精密和超精密加工.pdf

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1、20092009- -7 7- -2626 ?姜春晓姜春晓 ?20052005年年8 8月月 Precision and ultraprecision machining 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术 20092009- -7 7- -2626 教材：袁哲俊、王先逵主编教材：袁哲俊、王先逵主编 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术机械工业出版社机械工业出版社 ?学时：学时：5050 ?课程安排：机课程安排：机032032 ?周三上午周三上午1 1、2 2节节 ?周五上午周五上午3 3、4 4节（单周）节（单周） 参考材料： 1、张建华主编精密与特种加工技术 2、於贻琛精密机床

2、20092009- -7 7- -2626 1.1 1.1 精密和超精密加工的技术内涵精密和超精密加工的技术内涵 1.21.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 1.41.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 第1章 精密和超精密加工精密和超精密加工 技术及其发展技术及其发展 20092009- -7 7- -2626 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工的加工范畴 ?精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶 段，通常，按加工精度划分，

3、可将机械加工分为一般段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般 加工、精密加工、超精密加工三个阶段。加工、精密加工、超精密加工三个阶段。 ?精密加工：加工精度在精密加工：加工精度在0.10.11 1 m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙 度在度在Ra0.02Ra0.020.10.1 m m之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工； ?超精密加工：加工精度高于超精密加工：加工精度高于0.10.1 m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙 度小于度小于Ra0.01Ra0.01 m m之间的加工方法称为超精密加工（之间的加工方法称为超精密加工（微微 细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等

4、细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等 ）。）。 1.1 精密和超精密加工的技术内精密和超精密加工的技术内涵涵 20092009- -7 7- -2626 1.1 精密和超精密加工的技术内精密和超精密加工的技术内涵涵 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（1） 热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光）热流动加工（高频电流、热射流、电子束、激光） 液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸）液体、气体流动加工（压铸、挤压、喷射、浇铸） 微粒子流动加工微粒子流动加工 热表面流动热表面流动 粘滞性流动粘滞性流动 摩擦流动摩擦流动变形加工变形加工 化学镀，气相镀化学镀，气相镀 氧化

5、，氮化氧化，氮化 电镀、电铸电镀、电铸 阳极氧化阳极氧化 蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延蒸镀（真空蒸镀），晶体生长，分子束外延 烧结，掺杂，渗碳烧结，掺杂，渗碳 浸镀，熔化镀浸镀，熔化镀 溅射沉淀，离子沉淀（离子镀）溅射沉淀，离子沉淀（离子镀） 离子溅射注入加工离子溅射注入加工 化学附着化学附着 化学结合化学结合 电化学附着电化学附着 电化学结合电化学结合 热附着热附着 扩散结合扩散结合 熔化结合熔化结合 物理附着物理附着 注入注入 结合加工结合加工 刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光刻蚀（曝光），化学抛光，软质粒子机械化学抛光 电解加工，电解抛光电解加工，电解抛光 电子束加

6、工，激光加工，热射线加工电子束加工，激光加工，热射线加工 扩散去除加工扩散去除加工 熔化去除加工熔化去除加工 粒子束溅射去除加工，等离子体加工粒子束溅射去除加工，等离子体加工 化学分解（气体、液体、固体）化学分解（气体、液体、固体） 电解（液体）电解（液体） 蒸发（真空、气体）蒸发（真空、气体） 扩散（固体）扩散（固体） 熔化（液体）熔化（液体） 溅射（真空）溅射（真空） 去除加工去除加工 加工方法加工方法加工机理加工机理分 分类类 20092009- -7 7- -2626 刃磨，成形，平面，内圆刃磨，成形，平面，内圆 平面，外圆，型面，细金属丝，槽平面，外圆，型面，细金属丝，槽 平面平面

7、各种材料各种材料 金属，半导体金属，半导体 金属，半导体金属，半导体 电解磨削电解磨削 电解抛光电解抛光 化学抛光化学抛光 复合加工复合加工 孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔孔，沟槽，狭缝，方孔，型腔 切断，切槽切断，切槽 模具型腔，大空，切槽，成形模具型腔，大空，切槽，成形 刻模，落料，切片，打孔，刻槽刻模，落料，切片，打孔，刻槽 在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔在玻璃、红宝石、陶瓷等上打孔 打孔，切割，光刻打孔，切割，光刻 成形表面，刃磨，割蚀成形表面，刃磨，割蚀 打孔，切断，划线打孔，切断，划线 划线，图形成形划线，图形成形 导电金属，非金属导电金属，非金属 导电金属导电金属 金属，非金属金属，非

8、金属 硬脆金属，非金属硬脆金属，非金属 绝缘金属，半导体绝缘金属，半导体 各种材料各种材料 各种材料各种材料 各种材料各种材料 金属，非金属，半导体金属，非金属，半导体 电火花成形加工电火花成形加工 电火花切割加工电火花切割加工 电解加工电解加工 超声波加工超声波加工 微波加工微波加工 电子束加工电子束加工 粒子束去除加工粒子束去除加工 激光去除加工激光去除加工 光刻加工光刻加工 特种加工特种加工 集成电路基片的外圆、平面磨削集成电路基片的外圆、平面磨削 平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片 平面、空、外圆加工，硅片基片平面、空、外圆加工，硅片基片 硅片基片硅片基片 刻槽，

9、切断，图案成形，破碎刻槽，切断，图案成形，破碎 黑色金属、硬脆材料黑色金属、硬脆材料 金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃 金属、半导体、玻璃金属、半导体、玻璃 金属、非金属金属、非金属 金属、玻璃、水晶金属、玻璃、水晶 微细磨削微细磨削 研磨研磨 抛光抛光 弹性发射加工弹性发射加工 喷射加工喷射加工 磨料加工磨料加工 熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金熔断钼、钨等高熔点材料，硬质合金 球，磁盘，反射镜，多面棱镜球，磁盘，反射镜，多面棱镜 油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板油泵油嘴，化学喷丝头，印刷电路板 各种材料各种材料 有色金属及其合金有色金属及其合金 低碳钢、铜、铝低碳钢、铜、铝 等离子体切

10、削等离子体切削 微细切削微细切削 微细钻削微细钻削 切削加工切削加工 应应用用可加工材料可加工材料加工方法加工方法分分类类 精密和超精密加工方法分类（精密和超精密加工方法分类（2） 20092009- -7 7- -2626 镜镜 面面 研研 磨磨 镜镜 面面 磨磨 削削 镜镜 面面 切切 削削 压电滤波器基片压电滤波器基片 SAWSAW元件基片元件基片 半导体基片半导体基片 各种模具各种模具 SORSOR用用X X射线光学元件射线光学元件 激光核聚变用各种光学元激光核聚变用各种光学元 件件 投影透镜投影透镜 水晶水晶LiTaO3LiTaO3 LiNbO3LiNbO3 GGGGGG SiSi、

11、GaAsGaAs 精细陶瓷精细陶瓷 CVDCVD SiCSiC膜膜 玻璃玻璃 基于理论分析的平面研磨机基于理论分析的平面研磨机 大口径光学元件用研磨机大口径光学元件用研磨机 液中研磨机、液中研磨机、EEMEEM装置、装置、 浮法抛光张之、浮法抛光张之、P PMACMAC抛光抛光 装置装置 NCNC化化CAMCAM化化 沥青抛光盘、石沥青抛光盘、石 蜡抛光盘、合成树脂蜡抛光盘、合成树脂 抛光盘抛光盘 微细磨料、软质磨微细磨料、软质磨 料、易微细化的磨料料、易微细化的磨料 软质工具的采软质工具的采 用：氟化树脂发泡体用：氟化树脂发泡体 跑关盘、液体工具跑关盘、液体工具 EEMEEM及浮动抛光及浮动

12、抛光 磁头磁头 红外用光学元件红外用光学元件 非球面玻璃透镜非球面玻璃透镜 各种模具各种模具 铁氧体铁氧体 精细陶瓷精细陶瓷 超硬合金超硬合金 GeGe、SiSi 玻璃玻璃 树脂结合剂金刚石树脂结合剂金刚石 砂轮添加砂轮添加Mo2S2Mo2S2、 WS2WS2、C C等等 铸铁基金刚石砂铸铁基金刚石砂 轮采用电解腐蚀修整轮采用电解腐蚀修整 磁盘基板磁盘基板 各种模具各种模具 各种发射镜各种发射镜 红外用光学元件红外用光学元件 激光核聚变用光学元件激光核聚变用光学元件 X X射线天体望远镜用元件射线天体望远镜用元件 AlAl、CuCu、塑料等软质材料、塑料等软质材料 无电解无电解NiNi膜膜Ge

13、Ge，SiSi KDPKDP、 LiNbO3LiNbO3、玻璃、玻璃 采用空气轴承、流体轴承及采用空气轴承、流体轴承及 空气道轨等的高精度化空气道轨等的高精度化 高刚度化高刚度化 冷却、空调、防振冷却、空调、防振 采用高速运算装置控制采用高速运算装置控制 高刚度化的新方案：高刚度化的新方案： TetraformTetraform结构球壳结构结构球壳结构 金刚石刀具刃口锋金刚石刀具刃口锋 利化利化 利用利用CBNCBN刀具切刀具切 削钢削钢 金刚石刀具得结晶金刚石刀具得结晶 方位选择方位选择 金刚石刀具刃口评金刚石刀具刃口评 价改进型价改进型SEMSEM 用途、零件等用途、零件等材料材料加工装置

14、加工装置 工具等工具等 精密切削、磨削、研磨实例精密切削、磨削、研磨实例 20092009- -7 7- -2626 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、 加工尺寸范围和几何形状是一个国家制造技术水 平的重要标志之一。例如：金刚石刀具切削刃钝 圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关 键技术参数，日本声称已达到2nm，而我国尚处 于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微 粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水 平有了大幅度提高

15、，突出地解决了超精密磨削磨 料加工效率低的问题。 20092009- -7 7- -2626 1.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用 精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 作为制造技术的主战场，作为真实产品的实 际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术， 例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要 在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力， 应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了 计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的 汽车制造业的“两毫米工程”使汽车质量赶上 欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技

16、术。 20092009- -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 国防工业上的需求国防工业上的需求 超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的加工涉 及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中 率，1kg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005m，则 会引起100m的射程误差和50m的轨道误差。 大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m，形状精度为 0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140亿光年的天体 （六轴CNC研磨抛光机 ）（图）。 红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为1m， 表面粗糙度为Ra0.01m，其加工精度

17、直接影响导弹的引爆距 离和命中率。 激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m，表面粗糙 度小于Ra0.01m，其质量直接影响激光的光源性能。 20092009- -7 7- -2626 服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系 宇宙深处的星体银河系环形星群 20092009- -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 信息产品中的需求信息产品中的需求 计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都 需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、 复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多 面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精 密加工，才能达到质量要求。 20092009-

18、 -7 7- -2626 1.3 1.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求 民用产品中的需求民用产品中的需求 现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、 照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透 镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射 镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密 加工床、设备和装置当然更需要超精密加工技 术才能制造。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 国内外现状国内外现状 (1)美国是开展研究最早的国家。 (2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快 的国家 。 (3)我国的超精密加工技术在70年

19、代末期有了长 足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超 精密机床和部件。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工机理加工机理 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超 精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高 速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非 传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等 高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花 和电化学加工等多种方法，特别是复合加工，如 磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨 等，在加工机理上均有所创新。 20092

20、009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 被加工材料被加工材料 用精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、 物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求。例如， 要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部 微观缺陷；其化学成分的误差应在10-210-3 数量 级，不能含有杂质；其物理力学性能，如拉伸强度、 硬度、延伸率、弹性模量、热导率和膨胀系数等应达 到10-510-6数量级；材料在冶炼、铸造、辗轧、热 处理等工艺过程中，应严格控制熔渣过滤、辗轧方 向、温度等，使材质纯净、晶粒大小

21、匀称、无方向 性，能满足物理、化学、力学等性能要求。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 (1)高精度。 (2)高刚度。 (3)高稳定性。 (4)高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、 导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关， 应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等 也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及

22、发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 加工工具加工工具 加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金 刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石 刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2 4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削 厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口 钝圆半径应为2nm。 磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削， 这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通 常，采用粒度为W20W0.5的微粉金刚石，粘接剂采 用树脂、铜、纤维铸铁等。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状

23、及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 检测与误差补偿检测与误差补偿 尺寸和形位精度可用电子测微仪、电感测微仪、电容测微 仪、自准直仪和激光干涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、 压电晶体式表面形貌仪等进行接触测量，或用光纤法、电容 法、超声微波法和隧道显微镜法进行非接触测量；表面应力、 表面变质层深度、表面微裂纹等缺陷，可用X光衍射法、激光 干涉法等来测量。检测可采取离线的、在位的和在线的三种方 式。 误差预防通过提高机床制造精度、保证加工环境条件等来 减少误差源及其影响；误差补偿是在误差分离的基础上，利用 误差补偿装置对误差值进行静态和动态补偿，以消除误差本身 的影

24、响。静态误差补偿是根据事先测出的误差值，在加工时通 过硬件或软件进行补偿；动态误差补偿是在在线检测基础上， 在加工时进行实时补偿。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 影响精密和超精密加工的因素影响精密和超精密加工的因素 工作环境工作环境 环境温度可根据加工要求控制在1 0.02，甚至达到0.0005。 在恒温室内，一般湿度应保持在55%60%， 防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器， 如激光干涉仪的零点漂移等。 洁净度要求1000100级，100级是指每立方 英尺空气中所含大于0.5m的尘埃不超过100 个，依此类推

25、。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 技术发展趋势技术发展趋势 超精密加工技术的发展趋势是：向更高精 度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方 向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向 多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精 密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初 十年将是超精密加工技术达到纳米加工技术的 关键十年。 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 主要研究内容主要研究内容 (1)超精密加工的加工机理。“进化加工”及“超越性加 工”机理

26、研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴 内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材 料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提 示性研究。 (2)超精密加工设备制造技术。纳米级超精密车床工 程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴 系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究； 超精密机床总成制造技术研究。 20092009- -7 7- -2626 OAGM2500LODTM 20092009- -7 7- -2626 1.4 1.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势 主要研究内容主要研究内容 (3)超精密加工刀具、磨具及刃磨技术。金刚石刀具 及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其

27、修整技术研究。 (4)精密测量技术及误差补偿技术。纳米级基准与传 递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿 技术研究；测量集成技术研究。 (5)超精密加工工作环境条件。超精密测量、控温系 统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排 屑装置及相关技术的研究。 20092009- -7 7- -2626 ?你认为我国要发展精密和超精密加工技你认为我国要发展精密和超精密加工技 术，应重点发展哪些方面内容？术，应重点发展哪些方面内容？ 课后思考题 20092009- -7 7- -2626 20092009- -7 7- -2626 ?姜春晓姜春晓 ?20052005年年8 8月月 Precis

28、ion and ultraprecision machining 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术 20092009- -7 7- -2626 第第2 2章章 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具 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 25m后， h0值将随着背 吃刀量的增加而增加。 2.2 2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律 2、进给量f和背吃刀量的影响2、进给量f和背吃刀量的影响 p 20092009- -7 7- -2626 积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。

29、 与普通切削规律正好相反。 2.2 2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律 1、对切削力的影响1、对切削力的影响 二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 20092009- -7 7- -2626 1 1）积屑瘤前端积屑瘤前端R R大约大约 2 23 3mm，实际切，实际切 削力由刃口半径削力由刃口半径R R 起作用，切削力明起作用，切削力明 显增加显增加。 2 2）积屑瘤与切削层和）积屑瘤与切削层和 已加工表面间的摩已加工表面间的摩 擦力增大，切削力擦力增大，切削力 增大。

30、增大。 3 3）实际切削厚度超过）实际切削厚度超过 名义值，切削厚度名义值，切削厚度 增加增加 h h D D- -h h DuDu，切削 ，切削 力增加。力增加。 2.2 2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律 切削模型分析切削模型分析 实际切削厚度 20092009- -7 7- -2626 积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并积屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。并 且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。且可以看出，切削液减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。 2.2 2.2 超精密切削时积屑瘤的生成规律 二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤

31、对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响二、积屑瘤对切削力和加工表面粗糙度的影响 2、对加工表面粗糙度的影响2、对加工表面粗糙度的影响 20092009- -7 7- -2626 由图由图2 2- -1212知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗知，在有切削液的条件下，切削速度对加工表面粗 糙度的影响很小。糙度的影响很小。 图图2 2- -1313说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工说明，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工 表面表面镜面。镜面。 2.3 2.3 切削参数变化对加工表面质量的影响 1、切削速度的影响1、切削速度的影响 一、切削速

32、度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响一、切削速度、进给量、修光刃和背吃刀量的影响 20092009- -7 7- -2626 在进给量在进给量f 时，被切材料和刀刃刃口圆弧无相 对滑移，才能形成切削被切除，即 )(NN sincos)( yx FFN A点为极限临界点，极限最小切削厚度应为minD h 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。 minD h x y F F 2.5 2.5 超精密切削时的最小切削厚度 一、刀刃刃口半径和最小切削厚度

33、的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续） () + + + = + + = + = 2 22 222 min 11 1 )1)( 1 tan1 1 1)cos1 ( x y x y yx xy D F F F F FF FF h 20092009- -7 7- -2626 0.3770.3774545钢钢YG8YG8 0.350 0.350 Q235Q235钢钢YG8YG8 0.2740.2744545钢钢W18Cr4VW18Cr4V 0.248 0.248 Q235Q235钢钢W18Cr4V W

34、18Cr4V 最小切削厚度最小切削厚度被切材料被切材料刀具刀具 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34nm。 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： x y F F xy FF9 . 0= nmhD1 min = 2.5 2.5 超精密切削时的最小切削厚度 一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚

35、度的关系（续）一、刀刃刃口半径和最小切削厚度的关系（续） 20092009- -7 7- -2626 1）（100）晶面的摩擦系 数曲线有4个波峰和波 谷；（110）晶面有2个波 峰和波谷；（111）晶面 有3个波峰和波谷； 2）（100）晶面的摩擦系 数最低；（110）最高； 3）（100）晶面的摩擦系 数差别最大；（111）晶 面最小。 2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响 一、金刚石晶体的摩擦系数一、金刚石晶体的摩擦系数一、金刚石晶体的摩擦系数一、金刚石晶体的摩擦系数 20092009- -7 7- -2626 1号车刀：前、后面为（100）晶面； 2号车刀：前、后面为（110

36、）晶面。 比较切削变形大小要通过观察切屑外形，测量切屑系数和比较剪切角大小。 （一）通过观察两把刀切下的外形，切屑的厚度，切屑上滑移线痕迹等，1号车刀 切下的切屑变形小于2号车刀切下的切屑变形。 （二）通过实测两把刀的切屑厚度，计算出的切屑变形系数，1号车刀切下切屑的 变形系数小于2号车刀切下的切屑的变形系数。 （三）剪切角的计算：假设切削过程为直角自由切削 式中为变形系数，为前角。 从表2-5中可以看出，1号车刀的实际剪切角大于2号车刀， 即用（100）晶面的1号车刀切屑时的切屑变形小于用（110） 晶面的2号车刀。 0 0 sin cos tan = h h 0 二、晶面不同对切削变形的影

37、响二、晶面不同对切削变形的影响二、晶面不同对切削变形的影响二、晶面不同对切削变形的影响 2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响 20092009- -7 7- -2626 用（100）晶面的1 号车刀和（110）晶 面的2号车刀，在 相同的切削条件下 加工紫铜，改变进 给量得到的加工表 面粗糙度相差不 多。 这两把车刀车出的表面都有残余压应力，用（100）晶面的1号车刀切 出的表面层残余压应力小于用（110）晶面的2号车刀车出的。所以用摩 擦系数小的（100）晶面作金刚石刀具的前、后面，可使切削变形减小， 并可减小后面与加工表面间的摩擦，从而减小加工表面残余应力。 三、晶面不同对加工表

38、面质量的影响三、晶面不同对加工表面质量的影响三、晶面不同对加工表面质量的影响三、晶面不同对加工表面质量的影响 2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响 20092009- -7 7- -2626 通过对比实验，（110）晶面的刀具磨损较快，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。 四、晶面不同对刀具磨损的影响四、晶面不同对刀具磨损的影响四、晶面不同对刀具磨损的影响四、晶面不同对刀具磨损的影响 2.6 刀具晶面选择对切削变形和加工表面的影响 20092009- -7 7- -26

39、26 ?1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。 ?2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现 超薄切削厚度。 ?3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面 上，从而得到超光滑的镜面。 ?4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系 数低，以得到极好的加工表面完整性。 ?不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求一、超精密切削对刀具的要求 20092009- -7 7- -2626 ?硬度最高，各向异性，不同晶向的物

40、理性能相差很大。 ?优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面 体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、 无缺陷。 ?大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并 且要求很长的晶体生长时间。 ?人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能二、金刚石晶体的性能 20092009- -7 7- -2626 晶胞晶胞 晶格模型晶格模型晶格模型晶格模型 晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。 晶体结构不 同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中 原子或分子的排列情况

41、，通常把原子抽象为几何点，并用 许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架 称为晶格。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构三、金刚石晶体的结构 1、晶体结构1、晶体结构 20092009- -7 7- -2626 晶胞晶胞晶胞晶胞 X Y Z a b c 晶格常数晶格常数 a，b，c 组成晶格的最小几何单元称为 晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称 为晶格常数，晶胞各边之间的相 互夹角分别以、表示 组成晶格的最小几何单元称为 晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称 为晶格常数，晶胞各边之间的相 互夹角分别以、表示 。 根据6个

42、参数间的相互关系，可 将全部空间晶格归属于7种类型， 即7个晶系：三斜、单斜、正交、 六方、菱方、四方、立方；金刚 石属于六方晶系。 根据6个参数间的相互关系，可 将全部空间晶格归属于7种类型， 即7个晶系：三斜、单斜、正交、 六方、菱方、四方、立方；金刚 石属于六方晶系。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 20092009- -7 7- -2626 X Y Z a b c 晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原 子面。 晶轴：与晶面垂直的轴 晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上的原 子面。 晶轴：与晶面垂直的轴 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 2、晶体

43、中的晶面和晶轴2、晶体中的晶面和晶轴 20092009- -7 7- -2626 晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数晶体中的晶面指数: : : : 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 晶体中原子排列的规律性，可以从晶面上反映出来。许多性 能都和晶体中的特定晶面密切联系，为了便于研究和表述不同 晶面上原子排列情况与特征，给各种晶面规定一定的符号，这 种符号叫做“晶面指数” 。 确定晶面指数的步骤如下： （1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱 边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的 三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴

44、上 的截距。 （2）将所得三截距之值变为倒数。 （3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括 号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。 晶向指数 20092009- -7 7- -2626 晶面指数的例子晶面指数的例子 晶面指数的意义： 晶面指数所代表的不仅是 某一晶面，而是代表着 一 组相互平行的晶面。 在晶体内凡晶面间距和晶 面上原子的分布完全相 同，只是空间位向不同的 晶面可以归并为同一晶面 族，以h k l表示。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 20092009- -7 7- -2626 根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面 （100）、（111

45、）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与 （111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。 规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面 体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。 八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个 （110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴 20092009- -7 7- -2626 面网距面网距 面网密度面网密度 （致密度）（致密度）

46、 3x1/6+3x1/2=23x1/6+3x1/2=24x1/4+2x1/2+2=44x1/4+2x1/2+2=44x1/4+1=24x1/4+1=2原子数原子数 面积面积 面网的最小单元面网的最小单元 （111111）（110110）（100100） 晶面晶面 （面网）（面网） 2 D 2 2D2/3 2 D 2 /2 D 2 2/4D 22 3/ 4) 2/3/(2DD= D金刚石晶体中单位晶胞的棱边长 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距 20092009- -7 7- -2626 解理现象是某些晶体

47、特有的现象，晶体受到定向的机械力作用 时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。 （111）面的宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶 面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需 击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面 （111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现 象直接有关。 2.7 刀具的要求及金刚石的性能和晶体结构 5、金刚石晶体的解理现象5、金刚石晶体的解理现象 20092009- -7 7- -2626 1) A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差 90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x10 5m3/(Nms1)； 2) B(110)

48、晶面，磨削率有2个峰值，各相差 180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x10 5m3/(Nms1)； 3) C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差 120度。高磨削方向的磨削率K为： 1x10 5m3/ /(Nms1)。 可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的 磨削率最高，最易磨削； (100)次之， (111) 最低。 高磨削率方向称为“好磨方向”，低 磨削率方向称为“难磨方向”。 2.8 2.8 金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向 一、金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向一、金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向一、金刚石晶体各晶面的

49、耐磨性、好磨难磨方向一、金刚石晶体各晶面的耐磨性、好磨难磨方向 20092009- -7 7- -2626 1)(110)1)(110)晶面摩擦系数最大，晶面摩擦系数最大， (100) (100) 晶面晶面 次之，次之，(111)(111)晶面最小。晶面最小。 2) (100) 2) (100) 晶面有晶面有4 4个波峰和波谷，个波峰和波谷， (110)(110) 晶面有晶面有2 2个波峰和波谷，个波峰和波谷， (111) (111) 晶面有晶面有3 3 个波峰和波谷。个波峰和波谷。 3)3)摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数摩擦系数高时磨削率亦高，摩擦系数 低时磨削率也低。摩擦系数曲线的波峰低时磨削率也低。摩擦系数