超精密切削论文切削加工技术论文

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超精密切削加工技术探析

摘要：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。

关键词：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：