金剛石刀具超精密切削加工)

1、12344（1） 去除加工去除加工 可以分為三大類：可以分為三大類：去除加工、結(jié)合加工、變形加工去除加工、結(jié)合加工、變形加工 切削、銑削、鉆削、磨削、研磨、珩磨、電火花加工、切削、銑削、鉆削、磨削、研磨、珩磨、電火花加工、電解加工、蝕刻、等離子加工、激光加工、脫碳處理等。電解加工、蝕刻、等離子加工、激光加工、脫碳處理等。1.3.1 根據(jù)加工方法機理和特點分類根據(jù)加工方法機理和特點分類 從工件上去除不需要那部分材料的加工方法。從工件上去除不需要那部分材料的加工方法。主要包括主要包括:Manufacturing Machining Fabrication Processing 55附著附著(Dep

2、osition)加工：加工： 在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，是一種弱結(jié)合，包括：在工件表面上覆蓋一層物質(zhì)，是一種弱結(jié)合，包括：利用理化方法將不同材料結(jié)合在一起的制造方法，利用理化方法將不同材料結(jié)合在一起的制造方法，又分為附著、注入和連接三種。又分為附著、注入和連接三種。 化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積、電鍍、真空蒸鍍、離子鍍、物理化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積、電鍍、真空蒸鍍、離子鍍、物理氣相沉積等；氣相沉積等； （2） 66連接連接(Jointed)加工：加工： 將兩種相同或不同材料通過物化方法連接一起，包括：將兩種相同或不同材料通過物化方法連接一起，包括： 激光焊接、氣焊、激光焊接、氣焊、RP快速成形制造（快速成

3、形制造（3D打印制造）等；打印制造）等；注入注入(Injection)加工：加工： 在工件表面注入某些元素，使之與基體材料產(chǎn)生物化反應(yīng)，在工件表面注入某些元素，使之與基體材料產(chǎn)生物化反應(yīng)，是具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結(jié)合，用以改變工件表層材是具有共價鍵、離子鍵、金屬鍵的強結(jié)合，用以改變工件表層材料的力學(xué)機械性質(zhì)，包括：料的力學(xué)機械性質(zhì)，包括： 氧化、氮化、活性化學(xué)、陽極氧化、晶體生長、離子生長、氧化、氮化、活性化學(xué)、陽極氧化、晶體生長、離子生長、離子束外延等；離子束外延等；77利用力、熱、分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形，利用力、熱、分子運動等手段使工件產(chǎn)生變形，改變其尺寸、形狀和性能。改變其

4、尺寸、形狀和性能。 鍛造、熱流動加工、鑄造、液體流動加工等。鍛造、熱流動加工、鑄造、液體流動加工等。主要包括：主要包括：88結(jié)合加工是使材料逐漸增加，這種流動稱之為結(jié)合加工是使材料逐漸增加，這種流動稱之為匯合流匯合流； 近年來又提出了諸如：電鑄、晶體生長、分子束外延、近年來又提出了諸如：電鑄、晶體生長、分子束外延、快速成形等加工方法，突破了傳統(tǒng)加工概念，其中快速成形等加工方法，突破了傳統(tǒng)加工概念，其中RP快速成快速成形技術(shù)、形技術(shù)、3D打印制造技術(shù)打印制造技術(shù)一種利用離散一種利用離散/堆積成形技術(shù)堆積成形技術(shù)的分層制造，是一種典型的結(jié)合法。的分層制造，是一種典型的結(jié)合法。去除加工是使材料逐漸減

5、少，一部分材料變?yōu)榍行?，這去除加工是使材料逐漸減少，一部分材料變?yōu)榍行?，這 種流動稱之為種流動稱之為分散流分散流；變形加工是使材料形變而量不變，這種流動稱之為變形加工是使材料形變而量不變，這種流動稱之為直通直通 流流。1.3.2 根據(jù)加工過程中材料的流動形態(tài)來分類根據(jù)加工過程中材料的流動形態(tài)來分類99復(fù)合加工：綜合上述多種能量復(fù)合作用的加工復(fù)合加工：綜合上述多種能量復(fù)合作用的加工 當(dāng)前，在制造業(yè)中，占主要地位的仍是傳統(tǒng)加工方法，當(dāng)前，在制造業(yè)中，占主要地位的仍是傳統(tǒng)加工方法，而非傳統(tǒng)的特種加工和復(fù)合加工是解決新的難加工材料加工、而非傳統(tǒng)的特種加工和復(fù)合加工是解決新的難加工材料加工、實現(xiàn)更高精度

6、和特殊加工要求零件加工的有效手段。實現(xiàn)更高精度和特殊加工要求零件加工的有效手段。傳統(tǒng)加工：基于機械能的切削、磨削、拋光等傳統(tǒng)加工：基于機械能的切削、磨削、拋光等特種加工：基于電、熱、磁、聲、光、化學(xué)、核能的加工特種加工：基于電、熱、磁、聲、光、化學(xué)、核能的加工1.3.3 根據(jù)加工過程所用能量來分類根據(jù)加工過程所用能量來分類1010就就“加工加工”這個詞而言，應(yīng)理解為一個廣泛的概念。超精密這個詞而言，應(yīng)理解為一個廣泛的概念。超精密加工包含兩個含義：加工包含兩個含義： 一是指向傳統(tǒng)加工方法不易達到的精度界限挑戰(zhàn)的加一是指向傳統(tǒng)加工方法不易達到的精度界限挑戰(zhàn)的加工，即超高精度加工，如計算機磁盤及各種

7、金屬反射鏡的超工，即超高精度加工，如計算機磁盤及各種金屬反射鏡的超精密鏡面加工；精密鏡面加工； 二是向?qū)崿F(xiàn)微細尺寸界限挑戰(zhàn)的加工，即所謂微細加工二是向?qū)崿F(xiàn)微細尺寸界限挑戰(zhàn)的加工，即所謂微細加工技術(shù)（技術(shù)（Micro-fabrication），如微電子電路制造中的電子束、），如微電子電路制造中的電子束、光子束和離子束刻蝕加工以及離子注入、分子外延等工藝技光子束和離子束刻蝕加工以及離子注入、分子外延等工藝技術(shù)。術(shù)。1.4.1 精密和超精密加工的概念和含義精密和超精密加工的概念和含義1111就就“精密精密”這個詞而言，應(yīng)作如下理解：這個詞而言，應(yīng)作如下理解： 精密、超精密加工不僅涉及精度指標(biāo)，還必須

8、考慮到精密、超精密加工不僅涉及精度指標(biāo)，還必須考慮到 工件的形狀特點和材料等因素。工件的形狀特點和材料等因素。 它是與生產(chǎn)力發(fā)展水平相關(guān)聯(lián)的；它是與生產(chǎn)力發(fā)展水平相關(guān)聯(lián)的； 精密是相對的，在不同的歷史時期，各有不同的理解；精密是相對的，在不同的歷史時期，各有不同的理解；1212 在所處時代，用一般技術(shù)水平即可實現(xiàn)的精度稱在所處時代，用一般技術(shù)水平即可實現(xiàn)的精度稱普通加工普通加工。 必須用較高精度加工機械、工具及高水平加工技術(shù)才能達到必須用較高精度加工機械、工具及高水平加工技術(shù)才能達到的精度，屬于的精度，屬于精密加工精密加工。 一般方法不能輕而易舉地達到，需要采用先進的技術(shù)經(jīng)過探一般方法不能輕而

9、易舉地達到，需要采用先進的技術(shù)經(jīng)過探討、研究、實驗之后才能達到的精度，且這一精度指標(biāo)尚不能討、研究、實驗之后才能達到的精度，且這一精度指標(biāo)尚不能普及的加工技術(shù)稱為普及的加工技術(shù)稱為超精密加工超精密加工。精密和超精密加工的時代性精密和超精密加工的時代性 超精密加工技術(shù)，不是指某一特定的加工方法，而是指在某超精密加工技術(shù)，不是指某一特定的加工方法，而是指在某一個歷史時期所能達到的最高（極限）加工精度的各種精密加一個歷史時期所能達到的最高（極限）加工精度的各種精密加工方法的總稱。工方法的總稱。1313加工精度概念的時代發(fā)展性1414n物質(zhì)是由原子組成的，從機械破壞的角度看，最小則是以物質(zhì)是由原子組成

10、的，從機械破壞的角度看，最小則是以原子級為單位（原子顆粒的大小為幾埃原子級為單位（原子顆粒的大小為幾埃(，1 =10-10m）的破壞。如果在加工中能以原子級為單位去除被加工材料，的破壞。如果在加工中能以原子級為單位去除被加工材料，即是加工的極限，從這一角度來定義，可以把接近于加工即是加工的極限，從這一角度來定義，可以把接近于加工極限的加工技術(shù)稱為：極限的加工技術(shù)稱為：超精密加工、微納加工。超精密加工、微納加工。n另一種概念是從被加工部位發(fā)生破壞和去除材料大小的尺另一種概念是從被加工部位發(fā)生破壞和去除材料大小的尺寸單位來劃分各種加工。寸單位來劃分各種加工。n去除材料的單位為去除材料的單位為10-

11、3cm時將以龜裂的形式發(fā)生破壞；以微時將以龜裂的形式發(fā)生破壞；以微米米(m)級尺寸去除，則表現(xiàn)為位錯，這一層次的加工屬于精級尺寸去除，則表現(xiàn)為位錯，這一層次的加工屬于精密加工。密加工。1515n按去除尺寸單位劃分精度等級按去除尺寸單位劃分精度等級 一一區(qū)間稱為普通精度區(qū)間稱為普通精度 一一區(qū)間為精密加工區(qū)間為精密加工 I I一一區(qū)間為超精密加工區(qū)間為超精密加工1616n一般加工：一般加工： 加工精度加工精度10m左右左右, Ra 0.1m 1.4.2 精密、超精密加工精度的范圍與條件精密、超精密加工精度的范圍與條件n精密加工：精密加工： 加工精度加工精度0.11m, Ra=0.020.1mn超

12、精密加工：超精密加工： 加工精度加工精度 0.1m, Ra 0.01mn發(fā)展方向：發(fā)展方向：加工精度加工精度 1nm(10-3m), Ra0.005m納米加工納米加工1717精密超精密精密超精密加工技術(shù)加工技術(shù)超精密加工超精密加工工具工具 工件材料工件材料超精密加工超精密加工設(shè)備設(shè)備 超精密加工超精密加工環(huán)境環(huán)境 超精密超精密測量技術(shù)測量技術(shù) 18181.4.3 超精密加工技術(shù)的范疇與種類超精密加工技術(shù)的范疇與種類 超精密加工的機理超精密加工的機理 超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)超精密加工的設(shè)備制造技術(shù) 超精密加工工具及刃磨技術(shù)超精密加工工具及刃磨技術(shù) 超精密加工測量技術(shù)和誤差補償技術(shù)超精密加工測量

13、技術(shù)和誤差補償技術(shù) 超精密加工工作環(huán)境條件超精密加工工作環(huán)境條件1919電火花加工電火花加工等離子加工等離子加工電子束加工電子束加工激光加工激光加工超聲波加工超聲波加工微波加工微波加工噴射加工噴射加工原子束加工原子束加工化學(xué)能加工化學(xué)能加工光刻加工光刻加工化學(xué)加工化學(xué)加工物理加工物理加工微細尺寸加工微細尺寸加工低粗糙度低粗糙度高形位精度高形位精度磨料加工磨料加工( (無磨料研拋無磨料研拋) )超精密磨削超精密磨削精密研磨、拋光精密研磨、拋光金剛石切削金剛石切削加工加工高尺寸精度高尺寸精度高精度高精度超超精精密密加加工工方方法法精密電鑄精密電鑄電解加工電解加工精密特精密特種加工種加工2020金屬

14、金屬材料材料非金屬非金屬材料材料超超精精密密加加工工的的材材料料復(fù)合材料復(fù)合材料（應(yīng)用：航天、能源工業(yè)）（應(yīng)用：航天、能源工業(yè)）非鐵金屬材料非鐵金屬材料（應(yīng)用：激光技術(shù)、光學(xué)、電子工業(yè)）（應(yīng)用：激光技術(shù)、光學(xué)、電子工業(yè)）高硬度、高強度耐熱合金高硬度、高強度耐熱合金（應(yīng)用：航空、（應(yīng)用：航空、 航天、原子能工業(yè)）航天、原子能工業(yè)）高分子有機材料高分子有機材料（應(yīng)用：光學(xué)、化學(xué)、電子工業(yè)）（應(yīng)用：光學(xué)、化學(xué)、電子工業(yè)） 無機硬脆材料無機硬脆材料（應(yīng)用：電子、原子能、能源工業(yè)）（應(yīng)用：電子、原子能、能源工業(yè)）1.4.4 超精密加工的材料對象與應(yīng)用超精密加工的材料對象與應(yīng)用212122222323n國

15、家制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一國家制造技術(shù)水平的重要指標(biāo)之一n發(fā)展高技術(shù)和新產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展高技術(shù)和新產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)1.4.5 精密、超精密加工技術(shù)的重要性精密、超精密加工技術(shù)的重要性n當(dāng)代高技術(shù)的產(chǎn)品，都是靠當(dāng)代最高的加工技術(shù)超精當(dāng)代高技術(shù)的產(chǎn)品，都是靠當(dāng)代最高的加工技術(shù)超精密加工來實現(xiàn)的密加工來實現(xiàn)的。n超精密加工的直接效果是促進了各種產(chǎn)品技術(shù)性能的提超精密加工的直接效果是促進了各種產(chǎn)品技術(shù)性能的提高，也就相應(yīng)地促進了機械、電子、航空、航天、激光高，也就相應(yīng)地促進了機械、電子、航空、航天、激光核聚變等高技術(shù)的發(fā)展。核聚變等高技術(shù)的發(fā)展。n精密和超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工精密

16、和超精密加工所能達到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)尺寸范圍和幾何形狀是一個國家制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志。志。n精密和超精密加工技術(shù)水平的高低是一個國力和國威的精密和超精密加工技術(shù)水平的高低是一個國力和國威的標(biāo)志，它與高質(zhì)量民品及現(xiàn)代化國防工業(yè)密切相關(guān)。標(biāo)志，它與高質(zhì)量民品及現(xiàn)代化國防工業(yè)密切相關(guān)。24超超精精密密加加工工技技術(shù)術(shù)的的基基礎(chǔ)礎(chǔ) 測量技術(shù)測量技術(shù)加工技術(shù)加工技術(shù)超精密加工 工藝系統(tǒng)工藝系統(tǒng)基礎(chǔ)、安裝基礎(chǔ)、安裝(結(jié)構(gòu)、材質(zhì)結(jié)構(gòu)、材質(zhì))加工件夾持機構(gòu)加工件夾持機構(gòu)運動控制裝置運動控制裝置被加工件被加工件(材質(zhì)、形狀、處理材質(zhì)、形狀、處理)工具工具

17、(材質(zhì)、形狀材質(zhì)、形狀)導(dǎo)向元件導(dǎo)向元件(構(gòu)潤滑形狀構(gòu)潤滑形狀)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)加工機械加工機械25第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具26大型光學(xué)元件大型光學(xué)元件超精密加工？檢測？超精密加工？檢測？第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具27特種型面光學(xué)元件特種型面光學(xué)元件超精密加工？超精密加工？第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具28第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具 SPDT主要應(yīng)用：主要應(yīng)用： 激光或紅外平面激光或紅外平面 非球面反射鏡非球面反射鏡 磁盤鋁基底磁盤鋁基底 多面棱鏡等多面棱鏡等 超精密切削可以分

18、為超精密車削、超精密銑削、超精密鏜超精密切削可以分為超精密車削、超精密銑削、超精密鏜削和超精密鉆削，其中最常用的是金剛石刀具超精密車削，削和超精密鉆削，其中最常用的是金剛石刀具超精密車削，一一般稱為單刃金剛石車削般稱為單刃金剛石車削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT) 。 SPDT加工精度：加工精度： 粗糙度粗糙度Ra=0.02-0.005m 非球面形狀精度非球面形狀精度 0.1m 平面度平面度0.06 m光學(xué)棱鏡、鏡頭光學(xué)棱鏡、鏡頭無氧銅、鋁合金件無氧銅、鋁合金件29第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具（1）平面鏡切削示例）平面鏡切削

19、示例0. 5m塑性域加工塑性域加工脆塑過渡切削脆塑過渡切削脆性域切削脆性域切削30第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具31第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具（2）球面鏡切削示例）球面鏡切削示例球面鏡加工原理1-主軸；2-凹面鏡；3-刀具軸32第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具（3）大型金剛石刀具切削機床示例）大型金剛石刀具切削機床示例 Work table: 1.65 m dia Figure accuracy: 0.028 m Surface finish :3.5-9.0 nm33第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與

20、金剛石刀具平面度平面度0.06 m；表面粗糙度；表面粗糙度Rmax0.02 m 具備加工面型檢測功能，以補償?shù)毒吣p具備加工面型檢測功能，以補償?shù)毒吣p (4) 微構(gòu)形或曲面加工微構(gòu)形或曲面加工菲涅耳(Fresnel)透鏡 34第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.1 刀具角度知識的復(fù)習(xí)刀具角度知識的復(fù)習(xí) 前刀面前刀面A 后刀面后刀面Aa 刀尖刀尖剛形成的切屑沿其流出的刀面剛形成的切屑沿其流出的刀面 與工件加工表面相對的刀面與工件加工表面相對的刀面 主、副切削刃的實際交點，為了強化刀尖，一主、副切削刃的實際交點，為了強化刀尖，一 般都在刀尖處磨成折線或圓弧形過渡刃。般

21、都在刀尖處磨成折線或圓弧形過渡刃。 切削刃切削刃S 前刀面與后刀面的交線，承擔(dān)主要切削工作前刀面與后刀面的交線，承擔(dān)主要切削工作35第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具1）前角前角0-前刀面與基面間夾角前刀面與基面間夾角3）主偏角主偏角kr-主切削刃在基面上投主切削刃在基面上投影與進給方向間夾角影與進給方向間夾角4）刀尖角刀尖角r-主切削刃與副切削刃主切削刃與副切削刃在基面上投影間夾角在基面上投影間夾角5）刃傾角刃傾角s- 主切削刃與基面之間夾角主切削刃與基面之間夾角2）后角后角0- 后刀面與切削平面間后刀面與切削平面間 夾角夾角36第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密

22、切削與金剛石刀具2.2.2 超精密切削對刀具性能的要求超精密切削對刀具性能的要求切削時切削刃的粗糙度將決定加工表面的粗糙度切削時切削刃的粗糙度將決定加工表面的粗糙度, , 普普通刀刃的粗糙度通刀刃的粗糙度Ry0.3Ry0.35 5 m m，金剛石刀具刀刃的粗，金剛石刀具刀刃的粗糙度糙度Ry0.1Ry0.10.2 m0.2 m，特殊情況，特殊情況Ry1nmRy1nm，極難刃磨。，極難刃磨。 極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，保證極高的硬度、極高的耐磨性和極高的彈性模量，保證長的刀具壽命。長的刀具壽命。2) 2) 刀刃無缺陷，足夠的強度，耐崩刃性能。刀刃無缺陷，足夠的強度，耐崩刃性能。4)

23、 4) 化學(xué)親和性小、與工件材料的抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)化學(xué)親和性小、與工件材料的抗粘結(jié)性好、摩擦系數(shù)低，能得到極好的加工表面完整性。低，能得到極好的加工表面完整性。37第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具刀具刃口鋒銳度刀具刃口鋒銳度刃口圓弧半徑刃口圓弧半徑越小，切削厚度就越薄，越能夠減小切越小，切削厚度就越薄，越能夠減小切削表面彈性恢復(fù)和表面變質(zhì)層。削表面彈性恢復(fù)和表面變質(zhì)層。與切削刃的加工方位有關(guān)，普通刀具與切削刃的加工方位有關(guān)，普通刀具5 530m30m，金剛石，金剛石刀具刀具10nm10nm，最好能夠，最好能夠 5nm5nm；從物理學(xué)的觀點，刃口半徑從物理學(xué)的觀點，刃

24、口半徑有一極限（后續(xù)介紹）。有一極限（后續(xù)介紹）。38第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.3 天然金剛石的特性天然金剛石的特性 硬度特性硬度特性人造金剛石磨料人造金剛石磨料39第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.3 天然金剛石的特性天然金剛石的特性 熱化學(xué)特性熱化學(xué)特性40第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具41K9光學(xué)玻璃，初始表面：光學(xué)玻璃，初始表面：Ra0.1，加工面形，加工面形精度精度1.5m，粗糙度，粗糙度Ra0.0142第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.3 天然金剛石的特性天然

25、金剛石的特性能磨出極鋒銳的刀刃，最小刃口半徑能磨出極鋒銳的刀刃，最小刃口半徑15nm（人造：（人造：100-1000nm） ； 2) 摩擦系數(shù)低，除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力??；摩擦系數(shù)低，除黑色金屬外，與其它物質(zhì)的親和力??；5) 不適宜切黑色金屬；不適宜切黑色金屬；導(dǎo)熱性能好，熱變形??；導(dǎo)熱性能好，熱變形?。?6) 很脆，硬避免振動；很脆，硬避免振動；7) 價格昂貴，刃磨困難。價格昂貴，刃磨困難。天然單晶金剛石被公認為理想的、不可代替的超精密切削刀具！天然單晶金剛石被公認為理想的、不可代替的超精密切削刀具！耐磨性好，比硬質(zhì)合金高耐磨性好，比硬質(zhì)合金高50100倍；倍； 可切削性能可切削性

26、能43第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.4 金剛石晶體的晶面和晶軸金剛石晶體的晶面和晶軸 按晶體學(xué)原理，金剛石晶體有三個主要晶面（與晶面垂直按晶體學(xué)原理，金剛石晶體有三個主要晶面（與晶面垂直軸為晶軸）：軸為晶軸）：常見的有八面體、十二面體、六面體。常見的有八面體、十二面體、六面體。（100）面面（111）面面（110）面面以以八面體八面體為例分析之。為例分析之。44第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具 當(dāng)用激光對當(dāng)用激光對（100）、（）、（111）、（）、（110）晶面垂直照射時，晶面垂直照射時，會分別出現(xiàn)：會分別出現(xiàn)： 4次、次、 3次、次

27、、 2次次 對稱衍射圖形現(xiàn)象，分對稱衍射圖形現(xiàn)象，分別稱上述晶面的軸為別稱上述晶面的軸為4次對稱軸、次對稱軸、3次對稱軸、次對稱軸、2次對稱軸。次對稱軸。45第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.5 金剛石晶體的面網(wǎng)和密度金剛石晶體的面網(wǎng)和密度 面網(wǎng)面網(wǎng)晶體內(nèi)部分布有原子的面，又稱晶面。晶體內(nèi)部分布有原子的面，又稱晶面。金剛石面網(wǎng)最小單元：金剛石面網(wǎng)最小單元： 金剛石的面網(wǎng)有：金剛石的面網(wǎng)有： （100）、（）、（111）、（）、（110）。）。（100）最小面網(wǎng)為正方形，含）最小面網(wǎng)為正方形，含5個碳原子；個碳原子；（111）最小面網(wǎng)為三角形，含）最小面網(wǎng)為三角形，

28、含6個碳原子；個碳原子；（110）最小面網(wǎng)為矩形，含）最小面網(wǎng)為矩形，含8個碳原子；個碳原子； 設(shè)單位晶胞邊長設(shè)單位晶胞邊長D(= a 0 = 0.35667nm)，則：，則：46第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具面網(wǎng)密度：10024/141單位面積原子數(shù)2/2 D面網(wǎng)密度2DDD面積223/42/3/2DD面網(wǎng)密度22/136/13單位面積原子數(shù)2/32/622/12DDD面積面網(wǎng)密度：11147第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具222DDD面積面網(wǎng)密度：110422/124/14單位面積原子數(shù)22/4D面網(wǎng)密度48第第2章章 超精密切削與金剛石刀

29、具超精密切削與金剛石刀具 面網(wǎng)密度之比為：和、110111100金剛石晶體不同晶面的面網(wǎng)距4/D （100）面4/2 D （110）面12/3D4/3D（111）面414.1:154.1:1)2/(4)3/(4/2110111100222DDD：密度：密度：密度414.1:308.2:1110111100密度：密度：密度修正：49第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.6 金剛石晶體的解理現(xiàn)象金剛石晶體的解理現(xiàn)象 晶體受到定向機械力晶體受到定向機械力作用時，可以沿平行于某作用時，可以沿平行于某個平面平整的劈開的現(xiàn)象，個平面平整的劈開的現(xiàn)象，稱為稱為解理現(xiàn)象解理現(xiàn)象。 金

30、剛石晶體可以沿著金剛石晶體可以沿著( 111 ) 面平整劈開兩半，面平整劈開兩半，這是金剛石晶體的一個非這是金剛石晶體的一個非常重要特性。金剛石的破常重要特性。金剛石的破碎和磨損都和解理現(xiàn)象直碎和磨損都和解理現(xiàn)象直接相關(guān)。接相關(guān)。50第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.2.7 金剛石晶體的定向金剛石晶體的定向51第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.1 微量切削概述微量切削概述 超精密加工的關(guān)鍵是能夠在被加工表面上進行微量加工，超精密加工的關(guān)鍵是能夠在被加工表面上進行微量加工，其加工量的大小標(biāo)志著精密加工和超精密加工的水平。其加工量的大小標(biāo)志著

31、精密加工和超精密加工的水平。 超微量去除的難點：超微量去除的難點： （1）工具和工件表面微觀的彈性變形和塑性變形是隨機的，）工具和工件表面微觀的彈性變形和塑性變形是隨機的，精度難以控制；精度難以控制； （3） 工藝系統(tǒng)的剛度和熱變形對加工精度有很大影響；工藝系統(tǒng)的剛度和熱變形對加工精度有很大影響； （2）去除層越薄，被加工表面受到的切應(yīng)力越大，材料就）去除層越薄，被加工表面受到的切應(yīng)力越大，材料就越不容易去除。為何？越不容易去除。為何？52第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具 微量切削的機理與一般切削機理的差異：微量切削的機理與一般切削機理的差異： 因切屑厚度極小，背吃刀量

32、因切屑厚度極小，背吃刀量(切削深度切削深度)可能小于晶粒可能小于晶粒的大小，因此，切削不是在晶粒之間的破壞，切削力一定的大小，因此，切削不是在晶粒之間的破壞，切削力一定要超過晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，刀刃上所承要超過晶體內(nèi)部非常大的原子、分子結(jié)合力，刀刃上所承受的切應(yīng)力就急速地增加并變得非常大。受的切應(yīng)力就急速地增加并變得非常大。 例如切削低碳鋼情況：刀刃上的切應(yīng)力值接近材料的例如切削低碳鋼情況：刀刃上的切應(yīng)力值接近材料的抗剪強度極限，當(dāng)切削厚度在抗剪強度極限，當(dāng)切削厚度在1m以下時，被切材料的切以下時，被切材料的切應(yīng)力可達應(yīng)力可達13000MPa。 53第第2章章 超精密切削與金剛石

33、刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.2 材料缺陷及其破壞方式材料缺陷及其破壞方式 材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性，可分為以下幾種情況：材料微觀缺陷分布或材質(zhì)不均勻性，可分為以下幾種情況：材料微觀缺陷分布材料微觀缺陷分布 加工單位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同，被加工加工單位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同，被加工材料的破壞方式就不同。材料的破壞方式就不同。(a) 晶格原子、分子晶格原子、分子把原子、分子一個一個地去除；把原子、分子一個一個地去除；(d) 晶界、空隙和裂紋晶界、空隙和裂紋以缺陷面為基礎(chǔ)的晶粒間破壞。以缺陷面為基礎(chǔ)的晶粒間破壞。(b) 點缺陷或原子缺陷點缺陷或原子缺陷以此為起點

34、增加晶格缺陷的破壞；以此為起點增加晶格缺陷的破壞；(c) 位錯缺陷和微裂紋位錯缺陷和微裂紋 由此引起晶體的內(nèi)滑移變形；由此引起晶體的內(nèi)滑移變形；54第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.2 材料缺陷及其破壞方式材料缺陷及其破壞方式 55第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具材料微觀缺陷分布 材料缺陷分布間距材料缺陷分布間距(mm)晶格原子晶格原子b點陣缺陷點陣缺陷位錯缺陷位錯缺陷晶界空穴及裂紋晶界空穴及裂紋缺口缺口10-710-710-510-510-310-310-110-156第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.3 加

35、工能量加工能量 超精密切削是一種接近原子、分子級加工單位的去除加工方法，要從工件上去除一塊材料，需要相當(dāng)大的能量，這種能量可用臨界加工能量密度(Jcm3)和單位體積切削能量(Jcm3)來表示。 是指當(dāng)應(yīng)力超過材料彈性極限時，在切削相應(yīng)的空間內(nèi)，由于材料缺陷而產(chǎn)生破壞時的加工能量密度。 是指在產(chǎn)生某加工單位切屑時，消耗在單位體積上的加工能量。加工單位不同會引起臨界加工能量密度的變化。臨界加工能量密度臨界加工能量密度 單位體積切削能量單位體積切削能量57第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具材料臨界加工能量密度 (Jcm3) 微觀缺陷微觀缺陷 mm加工原理加工原理10-7 10-

36、6 10-4 10-2 1晶格原晶格原子子點缺陷點缺陷位錯、微裂紋位錯、微裂紋晶界、空隙裂紋晶界、空隙裂紋化學(xué)分解、電解化學(xué)分解、電解104 103脆性破壞脆性破壞104 102塑性變形塑性變形（微切削、拋光）（微切削、拋光）103 101熔化去除熔化去除104 103蒸發(fā)去除蒸發(fā)去除105 104離子濺射去除離子濺射去除電子蝕刻去除電子蝕刻去除105 10458第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.4 加工剪切應(yīng)力加工剪切應(yīng)力 切削易切鋼時切應(yīng)力與切削厚度關(guān)系 例如：易切鋼材料的切變模量G=8.2104MPa，切應(yīng)變3，則理論切應(yīng)力：thG2 13000 MPa尺寸

37、效應(yīng)59第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具2.3.5 金剛石車刀金剛石車刀a) 尖刃尖刃:安裝方便，但一般不用。安裝方便，但一般不用。c)、d) 多棱刃多棱刃:安裝和刃磨方便，安裝和刃磨方便，加工表面質(zhì)量好加工表面質(zhì)量好 ，直線段修光刃長直線段修光刃長=0.1-0.2mm。b) 單直線刃單直線刃:安裝和刃磨困難，加工殘留面積小。安裝和刃磨困難，加工殘留面積小。e) 圓弧刃圓弧刃:安裝方便，安裝方便，加工殘余面積小，加工殘余面積小，刃磨刃磨困難，圓弧段修光刃困難，圓弧段修光刃R=0.5-3mm。60第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具nr 表面能表面能nEf 楊氏模量楊氏模量n材料強度極限材料強度極限Ef / 1024cfcrEfcoEr2104 61第第2章章 超精密切削與金剛石刀具超精密切削與金剛石刀具物