超精密切削加工课件

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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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。
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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。
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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。
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。
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
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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。
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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。
切削表面形成的模型
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影响切削表面粗糙度的因素
（1）切削刃的粗糙度的影响
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（2）切削刃的复映性的影响
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（3）鳞刺与加工变质层的影响
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3.7.4 超精密切削的切屑形成
（1）切削深度与切屑形成
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（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
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黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构
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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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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。
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。

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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。
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（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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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
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） 。
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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
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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
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3.4 影响金刚石刀具切削加工的因素
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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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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。
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（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。
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（4）金刚石刀具切削刃轮廓的复映性



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不同刀具材料硬度
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（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。
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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
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（1）平面镜的切削

平面度<0.06
µ m

表面粗糙度 Rmax<0.02
µ m
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玻璃镜的切削
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测量结果
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（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“
平面度<0.07 µ m

表面粗糙度 <Rmax0.02 µ m
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（3）球面镜的切削
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（4）球面镜的切削
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（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