超精密切削加工技術(shù).ppt

1、超精密切削加工技術(shù),超精密切削機(jī)床,目前超精密切削的最高加工精度是在納米機(jī)床上完成的。 工業(yè)生產(chǎn)已能實(shí)現(xiàn)10100nm切削加工精度，1nm的加工精度也已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。 超精密切削機(jī)床的精度實(shí)現(xiàn)主要依賴于解決如下幾個(gè)問題：,運(yùn)動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)精度,這是直接影響加工精度的重要因素。但目前對(duì)影響精度未能進(jìn)行定量分析，原因在于10nm的運(yùn)動(dòng)精度計(jì)量技術(shù)尚未通用化。 采用高精度靜壓空氣軸承，可使徑向振擺在50nm左右，軸、軸承的圓度、直線度誤差使回轉(zhuǎn)振擺達(dá)到幾十納米，因此需要檢測(cè)控制和誤差補(bǔ)償技術(shù)。目前可獲得10nm的回轉(zhuǎn)精度和直線精度，振擺重復(fù)性減少到2nm。,承力結(jié)構(gòu)的剛性,加工過程中，大負(fù)荷將產(chǎn)生大

2、位移，其重復(fù)性很高。 提高剛性可顯著減少變形誤差。 現(xiàn)有機(jī)床零部件可達(dá)到100Nm的剛性，滿足超精密加工的一般要求。 另外對(duì)于有規(guī)律的可重復(fù)的變形誤差，可通過檢測(cè)機(jī)床負(fù)荷和變形量使之通過補(bǔ)償，減到最小，此時(shí)，檢測(cè)、控制和分辨率決定精度界限的高低。,微觀剛性問題,超精密切削的刀具切削刃作用在工件材料的一個(gè)微小區(qū)域，這個(gè)微小區(qū)域可以是一個(gè)晶粒、一個(gè)位錯(cuò)區(qū)，一層原子。 隨著刀具的相對(duì)移動(dòng)，如果材料的組織、性能發(fā)生變化，作用微區(qū)的切削力就會(huì)發(fā)生變化，由此引起變形的改變，影響加工質(zhì)量和穩(wěn)定性，這就是超精密切削的微觀剛度問題。 如果切削過程接觸變形的微觀重復(fù)性及其動(dòng)態(tài)特征規(guī)律清楚，則可通過提升機(jī)床敏感方向

3、的微觀剛性、對(duì)工件材料提出更高要求和工藝設(shè)計(jì)解決。,機(jī)床的熱變形,理論上提高溫度的控制精度就能減少熱變形量?？刂凭冗_(dá)到1mk，熱變形就可控制在110nmm之間。 超精密切削機(jī)床結(jié)構(gòu)采用銦鋼、某種玻璃、陶瓷等熱膨脹系數(shù)較低（106107K）材料，能有效減少自身的熱變形量。床身可采用花崗巖材料。 機(jī)床（包括刀具）與工件的熱變形之間存在著某種關(guān)系，也會(huì)對(duì)加工精度的界限產(chǎn)生重要的影響。 盡管在整體上要求控制溫度到一定的精度，但在不同部分和不同階段總會(huì)有差別的，因此需要進(jìn)行熱補(bǔ)償，通過機(jī)床調(diào)整和軟件控制其影響。,定位精度,機(jī)床的定位精度取決于檢測(cè)、控制、運(yùn)動(dòng)等環(huán)節(jié)的最低分辨率。提高重復(fù)精度及其分辨率常

4、用如下幾種方法： 借助油膜或氣膜移動(dòng)的機(jī)械元件的位置重復(fù)性很高； 重復(fù)性極高的彈性交形定位機(jī)構(gòu)，具有nm或nm以下的分辨率； 微動(dòng)機(jī)構(gòu)壓電元件：所加每伏電壓產(chǎn)生幾十納米的位移，由電壓控制達(dá)到的分辨率可方便實(shí)現(xiàn)0.1nm的控制。但要解決其滯后問題。,公稱切削厚度與有效切削厚度,超精密切削要求切削厚度很小，由機(jī)床控制的名義切削厚度為公稱切削厚度，實(shí)際切除的材料厚度為有效厚度。 按照精密切削的復(fù)映性理論，有效厚度達(dá)到的量級(jí)就是加工精度能夠達(dá)到的精度。通常通過減少公稱厚度控制有效切削厚度來提高加工精度。 但有效厚度減少到一定程度時(shí)，切削過程出現(xiàn)不不穩(wěn)定狀態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)正確切削。因此最小有效切削厚度決定幾

5、何加工精度的控制極限。,加工工件的復(fù)映性及加工精度的極限,刀具鋒銳性,刀具鋒銳性主要取決于刃口鈍圓半徑，刃口鈍圓半徑越小刀具越鋒銳，有效切削厚度就越小，對(duì)加工表面變質(zhì)層和毛刺的影響也會(huì)減少。精密刀具刃口鈍圓半徑可達(dá)到20nm以下。而金剛石刀具刃口圓角半徑可達(dá)24nm，切削厚度可達(dá)1nm。 如果復(fù)映正常，刃口粗糙度將決定表面粗糙度的極限。研磨金剛石刀具表面達(dá)到nm級(jí)并不困難，使切削可達(dá)到nm級(jí)的表面質(zhì)量。,材料親和性與熱穩(wěn)定性,加工材料與刀具材料之間的相互作用特性主要是親和性，直接影響微切削加工表面的形成和刀刃微觀磨損。 如高速鋼刀具切削鋁及銅系合金極易產(chǎn)生積屑瘤（BUE），積屑瘤高度大小和變化

6、規(guī)律直接影響超精密切削過程的復(fù)映性。 金剛石和切削材料的熱化學(xué)特性決定刀具的主要磨損機(jī)理，但在實(shí)際當(dāng)中，監(jiān)視和控制都十分困難。,材料熱特性對(duì)動(dòng)態(tài)變形一致性的影響,刀具切削部位的動(dòng)態(tài)彈性變形要一致，否則會(huì)產(chǎn)生基于材料雜質(zhì)和晶界的表面階梯。 材料較好的熱穩(wěn)定性和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，將使之均勻化，階梯平均化，獲得光滑的加工表面。,加工環(huán)境與邊緣技術(shù)是不可忽視的間接因素,環(huán)境溫度 環(huán)境溫度影響加工精度有兩個(gè)方面，一是溫度的高低，二是溫度場(chǎng)的均勻性。 機(jī)床自身局部發(fā)熱的原因是軸承及運(yùn)動(dòng)部分的摩擦與潤滑，有一個(gè)熱平衡過程。 人體及其運(yùn)動(dòng)，室內(nèi)空氣的對(duì)流都會(huì)引起環(huán)境發(fā)生0.001K的溫差變化。照明燈輻射到花崗

7、石底座，黑白點(diǎn)材料之間亦有0.1K的差別。,加工環(huán)境與邊緣技術(shù)是不可忽視的間接因素,振動(dòng) 電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的磁力不均、聯(lián)接器因準(zhǔn)直誤差和回轉(zhuǎn)振擺等都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問題。 為此需要改善各機(jī)械零部件和工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，采用力偶傳遞動(dòng)力，如精密摸床上的雙銷雞心夾頭。,加工環(huán)境與邊緣技術(shù)是不可忽視的間接因素,變形 對(duì)薄件、輕件用真空吸盤、膠粘安裝和夾緊，以減少回彈和殘余變形。 工件自重和氣壓也會(huì)引起不小的變形。如直徑30mm、長(zhǎng)60mm懸臂鋼梁，自重在前端產(chǎn)生10nm的撓度。 大氣壓在每100mm2就有30nm左右的壓縮變形。,加工環(huán)境與邊緣技術(shù)是不可忽視的間接因素,加工技術(shù)對(duì)策 切削路徑選擇和工藝優(yōu)化

8、以及復(fù)合繼承加工等工藝措施，監(jiān)視、控制和補(bǔ)償技術(shù)，軟件編程以及檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)奪回影響加工精度的獲得，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的超精密切削，加工技術(shù)對(duì)策就顯得益發(fā)重要。 綜上，目前超精密切削加工技術(shù)的達(dá)到的精密界限約為10nm。,超精密切削的原理與過程,在超精密切削過程，如刀具軌跡足夠精確，則刀口和切削運(yùn)動(dòng)將被復(fù)映和包絡(luò)形成切削表面，同時(shí)形成表面波紋和刀痕。 工件材料內(nèi)部組織的均勻性和缺陷（空穴氣孔、析出物、雜質(zhì)、夾雜物）也將延展和復(fù)映在表面上，形成龜裂和局部變形的表面。,影響超精密切削的材料的各類缺陷 (A：空穴氣孔 B：析出物),刀具的幾何參數(shù)影響加工表面粗糙度,若為圓弧刃切削，刀尖半徑為r，進(jìn)給量為

9、f 則表面粗糙度 Rmax=f 2/8r 若為直刃切削，主偏角K，副偏角K 則表面粗糙度 Rmax=ftgktgk / （tgK+tgK ） 因此刀具的主、輔偏角、刀尖半徑和進(jìn)給量都會(huì)對(duì)超精密加工表面的粗糙度產(chǎn)生直接的影響。,（1）積屑瘤的生成規(guī)律及影響,超精密切削過程中積屑瘤對(duì)切削力的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在普通切削中的影響。 鋁銅材料在低速切削時(shí)，切削力較大，隨切削速度的增加，切削力急劇下降，至200300m/min后，切削力基本保持不變。 其原因在于低速時(shí)生成的積屑瘤高，使切削層厚度大幅度增加，故切削力也大，隨速度增加積屑瘤高度急劇減小，因而切削力也急劇下降。 這個(gè)規(guī)律與普通切削正好相反。,超精密

10、切削的工藝參數(shù),積屑瘤對(duì)切削力的影響,積屑瘤的作用,前刀面上的積屑瘤呈鼻形，前端的圓弧半徑約為23m，較金剛石車刀的刃口半徑0.20.3m大得多。由于切削層很薄，實(shí)際切削是由積屑瘤起主導(dǎo)作用，刀具鋒銳性下降。 積屑瘤和切屑底層之間的摩擦、積屑瘤和已加工表面之間的摩擦都很嚴(yán)重。摩擦力大大超過金剛石刀具直接與這些材料之間的摩擦力，從而導(dǎo)致切削合力增加。 鼻形積屑瘤自刀刃前伸出，使切削厚度顯著超過名義值，導(dǎo)致切削力明顯增加,對(duì)加工表面粗糙度的影響,積屑瘤和已加工表面之間的不規(guī)則的劇烈摩擦，使表面受到耕犁作用，粗糙度加大。 積屑瘤加工對(duì)表面粗糙度的影響與對(duì)切削力的情況相同，即粗糙度大小和積屑瘤的高度有

11、關(guān)。 而積屑瘤的高度又與切削速度有關(guān)，通常是用切削速度對(duì)粗糙度的影響說明積屑瘤對(duì)粗糙度的影響，積屑瘤愈高，粗糙度值越大。,切削速度對(duì)粗糙度的影響,切削速度對(duì)積屑瘤高度的影響,切削速度的影響,低速時(shí)，切削溫度較低，適合于積屑瘤生長(zhǎng)，高度ha比較大且穩(wěn)定。 高速時(shí)ha值不穩(wěn)定。 特別在切削黃銅和紫銅時(shí)，積屑瘤不穩(wěn)定且高度比較小，ha0.10.75m。,進(jìn)給量的影響,在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)給量范圍內(nèi)都有積屑瘤。 但進(jìn)給量對(duì)積屑瘤高度的影響并非單調(diào)，比較復(fù)雜，往往在一定范圍 f=5m/r時(shí)，積屑瘤高度ha可以達(dá)到最小,切削深度影響,ap較小時(shí)，積屑瘤高度ha較低且變化不大， ap25m時(shí)，ha5m，之后隨著ap增

12、大，積屑瘤高度ha急劇增大，這是由切削溫度升高和粘結(jié)面積增大引起的。,刀具刃口半徑對(duì)切削表面質(zhì)量的影響,金剛石刀具精研后的刃口半徑，對(duì)加工表面質(zhì)量（表面粗糙度、高質(zhì)層、殘余應(yīng)力等）影響極大，刃口半徑值是衡量超精切削技術(shù)水平一個(gè)極其重要指標(biāo)。 我國生產(chǎn)中實(shí)際使用的精密金剛石刀具的刃口半徑0.20.3m，國外精密級(jí)金剛石刀具的刃口半徑0.05m。,切削速度選擇,金剛石刀具硬度最高，耐磨性好，傳熱系數(shù)高，與有色金屬界面間的摩擦系數(shù)低，故選用很高的切削速度（10002000m/min）。 和普通切削的不同之處在于切削速度不受刀具磨損的限制，是根據(jù)所用超精密機(jī)床的動(dòng)特性和切削系統(tǒng)的動(dòng)特性選擇的，即采用振

13、動(dòng)最小的轉(zhuǎn)速。 只要不在低速區(qū)，切削速度對(duì)粗糙度的影響較小，加切削液時(shí)則基本無影響。這一結(jié)論很重要，表明切削曲面、平面反射鏡從邊緣到中心都可獲得一致較低的粗糙度。,切削用量的選擇,切削深度的選擇,超精密切削時(shí)允許的最小切深取決于金剛石刀具的刃口半徑，約是（1/21/3）。 若刃口半徑達(dá)到0.050.01m，最小切削深度可以在0.01m以下，獲得超光滑表面。,進(jìn)給量和修光刃的選擇,超精密切削都采用很小的進(jìn)給量，刀具制成帶修光刃的刀尖結(jié)構(gòu)。 但對(duì)有修光刃的刀具且f0.02mm/r時(shí)，進(jìn)給量再減小對(duì)表面粗糙度的影響甚微。 修光刃可以減小加工表面粗糙度，修光刃的長(zhǎng)度取0.050.10mm。 長(zhǎng)度過長(zhǎng)，

14、對(duì)提高加工表面質(zhì)量效果不大。,超精密切削對(duì)刀具的要求,有極高的硬度。超精密切削對(duì)刀具需要很高的尺寸耐用度，因此要求刀具材料極高的耐磨性和極高的彈性模量長(zhǎng)壽命。 刃口能磨得極其鋒銳。獲得很小的刀具刃口半徑值，能實(shí)現(xiàn)超薄切削。 刀刃無缺陷。刃形將復(fù)印在加工表面上，無缺陷刀刃才能獲得超光滑的鏡面。 化學(xué)親和性小。與工件材料之間的摩擦系數(shù)低，抗粘結(jié)性好，能得到極好的加工表面完整性。 天然金剛石具有上述優(yōu)點(diǎn)且導(dǎo)熱性好，雖然價(jià)格極為昂貴，仍被作為理想的不可代替的超精密切削刀具材料。,金剛石刀具材料,優(yōu)質(zhì)的單晶金剛石刀具SPDT技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超精密切削的關(guān)鍵技術(shù)。 通常的人造單晶金剛石無法磨出極鋒銳的刃口，很難

15、達(dá)到1m，只能用于有色金屬和非金屬的精密切削，很難達(dá)到超精密鏡面切削的要求。 大顆粒人造單晶金剛石已能用于工業(yè)生產(chǎn)，并已開始用于超精密切削，但價(jià)格仍很昂貴。,金剛石的性能之一,金剛石外形通常有六面體、八面體和十二面體。六面體的外表面為（100）晶面，6個(gè)面、8個(gè)角都相同，具有對(duì)稱性。其中的（111）晶面和（110）晶面也易確定。 八面體晶體的8個(gè)表面是等邊三角形，都是（111）晶面。通過四個(gè)對(duì)稱頂角的面是（100）晶面，通過兩個(gè)對(duì)稱頂角和兩個(gè)對(duì)稱邊的中點(diǎn)的面是（110）晶面。十二面晶體是天然金剛石中常見的一種形狀。十二個(gè)外表面呈菱形，是（110）晶面，有六個(gè)四棱晶角和八個(gè)三棱晶角，結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱

16、性，以三棱晶角為一個(gè)頂點(diǎn)，連接相鄰的晶角形成一個(gè)面，即為（111）晶面。金剛石不同的晶面具有不同的機(jī)械物理性能。,金剛石的性能之二,金剛石晶體的顯微為600010000。在目前發(fā)現(xiàn)的所有材料中，硬度最高。耐磨性是剛玉的140倍左右。不同晶面的強(qiáng)度差別較大，4001000kg/mm2，強(qiáng)度最高的為111晶面族。 熱傳導(dǎo)率：在礦物中最大，是石英玻璃的100倍。 解理性：111晶面之間具有特殊的層疊結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)距離晶面間的連接極易打斷形成解理。沿此面易切割成型，但抗沖擊能力差，刃口不能碰撞。斷續(xù)切削盡量避免用此面承載。,金剛石刀具材料的要求,選材金剛石刀具材料要求晶形完整、飽滿，沒有驟然凸起和凹坑，具有

17、高的透明度，無色或均勻淡黃顏色，光澤均勻。金剛石材料有裂紋和雜質(zhì)時(shí)會(huì)引起顏色的變化。 金剛石的主要缺陷有裂紋、雜質(zhì)包裹體、孿生晶體、不完整或畸形晶體等。金剛石有無裂紋是可以可看出來的。 刀刃部分絕不能有任何缺陷。刀尾部分允許部分雜質(zhì)。 金剛石刃磨困難，注意選用時(shí)的外形和尺寸使需取除的余量達(dá)到最小。,金剛石刀具材料的定向技術(shù),金剛石材料由于各向異性的緣故，須先進(jìn)行晶體定向，選擇出合適的晶面作前后刀面。 定向的方法有人工目測(cè)定向、X射線定向、激光晶體定向。,刀頭形式,金剛石刀具因?yàn)槠淠p與崩刃影響表面粗糙度問題，一般不采用主副刃相交為一點(diǎn)的尖銳刀尖，而采用過渡刃結(jié)構(gòu)，達(dá)到保護(hù)刀尖和修光加工表面。,

18、金剛石刀具的設(shè)計(jì),過渡刃的形式,直線修光刃：容易制造、刃磨、研磨，對(duì)刀要與進(jìn)給方向應(yīng)嚴(yán)格一致，可獲得Ra0.02m的加工表面粗糙度。修光刃長(zhǎng)度0.10.2mm。直線修光刃是國內(nèi)采用的主要形式，用以加工圓柱面，圓錐面和端平面。 圓弧修光刃：由于進(jìn)給量甚小，一般f0.02mm，圓弧修光刃留下的殘留面積極小，對(duì)粗糙度影響不大。圓弧修光刃對(duì)刀容易，使用方便，但較難制造和研磨。圓弧修光刃半徑R一般取為0.51.5mm。,金剛石刀具的設(shè)計(jì),車削球面或非球曲面，金剛石刀具必須是圓弧修光刃。 刀刃和加工表面接觸點(diǎn)是變化的，要求刀刃是精度很高的圓弧，而由于金剛石晶體的各向異性，不同位置的磨除率不等，因此研磨出精

19、確的圓弧修光刃非常困難。圓弧刃要有足夠的長(zhǎng)度，一般選圓弧包角90100。,前角,金剛石較脆，在保證粗糙度要求的前提下為增強(qiáng)刀刃的強(qiáng)度，應(yīng)采用較大的刀具楔角，前角和后角都取得較小。 前角。根據(jù)加工材料選。塑料2.55； 硫化鋅、硒酸鋅15；鋁合金、銅、玻璃鋼 05；鍺、硅25；陶瓷玻璃1520；磷酸二氫鉀晶體45。,后角。,后角增大可減少刀具后刀面和已加工表面的摩擦，減少表面粗糙度。但為保證刀刃強(qiáng)度，一般取o = 58。 加工球面和非球曲面的圓弧修光刃刀具，常取o 8。 一個(gè)例子是美國Contour公司的標(biāo)準(zhǔn)金剛石車刀。采用圓弧修光刃，R0.51.5mm，后角10，刀具前角根據(jù)加工材料選用。,金

20、剛石刀具前后面的晶面選擇,金剛石材料具有各間異性，各晶面的差別明顯，刀具前后面的晶面選擇按照硬度、耐磨性、微觀強(qiáng)度、解理破碎，研磨難易程度等因素考慮。 1）國內(nèi)金剛石刀具采用（110）晶面或者和（110）晶面相近的面（35）作為前后刀面。從易于研磨考慮。 2）國外金剛石刀具多數(shù)不公布其刀具前、后刀面的晶面選擇。有選用（100）晶面的，也有（110）晶面。選用（111）晶面的很少。,晶面的選擇,選（110）晶面的理由刀具的研磨效率高，易研出鋒銳的刀刃，如切鋁，摩擦系數(shù)較低。 選（100）晶面的理由明顯增大刀刃的微觀強(qiáng)度，延長(zhǎng)刀具壽命，微觀破損強(qiáng)度高于（100）晶面，破損的概率低于（110）晶面，對(duì)加工鋁、銅等金屬56，56，楔角90，前后刀面均可為（100）晶面，可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持刃口鋒銳。,車刀結(jié)構(gòu),金剛石固定在小刀頭小刀頭用螺釘或壓板固