线有4个波峰和波谷； （110）晶面有2个波峰和 波谷；（111）晶面有3个 波峰和波谷；
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 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
2、进给量f和背吃刀量 p的影响
• 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。
（二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的 变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。
（三）剪切角 的计算：假设切削过程为直角自由切削
tan cos 0 h sin 0
0 为前角。 式中 h 为变形系数，
从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀，
第2章 超精密切削与金刚石刀具
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。
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 hD min 1nm ，可估算金刚石刀具刃口半径 为3～4nm。
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 YG8 YG8
即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110）
晶面的2号车刀。
2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响
三、晶面不同对加工表面质量的影响
用（100）晶面的1 号车刀和（110）晶 面的2号车刀，在 相同的切削条件下 加工紫铜，改变进 给量得到的加工表 面粗糙度相差不多。
这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切 出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的。所以用摩 擦系数小的（100）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使切削变形减小， 并可减小后面与加工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力。
2.7超精密切削对刀具的要求及金刚石的性 能和晶体结构 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
车刀切削部分的结构要素
2.1 超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度
• 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。
2
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

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）
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 。
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
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
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
三、刀刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响
1、对加工表面冷硬的影响
• 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。
hD min Fy Fx 1 1 (1 cos ) 1 1 2 2 2 2 1 tan ( Fx Fy )(1 ) Fy Fx Fy 1 F x
第2章 超精密切削与金刚石刀具
2.1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
一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响
4、背吃刀量的影响
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。
2.4 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
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
1、对切削力的影响
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。
2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律
切削模型分析
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。
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。
2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律
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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（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。
2.4 刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
二、刀刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
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。
2）（100）晶面的摩擦系 数最低；（110）最高；
3）（100）晶面的摩擦系 数差别最大；（111）晶面 最小。
2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响
二、晶面不同对切削变形的影响
1号车刀：前、后面为（100）晶面； 2号车刀：前、后面为（110）晶面。 比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。 （一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀 切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。