超精密切削加工技术探析

超精密切削加工技术探析

超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的,故一般称为金刚石刀具具切削或SPDT。对超精密切削加工技术及其机理进行介绍和总结,希望对超精密加工行业同事有所指导。

标签：超精密切削；金刚石；机床

通常,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。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；精度高于0.1μm,表面粗糙度小于Ra0.01μm之间的称为超精密加工。因此,如果从去除单位尺寸将切削加工加以区别的话,以微米级的去除,才属于超精密加工。

1 金刚石刀具切削的机理

超精密切削加工主要是由高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的,故一般称为金刚石刀具切削或SPDT(Single Point Diamond Turning)。金刚石刀具的超精密切削加工虽有很多优点,但要使金刚石刀具超精密切削达到预期的效果,并不是很简单的事,许多因素都对它有影响。

1.1 切削厚度与材料切应力的关系

金刚石刀具超精密切削属微量切削,其机理和普通切削有较大差别。精密切削时要达到0.1微米的加工精度和Ra0.01微米的表面粗糙度,刀具必须具有切除亚微米级以下金属层厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸,切削是将金属晶体一部分一部分地去除。因此,精密切削在切除多余材料时,刀具切削要克服的是晶体内部非常大的原子结合力,于是刀具上的切应力就急剧增大,刀刃必须能够承受这个比普通加工大得多的切应力。

切削厚度与切应力成反比,切削厚度越小,切应力越大。当进行切深为0.1微米的普通车削时,其切应力只有500MPa；当进行切深为0.8微米的精密切削时,切应力约为10000MPa。因此精密切削时,刀具的尖端将会产生根大的应力和很大的热量,尖端温度极高,处于高应力高温的工作状态,这对于一般刀具材料是无法承受的。因为普通材料的刀具,其刀刃的刃口不可能刃磨得非常锐利,平刃性也不可能足够好,这样在高应力和高温下会快速磨损和软化,不能得到真正的镜面切削表面。而金刚石刀具却有很好的高温强度和高温硬度,能保持很好的切削性能,而不被软化和磨损。

1.2 材料缺陷及其对超精密切削的影响

金刚石刀具超精密车削是一种原子、分子级加工单位的去除(分离)加工方法,要从工件上去除材料,需要相当大的能量,这种能量可用临界加工能量密度

δ(J/cm3)和单位体积切削能量ω(J/cm3)来表示。临界加工能量密度就是当应力超过材料弹性极限时,在切削相应的空间内,由于材料缺陷而产生破坏时的加工能量密度；单位体积切削能量则是指在产生该加工单位切削时,消耗在单位体积上的加工能量。从工件上要去除的一块材料的大小(切削应力所作用的区域)就是加工单位,加工单位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同时,被加工材料的破坏方式就不同。

2 超精密金刚石刀具切削

当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔一微米则还要狭窄的区域时,在此狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生材料滑移变形。当加工应力作用在比位错缺陷平均分布间隔还要宽的范围内时,位错线就会在位错缺陷的基础上发生滑移,同时在比剪切应力理论值低得多的加工应力作用下,晶体产生滑移变形或塑性变形。当加工应力作用在比晶粒大小更宽的范围时,多数情况易发生由晶界缺陷所引起的破坏。实际上,在比微错缺陷平均分布间隔还要小的范围内,还存在着空位、填隙原子等缺陷,会演变成位错并发生局部塑性滑移．因此实际剪切强度比理论值低,实际的临界加工能量密度和单位体积切削能量比理论值也要低得多。

2.1 金刚石刀具起精密车削表面的形成

用金刚石刀具超精密车削形成表面的主要影响因素有几何特性、塑性变形和机械加工振动等。几何特性主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等。它主要影响与切削运动力向相垂直的横向表面粗糙度。图a表示了在切削时,主偏角kr、副偏角kr和进给量f对残留面积高度的影响。图中ap为切削深度,Ry为表面粗糙度的轮廓最大高度,由几何关系可知：

Ry=f/(ctgkr+ctgk’)r

图b表示了在切削时,刀尖圆弧半径re和进给量f对残留面积高度的影响,其几何关系如下：

Ry≈f2/8re

图2

2.2 金刚石刀具超精密车削的切屑形成

金刚石刀具超精密车削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。当前,最小切削深度可达0.1微米以下,其主要影响因素是刀具的锋利程度,一般以刀具的切削刃钝圆半径rn来表示。超精密车削所用的金刚石车刀,其切削刃钝圆半径一船小于0.5微米,而切削时的切削深度ap和进给量f都很小,因此,在一定的切削刃钝

圆半径下,如果切削深度太小,则可不能形成切屑。切屑能否形成主要取决于切削刃钝圆圆弧处每个质点的受力情况,在自由切削条件下,切削刃钝圆圆弧上某一质点A的受力情况见图。该点有切向分力Fz和法向分力Fy,合力为Fy,z。切向分力使质点向前移动,形成切屑；法向分力使质点压向被加工表面,形成挤压而无切屑。所以,切屑的形成取决于Fz和Fy的比值,当Fz>Fy时,有切削过程,形成切屑；当Fz

apmin=rn-h=rn(1-cosψ)

ψ=45°-ψ=45°-arctanFfFn

式中：ψ—金刚石刀切削时的摩擦角；

Ff—金刚石刀切削时的摩擦力；

Fn—金刚石刀切削时的正压力。

可见,切削刃钝圆半径rn是决定切屑形成的关键参数。

金刚石刀具越精密切削时,刀具切削刃钝圆半径小,切薄能力强,形成流动切屑,因此切削作用是主要的。但由于实际切别刃钝因半径不可能为零,以及修光刃等的作用,因此还伴随着挤压作用。所以金刚石刀具超精密车削表面是由微切削和微挤压而形成,并以微切削为主。

3 结语

近几年来,切削加工技术得到了突飞猛进的发展,像计算机用的磁鼓、磁盘,大功率激光用的金属反射镜,激光扫描用的多面棱镜,红外光等用的光学零件和复印机的高精度零件,都是用切削的方法加工出来的,超精密切削加工技术在这个技术时代显得尤为重要。

参考文献

［1］骆红云,焦红,范猛,王立江.金刚石刀具与精密超精密加工技术［J］.长春光学精密机械学院学报,2000,(1).

［2］陈明君,王景贺,原大勇,罗熙淳,李旦.KDP晶体塑性域超精密切削加工过程仿真［J］.光电工程,2005,(5).