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1、精密机械制造工程,烟台大学 机电汽车工程学院 机械制造学科组,4.4 超精密车削加工,超精密切削是使用精密的单晶天然金刚石刀具加工有色金属和非金属，可以直接加工出超光滑的加工表面(粗糙度Ra0.020.005m，加工精度0.01m)。 用于加工：陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等。 超精密切削也是金属切削的一种，当然也服从金属切削的普遍规律。 金刚石刀具的超精密加工技术主要应用于单件大型超精密零件的切削加工和大量生产中的中小型超精密零件加工。,通过对比实验，（110）晶面的刀
2、具磨损较快，切削相当时间后，加工表面的粗糙度已经超过0.05m；（100）晶面的刀具磨损较慢，切削较长时间后，加工表面粗糙度仍0.05m，即刀具耐用度明显较高。,1)晶面的选择,应考虑因素：刀具耐磨性好；刀刃微观强度高，不易产生微观崩刃；刀具和被加工材料间摩擦系数低，使切削变形小，加工表面质量高；制造研磨容易。（111）不适合作前后面。 推荐采用（100）晶面作金刚石刀具的前后面，理由如下： 1)（100）晶面的耐磨性高于（110）晶面； 2 )（100）晶面的微观破损强度高于（110）晶面，（100）晶面受载荷时的破损机率比（110）晶面低很多； 3 ) （100）晶面和有色金属之间的摩擦系
3、数要低于（110）晶面的摩擦系数。,分析：在极限临界点A的受力变形情况：在A点处工件受水平和垂直力作用，此两力可分解为A点处的法向力N和切向力 ，则N力和 力可用下式计算 化简后得,2）超精密切削时的最小切削厚度,在实际摩擦力 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相对滑移，才能形成切屑被切除，即,A点为极限临界点，极限最小切削厚度 应为,当刀刃刃口半径 为某值时，切下的最小切削厚度 和临界点处的 比值有关，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。,根据经验，A点处的 比值一般在0.81范围内，对于金刚石刀具进行超精密切削，取 。,使用极锋锐的刀具和机床条件最佳的情况下，金刚石刀具的超精密切削，可实现切削厚
4、度为纳米（nm）级的连续稳定切削。 要使最小切削厚度 ，可估算金刚石刀具刃口半径 为24nm。 用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，达到的最小切削厚度值为：,普通切削的切削深度一般远远大于材料的晶粒尺寸，切削加工以数十计的晶粒团为加工单位，在切应力的作用下从基体上去除金属。 而超精密切削的切削层很薄或尺寸很小，切削深度和进给量必然非常小，特别是亚微米和纳米级的超精密切削，切削深度通常小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，刀具切削要克服的是晶粒内部非常大的原子结合力，刀具上的切削力急剧增大；这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，在晶粒内部大约1m左右的间隙内就有一个位错缺陷，所以超精
5、密切削是一种断续切削。,（1）材料的微观缺陷对超精密切削的影响,3)超精密切削机理,切削力微小，单位切削力大；切削力随切削深度的减小而增大，而在切削很小时切削力却急速上升。这是切削力的尺寸效应。 由于切削刃刃口圆弧半径的存在，切削刃在纳米量级切削时刀具实际工作前角为负角，切削过程伴随着强烈的挤压摩擦，使切削变形增大，故切削时的单位切削力大；同时，由于超精密切削往往在晶粒内部进行，切削力必须大于晶体内部的分子、原子结合力，因而使单位切削面积上的切削力急剧增大。,（2）超精密切削的切削力特性,切削深度越小，切削力越大,1.金刚石刀具的结构和几何参数,图4-11,图4-12,2.机床的精度、刚度和微
6、位移,超精密机床是实现超精密切削的首要条件，金刚石超精密切削机床应具有较高的精度、刚度和稳定性。其机床主轴的回转精度也是影响金刚石超精密切削质量的主要因素，因此，主轴应采用空气或液体静压轴承，以取其流体薄膜均匀的优点，使其回转精度高于0.05m。此外，还要采用相应的精密导轨及精密微量进给机构。还应有恒温、恒湿、净化和抗振条件，才能保证加工质量。,3.切削用量,1）、切削速度的影响,不管在多大的切削速度下都有积屑瘤生成，切削速度不同，积屑瘤的高度也不同。当切削速度较低时，积屑瘤高度较高，当切削速度达到一定值时，积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。,超精密切削时实际切削速度，可根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。,由图可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在f5m/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。(f=0.010.05mm/r) 由图所示，在切削深度 25m后， h0值将随着切削深度的增加而增加。 (p=0.0050.05mm),