超精密切削加工与金刚石刀具(精密加工)

源自文库 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
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
2.3 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。 而普通切削钢时，积屑瘤可增加刀具的实际前角，故积屑瘤增大可使切削力 下降。 2013-9-22
2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律
一、切削刃锋锐度的测量
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
切削刃钝圆半径rn>0.1μm，用扫描电镜测量（拍扫描电镜照 片时刀尖经真空镀金，故实际切削刃钝圆半径比测得的要小）；
切削刃钝圆半径rn<0.1μm，用原子力显微镜测量。
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二、切削刃锋锐度对加工表面粗糙度的影响
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。
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2.3 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
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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。
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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。
三、切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
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。
2.3 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。使 用切削液可以减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。
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2.4 切削参数变化对加工表面质量的影响
一、切削速度的影响
由图2-11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2-12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。 2013-9-22
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
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
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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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。
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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。
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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
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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。
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
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。
( 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
2.6 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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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 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)。
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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)。
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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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
刃口半径越小，位错密度越小，切削变形越小，表面质量越高。
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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