超精密切削加工
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用天然单晶金刚石刀具对有色金属进行超精密切削，
如切削条件正常，刀具无意外损伤，刀具磨损甚慢， 刀具耐用度极高。 天然单晶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。 金刚石刀具的寿命平时以其切削路径的长度计。如切 削条件正常，金刚石刀具的寿命可达数百公里。 实际使用中金刚石刀具常达不到上述的耐用度，常常 是由于切削刃产生微小崩刃而不能继续使用，这主要 是由于切削时的振动或刀刃的碰撞引起的。
TiC
Fe Cu
3.2
2.1 1.2
900
1534 1100
1.1
2.9 3.7
17
3.5.1 超精密切削对刀具的要求
2) 切削刃的粗糙度。切削时切削刃的粗糙度将决 定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度 Ry0.3~5 μm ， 金 刚 石 刀 具 刀 刃 的 粗 糙 度 Ry0.1~0.2 μm，特殊情况Ry1nm，很难。 3) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量， 保证长的刀具寿命。 4) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 5) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、 摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。
(N ) Fx cos Fy sin
38
最小切削厚度hDmin的计算
hD min hD min 1 (1 cos ) 1 2 1 tan Fx Fy 1 2 2 2 ( Fx Fy )( 1 )
13
3.4 影响金刚石刀具切削加工的因素
14
3.5 超精磨切削的刀具
3.5.1 超精密切削对刀具的要求
1) 刀具刃口锋锐度ρ 能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径 ρ 极小，能实现超 薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。 ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具 5~30μm，金 刚石刀具<10nm； 从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限。
2
经SPDT加工的光学元件成品示意图
图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，
3
3. 2 超精密切削加工的应用
平面镜的切削
4
（1）平面镜的切削
平面度<0.06
µ m
表面粗糙度 Rmax<0.02
µ m
5
玻璃镜的切削
6
测量结果
7
（2）多面镜的切削
激光印刷机、复 印机。 面分度精度7.5" 面倾斜精度3.6“
18
3.5.2 金刚石刀具对超精密切削的适应性
（1）金刚石刀具的性能特点
硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高 5~6倍。 摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。 能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1~5nm。 耐磨性好。比硬质合金高50~100倍。 导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。 不适宜切黑色金属。 很脆，避免振动。 价格昂贵，刃磨困难。 天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精 密切削刀具。
平面度<0.07 µ m
表面粗糙度 <Rmax0.02 µ m
8Baidu Nhomakorabea
（3）球面镜的切削
9
（4）球面镜的切削
10
（5）其它零件的切削
球面（球轴承）车 削 复印机硒鼓（圆柱 面）车削 磁盘基片的车削
11
3.3 金刚石刀具切削的优点（1）
平面镜的表面粗糙度可达Ry5µ m，曲面镜的 表面粗糙度可达Ry10µ m，形状精度可达 30µ m，而且没有塌边现象。 用SPDT加工的表面对光线的反射率很高，例 如对波长λ为10.6µ m的激光，经SPDT切削加 工的去氧铜表面的反射率为99～99.4%。在去 氧铜表面镀金、银、铜层，经SPDT切削加工 后．表面的反射率为96.7～99.3%。 经SPDT加工的表面，对激光具有很高的耐热 损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终 精加工的最好方法。
切削表面形成的模型
40
影响切削表面粗糙度的因素
（1）切削刃的粗糙度的影响
41
（2）切削刃的复映性的影响
42
（3）鳞刺与加工变质层的影响
43
3.7.4 超精密切削的切屑形成
（1）切削深度与切屑形成
44
（2）被切削材料与切屑形成
不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化
45
黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构
第3章 超精密切削加工
超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金 刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT)。
1
3.1 超精密切削的历史
60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁 鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激 光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各 种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射 镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、 抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而 且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此， 研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金 刚石刀具进行切削加工的方法加工。
19
不同刀具材料硬度
20
（2）金刚石刀具刃口的锋锐性
物理学计算值：最小极限圆弧半径ρ ＝2nm； 目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什 么程度还没有定论； 试验推断目前ρ<10nm；
一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具 刃口半径ρ ＝0.2~0.5 μm。特殊精心研磨可达 到ρ ＝0.1 μm。
25
（6）金刚石刀具的热化学性能
良好的热特性。热导率和比热容高，摩擦系数 低，在相同条件下计算其摩擦面的温升，仅为 其它工具材料的1/5； 膨胀系数低，抗热冲击； 耐热性和耐热损伤性有一限度。最大问题是金 刚石的氧化和石墨化。 超过700℃ ，氧化 温度大于773K时，稳定结构分解，产生石墨化
46
加工过程所产生的误差
加 环境 夹具夹紧 工具
工
过
程 加工现象
机械运动 工具
零件的几何 形状及尺寸 误差 加工机械
工件
磨损
变形（由于力、热）
运动误差
加工误差、尺寸误差、形位误 差 、表面粗糙度、加工变质层
47
理想情况下，超精密加工表明应该是金刚石刀具切削刃形状在被 加工表面的复映。 金刚石刀具切削刃轮廓的复映性与被加工材料有关，受金刚石与 被加工材料亲和性所影响。除W、Be及铁金属外，其它的金属和 塑料有较好的复映性。
24
（5）金刚石刀具的强度和耐缺损性能
与金刚石的结晶方位有关； 从金刚石原材料的形态和研磨成形的难易程度出发， 超精密切削刀具多以金刚石的（110）面或（111）面 作为前刀面。 金刚石刀具耐缺损（崩刃）性能与强度有直接关系。 在普通金属的切削条件下不会发生缺损（崩刃） 。
28
3.5.3 金刚石刀具的几何形状和结构
（1）刀头形式
尖刃 安装方便，但一般不用。 单直线刃 安装和刃磨困难，加工残 留面积最小。 多棱刃 安装和刃磨方便，加工表 面质量好 。 圆弧刃 安装方便，加工残余面积 小，刃磨困难。
29
（2）刀具几何角度
刀具前角一般 γ =0º 、 γ =6º 两种。加工塑性材 料时，前角应选大一些，使得切削能顺利从前 面流出，减小切削力。因金刚石刀具较脆，前 角取大时易崩裂，故通常取为 0 ，而在加工薄 壁零件时取γ =6º 。 后角的作用是较少后间隙与零件的摩擦，一般 取α =6º ~12º ，为了改善刀具的传热和增加刀具 强度，可取α =5º 。
33
3.7 超精密金刚石刀具切削机理
3.7.1刀具切削模型
在超精密切削过程中，切削深度只有数微米以下， 在切削过程中，刀具的微观形状极为重要，所以要 把刀尖看成具有圆弧半径R的圆角。
34
刀尖附 近的二 维切削 模型
切削时给定的切削深度为t时，由于刀尖的局部变形 δ1而使实际切削深度为t1。而当刀具走过之后，工件 表而将有δ2的弹性变形恢复量。故实际的去除层将 小于实际切削深度。 δ1和 δ2可以通过近似计算求出。
Fx/Fy与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关， 并和临界点A的位置有关。根据经验，一般Fx/Fy ＝0.8~1，金刚石刀具Fy=0.9Fx。切削过程中取金 刚石和铝合金的摩擦系数µ ＝0.12～0.26，则：
hDmin ＝（0.322～0.249）ρ
39
3.7.3 切削表面的形成
切削表面基 本上是由刀 具的挤光作 用而形成。 切削表面的 轮廓是在垂 直切削方向 的平面内刀 具轮廓的复 映。即由切 削深度和进 给量综合而 成。
15
最小圆弧半径计算
r表面能 Ef杨氏模量 材料强度极限σ ＝Ef/10
c
4rE f
c
2
2
r co 4 10 Ef
16
最小圆弧半径计算值
材料 金刚石 BN 杨氏模量 表面能r/ 晶界圆弧 Ef/x107 x107 J/cm2 半径/nm 10.5 5300 2.0 6.9 4800 2.8
35
3.7.2 最小切削厚度
实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀 具的锋锐度、超精密机床的性能状态、 环境条件等有关。 1986年日本大阪大学和美国LLL实验室 开展合作研究。在切削厚度极小时 （1nm），仍能得到连续稳定的切屑。
36
最小切削厚度与刀具刃口半径的关系
临界点A，A点以上材料将堆积形成切屑， A点以下材料经弹塑性变形形成加工表面。
12
3.3 金刚石刀具切削的优点（2）
金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比， 精度要高1－2个量级。 从成本上看，用去氧铜经SPDT进行加工的光 学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的 产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。 在SPDT加工过程中可采用数控进行批量生产， 这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易 地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对 而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效 益相比，成本还是低的。
26
金刚石与CBN的热特性
27
（7）适于金刚石刀具切削的金属
Cu、Al、Pb非电解Ni黄铜可加工性极好 Au、Ag、Pt和铍青铜可加工性良好 Be、Ta、Fe、Ni、Mo、Ti、V、W等可 加工性差 各种塑料的可加工性良好 光学元件所使用的Si、Ce、NaCl、CaF等 可加工性比切削性能良好的金属差
30
3.5.4 其它刀具材料
人造金刚石 刀具
立方氮化硼 （CBN） 刀具
31
美国LLL实验室的刀具磨损试验结果
在切削长度超过20km后，加工表面粗糙度尺仍在0.01um以内， 刀具仍能继续使用。由于刀具的磨损甚少，故同一刀具可以加 工很多零件，零件的尺寸一致，基本不受刀具磨损的影响。
32
3.6 超精密切削时的刀具磨损和寿命
37
刀具刃口处的受力情况
A点处的工件所受的水平力Fx和垂直力Fy，可分解为
法向力N和切向力μN：
N Fy cos Fx sin
N Fx cos Fy sin Fx Fy tan Fx Fy
仅在实际摩擦力（ μN）’> μN时，被切削材料和刀具 刃口圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最 后形成切屑而被去除，故
21
刀具刃口最小半径观测
通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度 的测量，推断目前刃口半径最小可<10nm。
22
（3）金刚石刀具刃口的粗糙度
目前，经研磨成形的刀面粗糙度在刀具有效切削长度 上比较容易达到1nm，切削刃的粗糙度可达到Ry10nm。
23
（4）金刚石刀具切削刃轮廓的复映性
如切削条件正常，刀具无意外损伤，刀具磨损甚慢， 刀具耐用度极高。 天然单晶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。 金刚石刀具的寿命平时以其切削路径的长度计。如切 削条件正常，金刚石刀具的寿命可达数百公里。 实际使用中金刚石刀具常达不到上述的耐用度，常常 是由于切削刃产生微小崩刃而不能继续使用，这主要 是由于切削时的振动或刀刃的碰撞引起的。
TiC
Fe Cu
3.2
2.1 1.2
900
1534 1100
1.1
2.9 3.7
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3.5.1 超精密切削对刀具的要求
2) 切削刃的粗糙度。切削时切削刃的粗糙度将决 定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度 Ry0.3~5 μm ， 金 刚 石 刀 具 刀 刃 的 粗 糙 度 Ry0.1~0.2 μm，特殊情况Ry1nm，很难。 3) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量， 保证长的刀具寿命。 4) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 5) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、 摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。
(N ) Fx cos Fy sin
38
最小切削厚度hDmin的计算
hD min hD min 1 (1 cos ) 1 2 1 tan Fx Fy 1 2 2 2 ( Fx Fy )( 1 )
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3.4 影响金刚石刀具切削加工的因素
14
3.5 超精磨切削的刀具
3.5.1 超精密切削对刀具的要求
1) 刀具刃口锋锐度ρ 能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径 ρ 极小，能实现超 薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。 ρ与切削刃的加工方位有关，普通刀具 5~30μm，金 刚石刀具<10nm； 从物理学的观点，刃口半径ρ有一极限。
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经SPDT加工的光学元件成品示意图
图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，
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3. 2 超精密切削加工的应用
平面镜的切削
4
（1）平面镜的切削
平面度<0.06
µ m
表面粗糙度 Rmax<0.02
µ m
5
玻璃镜的切削
6
测量结果
7
（2）多面镜的切削
激光印刷机、复 印机。 面分度精度7.5" 面倾斜精度3.6“
18
3.5.2 金刚石刀具对超精密切削的适应性
（1）金刚石刀具的性能特点
硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高 5~6倍。 摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。 能磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径1~5nm。 耐磨性好。比硬质合金高50~100倍。 导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。 不适宜切黑色金属。 很脆，避免振动。 价格昂贵，刃磨困难。 天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精 密切削刀具。
平面度<0.07 µ m
表面粗糙度 <Rmax0.02 µ m
8Baidu Nhomakorabea
（3）球面镜的切削
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（4）球面镜的切削
10
（5）其它零件的切削
球面（球轴承）车 削 复印机硒鼓（圆柱 面）车削 磁盘基片的车削
11
3.3 金刚石刀具切削的优点（1）
平面镜的表面粗糙度可达Ry5µ m，曲面镜的 表面粗糙度可达Ry10µ m，形状精度可达 30µ m，而且没有塌边现象。 用SPDT加工的表面对光线的反射率很高，例 如对波长λ为10.6µ m的激光，经SPDT切削加 工的去氧铜表面的反射率为99～99.4%。在去 氧铜表面镀金、银、铜层，经SPDT切削加工 后．表面的反射率为96.7～99.3%。 经SPDT加工的表面，对激光具有很高的耐热 损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终 精加工的最好方法。
切削表面形成的模型
40
影响切削表面粗糙度的因素
（1）切削刃的粗糙度的影响
41
（2）切削刃的复映性的影响
42
（3）鳞刺与加工变质层的影响
43
3.7.4 超精密切削的切屑形成
（1）切削深度与切屑形成
44
（2）被切削材料与切屑形成
不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化
45
黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构
第3章 超精密切削加工
超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金 刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT)。
1
3.1 超精密切削的历史
60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁 鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激 光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各 种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射 镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、 抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而 且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此， 研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金 刚石刀具进行切削加工的方法加工。
19
不同刀具材料硬度
20
（2）金刚石刀具刃口的锋锐性
物理学计算值：最小极限圆弧半径ρ ＝2nm； 目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什 么程度还没有定论； 试验推断目前ρ<10nm；
一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具 刃口半径ρ ＝0.2~0.5 μm。特殊精心研磨可达 到ρ ＝0.1 μm。
25
（6）金刚石刀具的热化学性能
良好的热特性。热导率和比热容高，摩擦系数 低，在相同条件下计算其摩擦面的温升，仅为 其它工具材料的1/5； 膨胀系数低，抗热冲击； 耐热性和耐热损伤性有一限度。最大问题是金 刚石的氧化和石墨化。 超过700℃ ，氧化 温度大于773K时，稳定结构分解，产生石墨化
46
加工过程所产生的误差
加 环境 夹具夹紧 工具
工
过
程 加工现象
机械运动 工具
零件的几何 形状及尺寸 误差 加工机械
工件
磨损
变形（由于力、热）
运动误差
加工误差、尺寸误差、形位误 差 、表面粗糙度、加工变质层
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理想情况下，超精密加工表明应该是金刚石刀具切削刃形状在被 加工表面的复映。 金刚石刀具切削刃轮廓的复映性与被加工材料有关，受金刚石与 被加工材料亲和性所影响。除W、Be及铁金属外，其它的金属和 塑料有较好的复映性。
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（5）金刚石刀具的强度和耐缺损性能
与金刚石的结晶方位有关； 从金刚石原材料的形态和研磨成形的难易程度出发， 超精密切削刀具多以金刚石的（110）面或（111）面 作为前刀面。 金刚石刀具耐缺损（崩刃）性能与强度有直接关系。 在普通金属的切削条件下不会发生缺损（崩刃） 。
28
3.5.3 金刚石刀具的几何形状和结构
（1）刀头形式
尖刃 安装方便，但一般不用。 单直线刃 安装和刃磨困难，加工残 留面积最小。 多棱刃 安装和刃磨方便，加工表 面质量好 。 圆弧刃 安装方便，加工残余面积 小，刃磨困难。
29
（2）刀具几何角度
刀具前角一般 γ =0º 、 γ =6º 两种。加工塑性材 料时，前角应选大一些，使得切削能顺利从前 面流出，减小切削力。因金刚石刀具较脆，前 角取大时易崩裂，故通常取为 0 ，而在加工薄 壁零件时取γ =6º 。 后角的作用是较少后间隙与零件的摩擦，一般 取α =6º ~12º ，为了改善刀具的传热和增加刀具 强度，可取α =5º 。
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3.7 超精密金刚石刀具切削机理
3.7.1刀具切削模型
在超精密切削过程中，切削深度只有数微米以下， 在切削过程中，刀具的微观形状极为重要，所以要 把刀尖看成具有圆弧半径R的圆角。
34
刀尖附 近的二 维切削 模型
切削时给定的切削深度为t时，由于刀尖的局部变形 δ1而使实际切削深度为t1。而当刀具走过之后，工件 表而将有δ2的弹性变形恢复量。故实际的去除层将 小于实际切削深度。 δ1和 δ2可以通过近似计算求出。
Fx/Fy与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关， 并和临界点A的位置有关。根据经验，一般Fx/Fy ＝0.8~1，金刚石刀具Fy=0.9Fx。切削过程中取金 刚石和铝合金的摩擦系数µ ＝0.12～0.26，则：
hDmin ＝（0.322～0.249）ρ
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3.7.3 切削表面的形成
切削表面基 本上是由刀 具的挤光作 用而形成。 切削表面的 轮廓是在垂 直切削方向 的平面内刀 具轮廓的复 映。即由切 削深度和进 给量综合而 成。
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最小圆弧半径计算
r表面能 Ef杨氏模量 材料强度极限σ ＝Ef/10
c
4rE f
c
2
2
r co 4 10 Ef
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最小圆弧半径计算值
材料 金刚石 BN 杨氏模量 表面能r/ 晶界圆弧 Ef/x107 x107 J/cm2 半径/nm 10.5 5300 2.0 6.9 4800 2.8
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3.7.2 最小切削厚度
实际能达到的最小切削厚度与金刚石刀 具的锋锐度、超精密机床的性能状态、 环境条件等有关。 1986年日本大阪大学和美国LLL实验室 开展合作研究。在切削厚度极小时 （1nm），仍能得到连续稳定的切屑。
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最小切削厚度与刀具刃口半径的关系
临界点A，A点以上材料将堆积形成切屑， A点以下材料经弹塑性变形形成加工表面。
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3.3 金刚石刀具切削的优点（2）
金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比， 精度要高1－2个量级。 从成本上看，用去氧铜经SPDT进行加工的光 学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的 产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。 在SPDT加工过程中可采用数控进行批量生产， 这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易 地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对 而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效 益相比，成本还是低的。
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金刚石与CBN的热特性
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（7）适于金刚石刀具切削的金属
Cu、Al、Pb非电解Ni黄铜可加工性极好 Au、Ag、Pt和铍青铜可加工性良好 Be、Ta、Fe、Ni、Mo、Ti、V、W等可 加工性差 各种塑料的可加工性良好 光学元件所使用的Si、Ce、NaCl、CaF等 可加工性比切削性能良好的金属差
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3.5.4 其它刀具材料
人造金刚石 刀具
立方氮化硼 （CBN） 刀具
31
美国LLL实验室的刀具磨损试验结果
在切削长度超过20km后，加工表面粗糙度尺仍在0.01um以内， 刀具仍能继续使用。由于刀具的磨损甚少，故同一刀具可以加 工很多零件，零件的尺寸一致，基本不受刀具磨损的影响。
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3.6 超精密切削时的刀具磨损和寿命
37
刀具刃口处的受力情况
A点处的工件所受的水平力Fx和垂直力Fy，可分解为
法向力N和切向力μN：
N Fy cos Fx sin
N Fx cos Fy sin Fx Fy tan Fx Fy
仅在实际摩擦力（ μN）’> μN时，被切削材料和刀具 刃口圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最 后形成切屑而被去除，故
21
刀具刃口最小半径观测
通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度 的测量，推断目前刃口半径最小可<10nm。
22
（3）金刚石刀具刃口的粗糙度
目前，经研磨成形的刀面粗糙度在刀具有效切削长度 上比较容易达到1nm，切削刃的粗糙度可达到Ry10nm。
23
（4）金刚石刀具切削刃轮廓的复映性