超精密切削及金刚石刀具

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。
2、积屑瘤对加工表面粗糙度的影响
积屑瘤大表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小
切削液可减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度
三、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
切削速度对加工表面粗糙度的影响很小，不同切削速度下均
以实现纳米级连续稳定的切削。
最小切削厚度与刀具锋锐度、工件材料、机床特 性、切削环境等因素有关。
刃口半径和最小切削厚度的关系
简略
极限临界点A
水平力Fx
垂直力Fy 法向力N 切向力µ N
N Fy cos Fx sin
N Fx cos Fy sin
tan Fx Fy
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
实验：LY12铝合金原始材料的显微硬度为105HV。使用＝0.3µ m
的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为167HV；使用
＝0.6µ m的金刚石车刀切削，得到的加工表面显微硬度为 205HV。
刃口半径不同，加工表面变质层的冷硬和显微硬度明 显不同。刃口半径越小，变质层的冷硬度越小。
二）积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 1、积屑瘤对切削力的影响 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。
分析：
切削模型分析
1）积屑瘤前端实际切削 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。
实际切削厚度
一、超精密切削时刀具切削速度、 磨损和耐用度
一般，切削速度是影响刀具耐用度最主要因素。 但对金刚石刀具切削，切削速度的高低对金刚石
刀具的磨损影响较小，刀具的耐用度极高。原因：
金刚石硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，摩擦系数低。
金刚石刀具的寿命一般以切削路程（Km）表示。
加工有色金属，刀具寿命可达到数百公里。但实 际使用中常常由于切削振动或刀刃碰撞引起切削
刃产生微小崩刃而不能继续使用。
常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石
天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非 刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。
超精密切削速度的选择是根据所使用的超精密ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
金刚石刀具用于超精密切削，破损或磨损而不能继
续使用的标志为加工表面粗糙度超过规定值。
Fx Fy
在实际摩擦力(µ N)' > µ N 时，被切材料和刀刃刃口 圆弧无相对滑移，才能形成切屑被切除，即
(N ) Fx cos Fy sin
A点为极限临界点，极限最小切削厚度hDmin应为
hD min 1 (1 cos ) 1 1 1 tan 2 Fy Fx Fy 2 1 1 2 F x
第二章 超精密切削与金刚石刀具
使用高精度机床和精密天然单晶金刚石刀具进行 的切削称为单点金刚石刀具切削（Single
Turning，SPDT）。
Point Diamond
SPDT主要用于有色金属（铜、铝及其合金）和非 金属材料的精密/超精密加工，可直接切出超光滑 表面，Ra0.02~0.05µ m。
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。
四）刀刃锋锐度对加工表面残留应力的影响
刃口半径越小，残留应力越低。 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。
五、超精密切削的最小切削厚度
使用极其锋利的金刚石刀具在机床最佳条件下可
得到表面粗糙度极小的加工表面—镜面。
2、进给量的影响
进给量越大，表面
粗糙度越大。
进给量f<5µ m/r时，
均达到Rmax<0.05µ m
的加工表面粗糙度。
3、修光刃的影响
修光刃有利于减小表面粗糙度，修光刃长度常取0.05～0.20mm。
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
刃口半径
实验用金刚石刀具：
两把，刃口半径为0.6µ m、0.3µ m，其余参数相同
刃口锋锐度对加工表面粗糙度有明显影响，越小加工表 面粗糙度越小。
二）刃口锋锐度对切削变形和切削力的影响
刀刃锋锐度不同，切削力 明显不同。越小，切削 变形越小，切削力越小。
背吃刀量很小时，切削力 显著增大。
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。
四、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(钝园半径)，前后刀面之间，刀刃锋利程度
刀尖圆弧半径，主副切削刃之间，刀尖锋利程度
二、超精密切削积屑瘤的生成规律
一）切削参数对积屑瘤的影响 1、切削速度的影响
不同的切削速度下都产生积屑瘤。切削速度较低，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。
2、进给量 f 的影响
在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。规律见图。
3、背吃刀量 ap 的影响
在背吃刀量<25µ m时，积屑瘤的高度变化不大，但在背 吃刀量> 25µ m后， h0值将随着背吃刀量的增加而增加。
SPDT 切削也服从金属切削的普遍规律，但同 时也有不少特殊规律。这是由金刚石刀具的特 殊物理化学性能和切削层极薄等因素造成的。
目 录
一、超精密切削时刀具切削速度、磨损和耐用度 二、超精密切削积屑瘤的生成规律
三、切削参数变化对加工表面质量的影响 四、刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响
五、超精密切削的最小切削厚度 六、超精密切削对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构 七、金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向 八、单晶金刚石刀具的磨损破损机理 九、金刚石晶体的定向 十、金刚石刀具的设计与制造