超精密切削加工与金刚石刀具(精密加工)
论述金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具是超精密切削中常用的刀具材料，其切削机理、条件和应用范围如下：
1.切削机理：
⏹金刚石刀具的切削刃非常锋利，在切削过程中能够实现“切入式切削”，
使切削力大大减小。
⏹金刚石的硬度极高，切削时不易被工件材料磨损，能够保持良好的切削刃
形状。
⏹金刚石的传热性能极佳，能够快速地将切削热量传递出去，从而降低切削
温度，减少热损伤。
1.切削条件：
⏹刀具刃口半径：为了实现超精密切削，需要将刀具的刃口半径减小到亚微
米级，以提高切削的精度和表面粗糙度。
⏹切削用量：为了减小切削力和热量，需要选择较小的切削深度和进给速度，
以提高切削效率。
⏹工件材料：金刚石刀具适用于加工各种硬材料，如淬火钢、硬质合金等。
但是，对于一些韧性较大的材料，需要进行预处理或选择其他刀具材料。
1.应用范围：
⏹金刚石刀具广泛应用于超精密切削领域，如光学零件、轴承、硬盘磁头、IC
芯片等高精度、高表面质量的零件加工。
⏹在加工过程中，金刚石刀具还可以用于制作各种微细结构，如微孔、微槽
等。
综上所述，金刚石刀具的超精密切削需要满足一定的条件，并具有广泛的应用范围。
超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析
理论与实践经济与社会发展研究超精密加工中的金刚石刀具及刀具磨损分析齐齐哈尔工程学院 武晓迪摘要：各种超精密加工应用中将金刚石用作切削工具已经成为现实，然而其目的与意义并没有得到实质性分析。
据此，本文对超精密加工中应用金刚石作为切削刀具的现实意义进行分析。
关键词：超精密加工；切削工具；刀具磨损一、技术背景分析使用高速超精密车床加工玻璃和硅等脆性材料时，当所施加的切削深度低于临界值时，则认为其处于延性模式，并且可以容易地加工而不会形成裂纹。
因此，对于这些材料的延性至脆性转变具有重要意义，在这些材料中，临界切削深度的大小取决于零件的特性而变化。
通常，单晶硅经常用在微机电系统（ＭＥＭＳ）中，在该系统中，最终将材料加工成优质产品，并进行超精密研磨和抛光操作。
尽管硅材料的行为在室温下很脆，但建议使用金刚石车削工具以延性模式加工硅。
这减少了由陶瓷材料的脆性断裂引起的损坏，并提高了最终零件的生产率。
使用金刚石工具对铜，铝和镍等有色金属材料进行高速加工，以评估工具的磨损，切削力和表面光洁度。
实验针对不同的切割速度进行，例如较低的１５０ｍ／ｍｉｎ的速度和较高的４５００ｍ／ｍｉｎ的速度。
在较低的切削速度下观察到的刀具磨损率大于较高的切削速度。
这可能是由于以较高的速度减少了刀具与工件啮合的时间。
它还降低了工具和工件界面之间的化学亲和力。
具有高负前角的金刚石工具可用于以超精密精度精加工该材料。
二、金刚石作为切削工具的意义制备塑料模具的需求不断增加，而塑料模具是制造ＣＤ光学头的非球面透镜和照相机的智能透镜所必需的。
刀具的切削刃必须锋利且没有不规则形状，以加工高精度非球面。
基于工具的清晰度，单晶金刚石（ＳＣＤ）和多晶金刚石（ＰＣＤ）之间存在主要差异。
ＳＣＤ工具的切削刃是均匀的且没有不规则性，而ＰＣＤ工具的切削刃则显示出微观的不规则性，从而导致金刚石颗粒的去除。
与ＰＣＤ工具相比，ＳＣＤ工具的主要缺点是其磨损寿命短。
它还用于将铝基板加工成精细的镜面涂层，该涂层用于计算机存储系统的硬盘驱动器中。
第2章超精密切削与金刚石刀具详解
• 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。
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。
2.7 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。
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。
金刚石刀具在数控机床中的应用
金刚石刀具在数控机床中的应用随着科技的不断进步和发展，数控机床在工业领域中扮演着重要的角色。
数控机床的出现大大提高了生产效率和加工质量，而金刚石刀具作为一种高性能的切削工具，在数控机床中的应用也越来越广泛。
本文将探讨金刚石刀具在数控机床中的应用，并分析其优势和挑战。
一. 金刚石刀具的基本特性金刚石刀具由金刚石颗粒和金属粉末经压制、烧结等工艺制成，具有极高的硬度、耐磨性和热稳定性。
这些特性使得金刚石刀具在切削加工中具备以下优势：1. 高硬度：金刚石刀具的硬度仅次于金刚石，可用于切削超硬材料如陶瓷和高硬度合金等。
2. 耐磨性：金刚石刀具具有出色的耐磨性，可在切削过程中保持较长的使用寿命。
3. 热稳定性：金刚石刀具具有良好的热稳定性，可承受高温切削环境下的工作，不易变形。
二. 金刚石刀具在数控机床中的应用领域1. 切削加工金刚石刀具广泛应用于数控机床的切削加工领域，包括车削、铣削、钻削、磨削等。
由于金刚石刀具的高硬度和耐磨性，可用于加工硬度较高的材料，如钛合金、高速钢等。
同时，金刚石刀具还能够提供更高的加工精度和表面质量。
2. 精密加工在数控机床的精密加工中，金刚石刀具的应用更能体现出其独特的优势。
例如，在汽车零部件的精密加工过程中，采用金刚石刀具可以实现更高的加工精度和更好的表面质量。
3. 工具磨损监测由于金刚石刀具的耐磨性较高，因此可以通过监测金刚石刀具的磨损情况，准确地评估刀具的使用寿命。
这对机床的保养和刀具的及时更换具有重要意义，可降低生产成本，并提高生产效率。
三. 金刚石刀具在数控机床中的挑战虽然金刚石刀具在数控机床中有广泛的应用前景，但面临着一些挑战和限制：1. 成本高昂：金刚石刀具的制造成本较高，所以其售价也相对较高，这给广泛应用带来了一定的限制。
2. 技术要求高：金刚石刀具的加工工艺复杂，需要高精度和高温高压的条件，所以其生产过程要求较高的技术水平。
3. 刀具表面质量难以保证：由于金刚石刀具的硬度很高，常规的抛光或修整技术难以完成对其表面的加工，从而可能会影响到加工表面质量。
精密和超精密加工
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。
2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。
金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。
4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接相关。
5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。
6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有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。
以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。
比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。
7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。
推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。
8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最低，最不容易磨。
9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。
现在习惯上把高磨削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。
10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。
11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。
其中激光晶体定向最常用。
12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。
13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法。
电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。
精密和超精密加工技术
1、通常将加工精度在0.1-1um、加工表面粗糙度R在0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1um、加工表面粗糙度R小于0.01um的加工方法称为超精密加工。
2、提高加工精度的原因：提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
3、精密和超精密加工目前包含三个领域：超精密切削；精密和超精密磨削研磨‘精密特种加工。
4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。
5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：晶面的选择；切削刃钝圆半径。
6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿五个方面的条件。
7、我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下四个方面：1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺。
2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性。
3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿。
4）超精密加工的环境条件。
5）超精密加工的材料。
8、超精密切削实际选择的切削速度，经常是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。
9、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境等都直接有关。
10、为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。
2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r值极小，能实现超薄切削厚度。
3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。
4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因素低，能得到极好的加工表面完整性。
11、SPDT——金刚石刀具切削和超精密切削。
12、晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象称为解理现象。
第2章超精密切削与金刚石刀具汇总
3. 刀刃形状对加工表面粗糙的影响 ✓ 直线修光刃（国内）、圆弧修光刃（国外）。 ✓ 修光刃太长对加工表面粗糙度影响不大。 ✓ 圆弧修光刃刀具加工表面质量较高，但是，制造、刃
磨复杂，成本高。
4. 背吃刀量对加工表面粗糙的影响 ✓ 在超精密加工中，背吃刀量一般都比较小，对加工
表面粗糙度的影响很小。 ✓ 但是如果ap太小，挤压严重，切削困难， 加工表面
材料、机床特性、切削环境等因素有关。 ✓ 目前，使用极其锋利的金刚石刀具在机床最佳条
件下可以实现纳米级连续稳定的切削。
常规切削与超精密切削加工
常规切削与超精密切削加工
常规切削与超精密切削加工
超精密切削加工
2. 刃口半径（钝圆半径）rn与最小切削厚度的关系
✓ 可见，最小切削厚度与刀具锋锐度、切削力、摩擦系数有关。
切削时，积屑瘤可增大刀具 前角，从而使切削力下降。
积屑瘤越高，切削力越大的主要原因 ✓ 积屑瘤圆弧半径 R 约为2-3 m，远远大于金刚石刀具刃
口半径 0.1-0.3 m。 ✓ 积屑瘤代替金刚石刀刃切削，积屑瘤与切屑间摩擦很严
重，摩擦力大大增加。 ✓ 积屑瘤的存在，导致切削厚度增加。 ✓ 积屑瘤的存在，加工表面粗糙度增加。 ✓ 使用切削液，可减小积屑瘤高度，减小加工表面粗糙度
防止积屑瘤的办法：
✓ 低速切削、或高速切削 ✓ 添加润滑液、较小摩擦 ✓ 增大刀具前角，减小刀—屑间的压力 ✓ 提高工件硬度，减小加工硬化
超精密切削刀时积屑瘤的生成规律
切削速度对积屑瘤产生的影响。 ✓ 与普通切削不同 ✓ 切削速度越高, 积屑瘤高度越低。
超精密切削刀时积屑瘤的生成规律
积屑瘤对切削力的影响 ✓ 积屑瘤越高，切削力越大 ✓ 与普通切削正好相反，普通
第二章 金刚石刀具精密切削加工
复习晶体结构
晶格模型
面心结构
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。
晶胞
Z
晶胞
c
b Y
a
X
晶格常数 a ， b， c
人造单晶金刚石刀具 金刚石刀具 PCD刀具
多晶金刚石刀具
CVD金刚石薄膜涂层刀具
CVD金刚石刀具 金刚石厚度膜焊接刀具
金刚石刀具的性能特点
极高的硬度和耐磨性：硬度达HV10000，是自然界最硬的物质， 具有极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金80-120倍，人 造金刚石耐磨性为硬质合金60-80倍。 各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能 、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系 数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行 晶体定向。
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。
DTM-3大型超精密车床
分为：液体静压和空气静压
供油压力恒定的液体静压轴承
主轴始终悬浮 在高压油膜上
液体静压轴承与气压轴承
1、液体静压轴承主轴
优点
回转稳定性好 刚度高 无振动
缺点
回转运动有温升 回油时有空气进入油源 注：空气静压轴承原理与静
《精密和超精密加工技术(第3版)》第2章超精密切削与金刚石刀具
三、使用切削液减小积屑瘤,减小加工表面粗糙 度值
图2-11 超精密切削时切削速度对加工表面粗糙 度的影响 f=0.0075mm/r ap=0.02mm
加工硬铝时,如将航空汽油作为切削液,可明显减小 加工表面粗糙度值,并且在低速时表面粗糙度值也很 小。这说明使用切削液后,已消除了积屑瘤对加工表 面粗糙度的影响，从污染环境看,应在保证加工表面 质量的条件下,尽量少用切削液。加工黄铜时,切削 液无明显效果,低速时加工表面粗糙度值不大,故加 工黄铜时可不使用切削液。
加的原因如下:
1)鼻形积屑瘤前端的圆弧半径R为2~3μm,较原来金刚 石车刀的切削刃钝圆半径rn(0.2~0.3μm)大得多。
2)积屑瘤存在时,它代替金刚石切削刃进行切削,积屑 瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面之间的摩擦 都很严重,摩擦力很大,大大超过金刚石和这些材料之 间的摩擦力,这导致切削力的增加。
超精密切削刀具磨损和寿命
图2-2 磨损的金刚石切削刃
正常刀具磨损情况,一般磨 损主要在后刀面上。
图2-3 剧烈磨损的金刚石切削刃
剧烈磨损情况,从图中可看 到磨损区呈层状,即刀具磨 损为层状微小剥落,这大概 是由金刚石沿(111)晶面有 解理现象产生而造成这样的 磨损形式。
超精密切削刀具磨损和寿命
一、超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响
图2-8 背吃刀量㊀ap对积屑瘤高度的影响
硬铝v=314m/min f=0.0075mm/r
在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。
背吃刀量ap<25μm时,积屑瘤的高度h0变化 不大,但ap大于25μm后,积屑瘤高度h0将随 ap值的增加而增加,这种变化的原因大概是
超精密切削加工与金刚石刀具(精密加工
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
三、切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
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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。
(FN ) Ff cos FP sin
A点为极限临界点，极限最小切削厚度 hDmin 应为
hDmin rn(1 cos ) rn1
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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
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2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命
后刀面 前刀面
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图2-2：切削刃正常磨损；
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；
2.3 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2-7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。
精密和超精密加工技术的发展
精密和超精密加工技术的发展我国目前已是一个“制造大国”,制造业规模名列世界第四位,仅次于美国、日本和德国,近年来在精密加工技术和精密机床设备制造方面也取得了不小进展。
但我国还不是一个“制造强国”,与发达国外相比仍有较大差距。
目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备,发展了新的精密加工和精密测量技术。
为了使我国的国防和科技发展不受制于人,我们必须投入必要的人力物力,自主发展精密和超精密加工技术,争取尽快将我国的精密和超精密加工技术水平提升到世界先进水平。
下面对国内外精密和超精密加工技术的最新发展情况介绍如下。
精密机床技术的发展精密机床是精密加工的基础。
当今精密机床技术的发展方向是:在继续提高精度的基础上,采用高速切削以提高加工效率,同时采用先进数控技术提高其自动化水平。
瑞士DIXI公司以生产卧式坐标镗床闻名于世,该公司生产的DHP40高精度卧式高速镗床已增加了多轴数控系统,成为一台加工中心;同时为实现高速切削,已将机床主轴的最高转速提高到24000r/min。
瑞士MIKROM公司的高速精密五轴加工中心的主轴最高转速为42000r/min,定位精度达5μm,已达到过去坐标镗床的精度。
从这两台机床的性能可以看出,现在的加工中心与高速切削机床之间已不再有严格的界限划分。
使用金刚石刀具的超精密切削技术超精密切削技术的进展金刚石刀具超精密切削技术是超精密加工技术的一个重要组成部份,不少国防尖端产品零件:如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等:都需要利用金刚石超精密切削来加工。
使用单晶金刚石刀具在超精密机床上进行超精密切削,可以加工出光洁度极高的镜面。
超精密切削的切削厚度可极小,最小切削厚度可至1nm。
超精密切削使用的单晶金刚石刀具要求刃口极为锋锐,刃口半径在0.5,0.01μm。
因刃口半径甚小,过去对刃口的测量极为困难,现在已可用原子力显微镜:AFM:方便地进行测量。
精密和超精密加工
精密和超精密加工一、精密和超精密加工的概念与范畴通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。
目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。
精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。
传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等，具体如下：a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。
b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。
c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。
d.精密研磨与抛光是通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。
精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。
e.抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。
超精密切削加工主要指金刚石刀具的超精密切削
超精密切削加⼯主要指⾦刚⽯⼑具的超精密切削超精密切削加⼯主要指⾦刚⽯⼑具的超精密切削。
超精密切削的⼯作机理：普通的切削的切削深度⼀般远⼤于材料晶粒的尺⼨，切削加⼯以数⼗计的晶粒团为加⼯单位，在切削⼒的作⽤下从基体上去除⾦属。
⽽超精密加⼯的切削层很薄或尺⼨很⼩，切削深度和进给量必然很⼩，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晶粒直径，使的切削只能在晶粒内部进⾏。
超精密切削时的切削⼒的特征为：切削⼒微⼩，单位切削⼒很⼤，切削⼒随着切削深度的减⼩⽽增⼤，⽽在切深很⼩时切削⼒却急剧上升。
超精密切削加⼯的特点与应⽤（1）单位切削⼒⼤实现纳⽶级的超精密加⼯的物理实质是切断材料的分⼦、原⼦间的结合，实现原⼦或者分⼦的去除，因此切削⼒必须超过晶体内部的分⼦、原⼦结合⼒。
（2）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的⾼导热性，因此超精密切削温度相当低。
（3）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，⼑具刃⼝越⼩，允许的最⼩切削厚度也越⼩。
超精密切削的应⽤超精密加⼯主要⽤于加⼯软⾦属材料以及光学玻璃、⼤理⽯和碳素纤维板等⾮⾦属材料，主要加⼯对象是精度要求很⾼的镜⾯零件。
（下图是超精密切削球⾯镜的加⼯原理图）球⾯镜的加⼯原理1-主轴；2-凹⾯镜；3-⼑具轴超精密磨削超精密磨削是当代能达到最低磨削表⾯粗糙度值和最⾼加⼯精度的磨削⽅法。
超精密磨削去除量最薄，采⽤较⼩修整导程和吃⼑量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等⾼微刃磨削作⽤，并采⽤较⼩的磨削⽤量磨削。
超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的⼯作环境。
超精密磨削的光磨微细摩擦作⽤带有⼀定的研抛作⽤性质。
1.超精密砂轮磨削的磨削超精密砂轮磨削机理：( 1 ) 超微量切除超精密磨削是⼀种极薄切削，切屑厚度极⼩，磨削深度可能⼩于晶粒的⼤⼩，磨削就在晶粒内进⾏，因此磨削⼒⼀定要超过晶体内部⾮常⼤的原⼦、分⼦结合⼒，从⽽磨粒上所承受的切应⼒就急速地增加并变得⾮常⼤，可能接近被磨削材料的剪切强度的极限。
超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构
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 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超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构
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
2.7超精密切削对刀具的要求及金刚石的性能和晶体构
4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距
晶面（面网） （100） （110） （111）
面网的最小单元
面积 原子数
D2
2 D2
3D2 / 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3x1/6+3x1/2=2
4x1/4+1=2
4x1/4+2x1/2+2=4
3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴
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）晶面围成外表面， 六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。
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、晶体中的晶面和晶轴
晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原子面。 晶轴：与晶面垂直的轴。
Z
Y
X
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 晶体中的晶面指数: 晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来。许多性 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）。
精密特种加工
3. 表面由微切削和微挤压作用形成，以微切削为主 4. 表面一般为残余压应力
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，使表层产生残余压应力。 此外，由于微挤压作用，使工件表层也有残余压应力。 5. 最小切削厚度主要取决于刀具刃口半径
最小切削深度apmin,
第2章 超精密切削技术
13 概述 2 超精密切削机理 3 金刚石刀具
13 概述
1. 超精密加工技术（Single-point Diamond Turning,
SPDT）是美国在20世纪60年代初用单刃金刚石车刀 镜面切削铝合金和无氧铜开始的。
2. 超精密切削，在符合条件的机床和环境条件下，可以
得到超光滑表面，表面粗糙度Ra可达0.02～0.005μm，
33 金刚石刀具
3. 金刚石晶体的结构
➢ 金刚石晶体的最小单元
33 金刚石刀具
33 金刚石刀具
➢ 金刚石晶体的晶轴和晶面
晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原子面。 晶轴：与晶面垂直的轴ZBiblioteka cb aY
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X
X
33 金刚石刀具
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。
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2.4 切削参数变化对加工表面质量的影响
三、切削刃形状对加工表面粗糙度的影响
超精密切削时用的单晶金刚石刀具，有直线修 光刃和圆弧刃。 直线刃：刀具制造容易，国内用得较多，可减 少残留面积，减小加工面的粗糙度值。修光刃 的长度常取：0.05-0.20mm。 圆弧刃：刀具制造较复杂，对刀方便，圆弧刃 半径一般取2～5mm。
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刃型位错
在金属晶体中，由于某种原因，晶体 的一部分相对于另一部分出现一个多余的 半原子面。这个多余的半原子面犹如切入 晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。 这种线缺陷称刃型位错。半原子面在上面 的称正刃型位错, 半原子面在下面的称员 刃型位错。
位错线
滑移方向
螺型位错
晶体右边的上部点相对于下部的距点 向后错动一个原子间距，即右边上部相对 于下部晶面发生错动。若将错动区的原子 用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种 线缺陷称螺型位错。
2 维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136°的金 刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表 面积除以载荷值，即为维氏硬度HV值(kgf/mm2)。
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3.洛氏硬度(HR) 当HB>450或者试样过小时，不能采 用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶 角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢 球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度 求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种 不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石 锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质 合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬 硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退 火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥 压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢 等)。
有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对 刀，使修光刃和进给方向一致。生产中常 使用对刀显微镜精确对刀。 2013-9-22
2.4 切削参数变化对加工表面质量的影响
四、背吃刀量变化对表面粗糙度的影响 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。 2013-9-22
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硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属 材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。 常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小 (直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段 时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬 度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。
位错线
滑移方向
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五、切削刃锋锐度对加工表面残留应力的影响
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 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(表2-4中背吃刀量ap=1）时，背吃 刀量减小，残留应力增大。
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切削模型分析
1）积屑瘤前端R大约2～ 3μm，切削刃钝圆半径 为0.2～0.3μm，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。
实际切削厚度
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第2章 超精密切削与金刚石刀具 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
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2.1 超精密切削的切削速度选择
• 切削速度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。因为在该转速时表面粗糙度最小，加 工质量最高。
2.3 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2-7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2-8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。 2013-9-22
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Ra0.02～0.005µ m，加工精度<0.01µ m)。 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。
2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题
一、超精密切削能达到的最小切削厚度
1、实际切削达到的最小切削厚度
超精密切削实际能达到的最小切削厚 度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精 密机床的性能状态、切削时的环境条件 等都直接有关。 研究结果表明：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，可以实现切削厚度为纳米 （nm）级的连续稳定切削。 2013-9-22
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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
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
图2-19和图2-20是 两把不同锋锐度金 刚石车刀对比试验。 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； 采用较小的背吃 刀量和进给量时， 切削速度的影响不 是很大。
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FN FP cos Ff sin
FN Ff cos FP sin
化简后得
tan
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F f FP
F f FP
2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题
一、超精密切削能达到的最小切削厚度
在实际摩擦力 (FN ) > FN 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
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2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命
刀具的磨损甚小； 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。
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2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命
图2-2：切削刃正常磨损；
后刀面 前刀面
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；
2.6 金刚石刀具超精密切削中的若干理论问题
一、超精密切削能达到的最小切削厚度 2、切削刃钝圆半径rn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 受水平力Ff 和垂直力Fp 作用， 此两力可分解为A点处的法 FN 向力FN和切向力 ，则FN FN 力和 力可用下式计算
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四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
1、对加工表面冷硬的影响
• 2A12铝合金（ 高强度硬铝 ）原始材料的显微硬度为 105HV（HV表示维氏硬度）。使用rn＝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rn ＝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。
( FN ) Ff cos FP sin
2、切削刃钝圆半径rn和最小切削厚度的关系(续）
A点为极限临界点，极限最小切削厚度 hD min 应为
2.4 切削参数变化对加工表面质量的影响
二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响
1、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。
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2.4 切削参数变化对加工表面质量的影响
二、进给量和修光刃对加工表面粗糙度的影响 2、修光刃的影响
为了减小加工表面粗糙 度值，超精切削都采 用很小的进给量，刀 具制成带修光刃。 修光刃的长度过长，对 加工表面粗糙度影响 不大。
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四、切削刃锋锐度对切削表面层的冷硬和组织位错的影响 2、对加工表面层位错的影响 位错密度：单位体积 晶体中所含的位错线 的总长度。（或者是 穿过单位截面积的位 错线数目 ）
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响