金剛石切削與精密磨削

1、2.0 金剛石切削與精密磨削n2.0.1 金剛石超精密切削 1金剛石超精密切削技術(shù)的進(jìn)展 金剛石超精密切削是超精密加工技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，早期主要用來(lái)加工有色金屬如無(wú)氧鈾或鋁合金等。 采用金剛石超精密切削技術(shù)可達(dá)到納米級(jí)加工水平，不少?lài)?guó)防尖端產(chǎn)品零件(如陀螺儀、各種平面及曲面反射鏡和透鏡、精密儀器儀表和大功率激光系統(tǒng)中的多種零件等)都需要利用金剛石超精密切削來(lái)加工。 用刃磨得極為鋒利的單晶金剛石刀具切削有色金屬和非金屬材料可獲得Ra0.0020.02m的鏡面。 用雙坐標(biāo)數(shù)控超精密機(jī)床可加工出幾何精度極高的球面和非球曲面。 經(jīng)精細(xì)研磨達(dá)到極高刃口鋒銳度的金剛石刀具可切除厚度僅為1nm的切屑。

2、2金剛石超精密切削機(jī)理 金剛石超精密切削機(jī)理與一般切削機(jī)理有很大的不同。金剛石超精密切削時(shí)，其背吃刀量ap可在1m以下，刀具可能處于工件晶粒內(nèi)部切削狀態(tài)，即切除晶粒的一部分，保留另一部分。 切削力要超過(guò)分子或原子間巨大的結(jié)合力，從而使刀刃承受很大的剪切應(yīng)力，并產(chǎn)生很大的熱量，造成刀刃在局部區(qū)域內(nèi)的高應(yīng)力、高溫的工作狀態(tài)。n 從刀刃銳利度方面來(lái)看，當(dāng)?shù)毒咝ń菫?0時(shí)，一般硬質(zhì)合金刀具的刃口半徑只能達(dá)到1824m，高速鋼刀具的刃口半徑可達(dá)到1215m，而金剛石刀具的刃口半徑則可達(dá)0.010.005m。圖3.23 極限切削厚度與刃口半徑的關(guān)系 金剛石超精密切削時(shí)，切削厚度極小，刀具所能達(dá)到的極限切削

3、厚度與摩擦系數(shù)（剪切角）及刀具刃口半徑密切相關(guān)：n 當(dāng)=0.12時(shí)，可得： hDmin=0.322n 當(dāng)=0.26時(shí)，可得： hDmin=0.249n 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半徑為3-4nm。國(guó)外，金剛石刀具刃口半徑可達(dá)數(shù)納米、而國(guó)內(nèi)一般為0.1-0.5微米。3金剛石超精密切削的關(guān)鍵技術(shù) (1) 加工設(shè)備 用于金剛石超精密切削的加工設(shè)備，要求具有高精度、高剛度、良好的穩(wěn)定性、抗振性和數(shù)控功能等。右圖為一款典型的金剛石車(chē)床。最大車(chē)削直徑和長(zhǎng)度/mm400200最高轉(zhuǎn)速r/mm3000、5000或7000最大進(jìn)給速度mm/min5000數(shù)控系統(tǒng)分辯率/mm0.0001或0.00005重

4、復(fù)精度(2)/mm0.0002/100主軸徑向圓跳動(dòng)/mm0.0001主軸軸向圓跳動(dòng)/mm0.0001滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線(xiàn)度/mm0.001/150橫滑臺(tái)對(duì)主軸的垂直度/mm0.002/100主軸前靜壓軸承（100mm）的剛度/（N/m）徑向1140軸向1020主軸后靜壓軸承（80mm）的剛度/（N/m）640縱橫滑臺(tái)的靜壓支承剛度/（N/m）7203.3 精密與超精密加工技術(shù) (2) 金剛石刀具n 天然單晶金剛石被公認(rèn)為是不能代替的超精密切削刀具材料。因?yàn)榻饎偸哂幸韵绿匦裕?極高的硬度，HV6000-10000,而TiC僅為HV2400，WC為HV2400； 能磨出鋒銳刃口，刃口半徑可達(dá)納米，普

5、通刀具5-30m； 熱化學(xué)性能優(yōu)越、導(dǎo)熱性好，與有色金屬摩擦系數(shù)低、親和力小 與鋁的摩擦系數(shù)僅為0.06-0.13； 耐磨性好，刀刃強(qiáng)度高。 (3) 適宜金剛石超精密切削的加工材料 有色金屬及其合金 銅鋁合金及金、銀、鎂、錫、鉛、鋅、鉑及非電解鎳鍍層、鈹鋼、黃銅等 樹(shù)脂及塑料甲基丙烯酸樹(shù)脂、聚碳酸酪樹(shù)脂、聚丙基樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂、聚四氟乙烯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂 等 結(jié)晶體鍺、硒化鋅、硫化鋅、鈮酸鋰、碘化銫、二氫磷化銦、硅、庥化鉀及磷酸二氫鉀(KDP)等3.3 精密與超精密加工技術(shù) n2.0.2 精密與超精密磨削加工 對(duì)于黑色金屬、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工是當(dāng)前最主要的精密加工手段。磨削加工可

6、分為砂輪磨削、砂帶磨削，以及研磨、珩磨和拋光等加工方法，這里僅介紹超精密砂輪磨削加工。 1超精密磨削的內(nèi)涵 超精密磨削，是指加工精度達(dá)到或高于0.1m，表面粗糙度低于Ra0.025m的一種亞微米級(jí)加工方法，并正向納米級(jí)發(fā)展。超精密磨削的關(guān)鍵在于砂輪的選擇、砂輪的修整、磨削用量和高精度的磨削機(jī)床。 (1) 砂輪的選擇 超精密磨削中所使用砂輪，其材料多為金剛石和立方氮化硼(CBN)，因其硬度極高，故一般稱(chēng)為超硬磨料砂輪(或超硬砂輪)。超硬磨料砂輪具有耐磨性好，耐用度高，磨削能力強(qiáng)，磨削效率高等優(yōu)點(diǎn)，故超精密磨削廣泛被用來(lái)加工各種高硬度、高脆性金屬及非金屬材料(加工鐵金屬用CBN)。 金剛石砂輪：較

7、強(qiáng)的磨削能力，較高的磨削效率，適合于加工非金屬硬脆材料、硬質(zhì)合金、有色金屬及其合金，不適宜加工鐵族元素； CBN砂輪：較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，適合于加工硬而韌且熱導(dǎo)率低的鋼鐵材料，價(jià)格較貴。超硬磨料砂輪結(jié)合劑： 樹(shù)脂結(jié)合劑：能保持良好鋒利性，加工表面質(zhì)量好，耐磨性差，磨粒保持力小，自銳性好；用于磨削硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等難磨材料。 金屬結(jié)合劑：耐磨性好，磨粒保持力大，形狀保持性好，自銳性差，砂輪修整困難。用于金剛石砂輪磨削石材、陶瓷、玻璃等材料，因?yàn)樯拜喌匿h利性和壽命長(zhǎng)。 陶瓷粘結(jié)劑：化學(xué)穩(wěn)定性高、耐熱、耐酸堿，脆性較大。 (2) 砂輪的修整 超硬砂輪的修整與一般砂輪有所不同，分整形和修銳兩步

8、進(jìn)行。修整的主要方法有： 車(chē)削法用金剛筆車(chē)削金剛石砂輪，修整效率和精度高，但砂輪表面平滑，切削能力差，且成本高； 磨削法用普通砂輪（碳化硅、剛玉等）進(jìn)行對(duì)磨，修整效率和質(zhì)量較好，普通砂輪磨損消耗量較大；是常用的方法。 噴射法將碳化硅、剛玉等磨粒高速?lài)娚涞睫D(zhuǎn)動(dòng)的砂輪表面，去除部分結(jié)合劑，使超硬磨粒突出；主要用于修銳。 電解在線(xiàn)修銳法（ELID) 應(yīng)用電解原理完成砂輪修銳過(guò)程。 電火花修整應(yīng)用電火花放電原理完成砂輪修整?？捎糜谛扌魏托掬J，且效率高。3.24 在線(xiàn)電解修銳法3.25 電火花修整法 （3）磨削速度與磨削液 磨削速度 金剛石砂輪的磨削速度為12-30m/s，不能太高也不能太低。太低，磨削

9、質(zhì)量差、砂輪磨損加??；太高，因?yàn)榻饎偸拜喌臒岱€(wěn)定性低700800攝氏度，也造成磨損增加。 CBN砂輪的磨削速度要高的多，可達(dá)80-100m/s，因?yàn)槠錈岱€(wěn)定性好12501350攝氏度。 磨削液 磨削液的作用，除潤(rùn)滑、冷卻、清洗、防銹外，滲透性、提高切削性功能。磨削液主要有油性液和水溶性液。 選擇應(yīng)視具體情況定，金剛石砂輪磨硬質(zhì)合金用煤油不用乳化液；樹(shù)脂結(jié)合劑不用蘇打水；CBN砂輪易用油性磨削液不用水溶性液。n2典型的超精密磨削工藝 （1）塑性磨削(Ductile Grinding) 塑性磨削主要是針對(duì)脆性材料而言，其命名來(lái)源出自該種工藝的切屑形成機(jī)理，即磨削脆性材料時(shí)，切屑形成與塑性材料相似

10、，切屑通過(guò)剪切的形式被磨粒從基體上切除下來(lái)。所以這種磨削方式有時(shí)也被稱(chēng)為剪切磨削（Share Mode Grinding）。由此磨削后的表面沒(méi)有微裂紋形成，也沒(méi)有脆性剝落時(shí)的無(wú)規(guī)則的凹凸不平，表面呈有規(guī)則的紋理。 塑性磨削的機(jī)理至今尚不十分清楚，但部分研究表明：在特定條件下，當(dāng)磨削厚度達(dá)到某特定的值時(shí)，切屑形成由脆斷向塑性剪切轉(zhuǎn)變?yōu)樗軘啵茨軌驅(qū)崿F(xiàn)脆性材料的塑性磨削。這一切削深度被稱(chēng)為臨界切削深度。 臨界切削深度與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關(guān)，一般在100m以下，因而這種磨削方法也被稱(chēng)為納米磨削（Nanogrinding）。根據(jù)這一理論，有些人提出了一種觀(guān)點(diǎn)，即塑性磨削要靠特殊磨床來(lái)實(shí)現(xiàn)。

11、這種特殊磨床必須滿(mǎn)足如下要求： 極高的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度； 極高的剛性。n（2）鏡面磨削(Mirror Grinding) 顧名思義，鏡面磨削關(guān)心的不是切屑形成的機(jī)理而是磨削后的工件表面的特性。當(dāng)磨削后的工件表面反射光的能力達(dá)到一定程度時(shí)，該磨削過(guò)程被稱(chēng)為鏡面磨削。鏡面磨削的工件材料不局限于脆性材料，它也包括金屬材料如鋼、鋁和鉬等。 鏡面磨削的基本出發(fā)點(diǎn)是：要達(dá)到境面，必須使用盡可能小的磨粒粒度，比如說(shuō)粒度2m乃至0.2m。在ELID發(fā)明之前，微粒度砂輪在工業(yè)上應(yīng)用很少，原因是微粒度砂輪極易堵塞，砂輪必須經(jīng)常進(jìn)行修整，修整砂輪的輔助時(shí)間往往超過(guò)了磨削的工作時(shí)間。 ELID磨削方法除適用于金剛石

12、砂輪外，也適用于氮化硼砂輪， 它的結(jié)合劑通常為青銅或鑄鐵。磨削后的工件表面粗糙度可達(dá)Rq1nm的水平，即使在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，這樣的表面確實(shí)可以作為鏡面來(lái)使用。n2.0.3 影響精密與超精密加工的主要因素 影響因素很多，包括精密和超精密切削機(jī)床、超微量切除技術(shù)、高穩(wěn)定性和高凈化的工作環(huán)境、計(jì)量技術(shù)、工況檢測(cè)及質(zhì)量控制等，精密與超精密加工機(jī)床將在3.3.3中講述，這里主要分析加工環(huán)境、計(jì)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償三個(gè)因素。n1. 加工環(huán)境n 防振、恒溫、超凈 減振隔振是精密及超精密加工機(jī)床非常重要的問(wèn)題。超精密機(jī)床多安放在帶防振溝和隔振器的防振地基上，還可使用空氣彈簧(墊)對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行隔離。如圖3.18所示

13、為美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室LODTM大型超精密機(jī)床的支承。圖3.18 美國(guó)LLL實(shí)驗(yàn)室LODTM 大型超精密機(jī)床的支承n 熱變形是超精密加工中誤差的主要來(lái)源之，如100mm長(zhǎng)的鋁合金零件溫度變化1C將產(chǎn)生2.25m的誤差；若要求確保0.1m加工精度，環(huán)境溫度應(yīng)保持0.05C范圍內(nèi)。n 隨著超精密加工技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)空氣潔凈度提出了更加苛刻的要求，被控制的微粒直徑從0.5m減小到0.3m，有的甚至減小到0.1m或0.01m。n2. 計(jì)量技術(shù)n 精密和超精密加工必須具備相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)和手段，測(cè)量?jī)x器的精度一般要求比機(jī)床的加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，超精密加工所用測(cè)量?jī)x器多為激光干涉儀和高靈敏度的電氣測(cè)量

14、儀，激光干涉儀的測(cè)量精度為0.08m；而多次光波干涉顯微鏡的分辨能力可達(dá)0.5nm；電氣測(cè)量?jī)x的放大倍數(shù)可達(dá)100萬(wàn)倍、重復(fù)精度為0.5nm，已能滿(mǎn)足納米級(jí)精度的測(cè)量要求。n3. 誤差補(bǔ)償 n2.0.4 精密與超精密加工機(jī)床 1精密與超精密切削機(jī)床的性能要求 (1) 很高的精度(包括高的靜精度和動(dòng)精度) 主要指標(biāo)有主軸的回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度、定位精度、重復(fù)定位精度，分辨率及分度精度。精密車(chē)床主軸回轉(zhuǎn)精度一般在1m之內(nèi)，導(dǎo)軌直線(xiàn)度小于10m /100mm，精密坐標(biāo)磨床的定位精度在13m ，分辨率一般為0.01m ，具有能夠進(jìn)行微量切削并具有在線(xiàn)誤差補(bǔ)償?shù)奈⒘窟M(jìn)給系統(tǒng)。而超精密車(chē)床主軸的回轉(zhuǎn)精度

15、大多在0.030.05m ，導(dǎo)軌直線(xiàn)度為0.10.2m /250mm，定位精度為0.01m ，重復(fù)定位精度為0.006m ，進(jìn)給分辨率為0.0030.008m ，分度精度為0.5。 (2) 具有較高的剛度(包括靜剛度、動(dòng)剛度和熱剛度) (3) 高穩(wěn)定性 (4) 精密的微進(jìn)給系統(tǒng) 實(shí)例1 實(shí)例2n2精密與超精密切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 超精密機(jī)床的質(zhì)量主要取決于機(jī)床的主軸部件、床身導(dǎo)軌、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的質(zhì)量。 (1) 主軸部件 滾動(dòng)軸承 回轉(zhuǎn)精度達(dá)1m,表面粗糙度Ra0.04-0.02m； 液體靜壓軸承 回轉(zhuǎn)精度0.1m，剛度阻尼大，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)； 不足：液壓油溫升高，影響主軸精度，

16、會(huì)將空氣帶入液壓油降低軸承剛度； 應(yīng)用：一般用于大型超精密機(jī)床。典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖1-徑向液壓軸承 2-止推液壓軸承 3-真空吸盤(pán) 雙半球空氣軸承主軸1-前軸承 2-供氣孔 3-后軸承 4-定位環(huán) 5-旋轉(zhuǎn)變壓器 6-無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 7-外殼 8-軸 9-多孔石墨 空氣靜壓軸承 高回轉(zhuǎn)精度、工作平穩(wěn)，溫升?。?不足：剛度較低，承載能力不高； 應(yīng)用：超精密機(jī)床中得到廣泛的應(yīng)用。 (2) 床身導(dǎo)軌 n 床身要求：抗振衰減能力強(qiáng)、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好。n 床身材料：多采用人造花崗巖，尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低、硬度高、耐磨、不生銹、可鑄造成形，克服了天然花崗巖有吸濕性不足，并加強(qiáng)了振動(dòng)

17、的衰減。n 導(dǎo)軌要求：高直線(xiàn)精度，不得爬行，導(dǎo)軌耦合面不能有磨損，有液體靜壓導(dǎo)軌、空氣靜壓導(dǎo)軌，均具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)爬行、摩擦因數(shù)接近于零。平面型空氣靜壓導(dǎo)軌示意圖1-靜壓空氣 2-移動(dòng)工作臺(tái) 3-底座 (3) 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微量進(jìn)給機(jī)構(gòu) 超精密機(jī)床對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總的要求是：剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)無(wú)間隙、移動(dòng)靈敏度高、調(diào)速范圍寬。超精密機(jī)床一般采用分辨率為0.01m的精密數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)精密絲桿帶動(dòng)導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)件。n 精密與超精密切削時(shí)，要實(shí)現(xiàn)1m或更小的微量進(jìn)給，就必須具有微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)。要求微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足如下的要求： 精微進(jìn)給與粗進(jìn)給分開(kāi)； 運(yùn)動(dòng)部分必須是低摩擦和高穩(wěn)定性； 末級(jí)傳動(dòng)元件必須有很高的剛度； 工藝性好，容易制造； 應(yīng)能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給的自動(dòng)控制，動(dòng)態(tài)性能好。 雙T形彈形變形式微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)：分辨率為0.01m，最大輸出位移為20m，輸出位移方向的靜剛度為70N/m，滿(mǎn)足切削負(fù)荷要求。 壓電陶瓷式微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)：最大位移為1516m，分辨率為0.01m，靜剛度為60N/m。該進(jìn)給機(jī)