超精密切削与金刚石刀具课件

第二章第二章 超精密切削与金刚石刀具超精密切削与金刚石刀具使用高精度机床和精密天然单晶金刚石刀具进行的切削称为单单点点金金刚刚石石刀刀具具切切削削（Single Point Diamond Turning，SPDT）。SPDT主要用于有色金属（铜、铝及其合金）和非金属材料的精密/超精密加工，可直接切出超光滑表面，Ra0.020.05m。SPDT切切削削也也服服从从金金属属切切削削的的普普遍遍规规律律，但但同同时时也也有有不不少少特特殊殊规规律律。这这是是由由金金刚刚石石刀刀具具的的特特殊物理化学性能殊物理化学性能和和切削层极薄切削层极薄等因素造成的。等因素造成的。一、超精密切削时刀具切削速度、磨损和耐用度一、超精密切削时刀具切削速度、磨损和耐用度二、超精密切削积屑瘤的生成规律二、超精密切削积屑瘤的生成规律三、切削参数变化对加工表面质量的影响三、切削参数变化对加工表面质量的影响四、刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响四、刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响五、超精密切削的最小切削厚度五、超精密切削的最小切削厚度目目 录录六、超精密切削对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构六、超精密切削对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构七、金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向七、金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向八、单晶金刚石刀具的磨损破损机理八、单晶金刚石刀具的磨损破损机理九、金刚石晶体的定向九、金刚石晶体的定向十、金刚石刀具的设计与制造十、金刚石刀具的设计与制造一、超精密切削时刀具切削速度、磨损和耐用度一般，切削速度是影响刀具耐用度最主要因素。但但对金刚石刀具切削，切削速度的高低对金刚石切削速度的高低对金刚石刀具的磨损影响较小刀具的磨损影响较小，刀具的耐用度极高刀具的耐用度极高。原因：金刚石硬度极高，耐磨性好，热传导系数高，摩擦系数低。金刚石刀具的寿命一般以切削路程（切削路程（Km）表示。表示。加工有色金属，刀具寿命可达到数百公里可达到数百公里。但实但实际使用中常常由于切削振动或刀刃碰撞引起切削际使用中常常由于切削振动或刀刃碰撞引起切削刃产生微小崩刃而不能继续使用。刃产生微小崩刃而不能继续使用。天然单晶金刚石刀具只能用在机床主轴转动非常平稳的高精度车床上，否则由于振动金刚石刀具将会很快产生刀刃微观崩刃。金刚石刀具用于超精密切削，破损或磨损而不能继续使用的标志为加工表面粗糙度超过规定值加工表面粗糙度超过规定值。超精密切削速度的选择超精密切削速度的选择是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，即选择振动最选择振动最小的转速小的转速。二、超精密切削积屑瘤的生成规律不同的切削速度下都产生积屑瘤。切削速度较低，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。一）切削参数对积屑瘤的影响一）切削参数对积屑瘤的影响1 1、切削速度的影响、切削速度的影响2、进给量 f 的影响在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。规律见图。在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。规律见图。3、背吃刀量 ap 的影响在背吃刀量 25m后，h0值将随着背吃刀量的增加而增加。积屑瘤高时切削力也大，积屑瘤小时切削力也小。与普通切削规律正好相反。分析：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1、积屑瘤对切削力的影响、积屑瘤对切削力的影响1）积屑瘤前端实际切削力由刃口半径R起作用，切削力明显增加。2）积屑瘤与切削层和已加工表面间的摩擦力增大，切削力增大。3）实际切削厚度超过名义值，切削厚度增加 hD-hDu，切削力增加。切削模型分析切削模型分析实际切削厚度实际切削厚度积屑瘤大表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小切削液可减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度2、积屑瘤对加工表面粗糙度的影响三、切削参数变化对加工表面质量的影响切削速度对加工表面粗糙度的影响很小，不同切削速度下均得到表面粗糙度极小的加工表面镜面。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1、切削速度的影响进给量越大，表面粗糙度越大。进给量f5m/r时，均达到Rmax N 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hDmin应为n最小切削厚度hDmin和刃口半径、临界点处的 比值，并和刀具工件材料之间的摩擦系数有关。根据经验，A点处Fx/Fy比值一般在0.81之间，对于金刚石刀具进行超精密切削，取 Fx=0.9Fy。实测金刚石和铝合金之间摩擦系数为0.060.13（随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化），切削中摩擦系数可假设为上述数值的两倍，即0.120.26。则有 hDmin=0.2490.322现在我国生产中使用的金刚石刀具刀刃锋锐度约为0.20.5m，特殊精心研磨可以达到0.1m以下。六、超精密切削对刀具的要求及金六、超精密切削对刀具的要求及金刚石性能和晶体结构刚石性能和晶体结构一）超精密切削对刀具的要求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。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。n不可替代的超精密切削刀具材料：不可替代的超精密切削刀具材料：天然单晶金刚石天然单晶金刚石优质天然单晶金刚石多数为8面体和12面体，少数为6面体或其他晶形，无杂质无杂质，无缺陷无缺陷。制作刀具需要0.51.5克拉大颗粒金刚石。（1克拉=0.2g）二）金刚石刀具的性能特点极高的硬度极高的硬度，维氏硬度达HV10000。极高的耐磨性极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石为硬质合金的60-80倍。刀刃非常锋利刀刃非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米级。摩擦系数低摩擦系数低，金刚石与一些有色金属之间摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半。导热性能高导热性能高，导热系数为硬质合金的1.5-9倍，铜的2-6倍。热胀系数低热胀系数低，热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10，因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形。各向异性各向异性，单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行晶体定向刀具时，必须进行晶体定向。解理现象解理现象金刚石的物理性能金刚石的物理性能硬 度600010000(随晶体方向和温度而有所差别)WC:2400 Al2O3:2200 TiC:3200SiC:3500 CBN:60008500抗弯强度210490 MPa抗压强度15002500 MPa弹性模量(910.5)1011 N/m2导热系数(24)418.68 W/(m.K)和铝合金、黄铜之间的摩擦系数0.060.13开始氧化温度9001000K晶体晶体：结构微粒在微观空间里呈周期性有序排列1、晶体结构、晶体结构晶胞晶胞：构成晶体的最基本的几何单元。整块晶体可以看成是无数晶胞无隙并置无隙并置而成。为便于研究晶体中原子的排列情况，常把原子抽象为几何点，并用假想直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格晶格。三）金刚石的晶体结构晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 各边尺寸各边尺寸a、b、c称为晶称为晶格常数，各边夹角分别格常数，各边夹角分别以以、表示表示。根据根据6 6个参数间的相互关个参数间的相互关系，可将全部空间晶格系，可将全部空间晶格归属于归属于7 7种类型：三斜、种类型：三斜、单斜、正交、六方、菱单斜、正交、六方、菱方、四方、立方。金刚方、四方、立方。金刚石属于六方晶系。石属于六方晶系。晶面：通过原子中心的平面，即晶面：通过原子中心的平面，即晶体中各种方位上晶体中各种方位上的原子面。的原子面。晶轴：与晶面垂直的轴晶轴：与晶面垂直的轴2、晶体中的晶面和晶轴、晶体中的晶面和晶轴XYZabc晶面指数晶面指数:为了便于研究和表述，给各种晶面规定一定的符号晶面指数。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）。晶面指数的例子晶面指数的例子3、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴金刚石有三个主要的晶面（100）、（111）、（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（110）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，均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。六面体是由6个（100）晶面围成外表面，（100）晶面的法线方向是四次对称轴；两对应角的连线是三次对称轴，和三次对称轴垂直的是（111）晶面；每两对棱的中点连线方向是二次对称轴，和二次对称轴垂直的是（110）晶面。八面体有八个（111）晶面围成外表面。（111）晶面的法线是三次对称轴（图b）。两个对应四个面相交点的连线是四次对称轴，和四次对称轴垂直的各面为（100）晶面（图a）。每两相对棱边的中点的连线是二次对称轴，和二次对称轴垂直的是（110）晶面（图c）。八面体的晶轴和晶面菱形十二面体由12个（110）晶面围成外表面,（110）晶面的法线方向是二次对称轴。两个对应三个面交点的连线是三次对称轴，和三次对称轴垂直的是（111）晶面。两个对应四个面交点的连线是四次对称轴，和四次对称轴垂直的是（100）晶面。晶面晶面（面网）（面网）（100）（110）（111）面网的最小单元面网的最小单元面积面积原子数原子数4x1/4+1=24x1/4+2x1/2+2=43x1/6+3x1/2=2面网密度面网密度（致密度）（致密度）面网距面网距D金刚石晶体中单位晶胞的棱边长金刚石晶体中单位晶胞的棱边长4、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距、金刚石的晶面（面网）、致密度、面网距5、金刚石晶体的解理现象、金刚石晶体的解理现象解理现象：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。（100）与（110）面的面间距分布均匀；（111）面的面间距一宽一窄，宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中最大的一个，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。（111）面网C原子分布和解理劈开面劈开面金刚石的解理即沿解理面（111）平整的劈开。n金刚石的破碎、磨损都和解理现象有关。金刚石的破碎、磨损都和解理现象有关。七、金刚石晶体各晶面的耐磨性七、金刚石晶体各晶面的耐磨性和好磨难磨方向和好磨难磨方向一）金刚石晶体各晶面的耐磨性一）金刚石晶体各晶面的耐磨性金刚石晶体不同晶面耐磨性不同，并且同一晶面上不同方向耐磨性亦有很大差别，各晶面均有所谓“好磨”和“难磨”方向。金刚石晶体的摩擦系数：金刚石晶体具有强烈的各向异性，不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向磨削率K为：5.810-5m3/(Nms-1)；B(110)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：12.810-5m3/(Nms-1)；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：110-5m3/(Nms-1)。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。这三个晶面的低磨削率方向的磨削率都极低，研磨甚难。ABC习惯上把高磨削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为难磨方向”。从实验结果得到(100)、(111)和(110)晶面的好磨和难磨方向如图。(100)(111)(110)图图 金刚石各晶面的好磨难磨方向金刚石各晶面的好磨难磨方向 好磨方向好磨方向 难磨方向难磨方向实验结果表明，摩擦因数随金刚石晶面不同，研磨方向不同而有明显差异：1）研磨金刚石晶体时，(110)晶面摩擦因数最大，(100)晶面次之，(111)晶面最小。2）晶面的摩擦因数随摩擦方向不同而有明显差别。二）金刚石晶体研磨时摩擦因数的各向异性(100)面有4个波峰和波谷；(110)面有2个波峰和波谷；(111)面有3个波峰和波谷。3）金刚石晶体研磨时，各晶面各方向摩擦因数的变化规律和研磨时磨削率的变化规律非常一致，摩擦因数高时磨削率亦高，摩擦因数低时磨削率亦低。摩擦因数曲线的波峰方向即是“好磨方向”；摩擦因数曲线的波谷方向即是“难磨方向”。(100)(110)(111)八、单晶金刚石刀具的磨损破损机理八、单晶金刚石刀具的磨损破损机理一）一）单晶金刚石刀具磨损形态和微观崩刃的观察天然单晶金刚石刀具用于超精密切削，破损或磨损而不能继续使用的标志为加工表面粗糙度超加工表面粗糙度超过规定值过规定值。在扫描电子显微镜下观察刀具磨损的形态，经常发现刀具的机械磨损和微观崩刃。金刚石刀具磨损形态金刚石刀具磨损形态工件：氟化钙晶体刀具：天然金刚石，刀尖圆弧半径1mm，前角为0，后角为7Toshiba UGL-100C超精密车床ap=1m，f=1m/r，n=1000r/min，切削液为航空煤油SEM微观形貌国防科技大学陈浩锋工件：表面晶向为(111)晶面的单晶硅片刀具：金刚石，R(100)F(110)，刀尖圆弧半径为5mm，前角0，后角6，切削刃钝圆半径为3050 nmF=0.64m/r，ap=1.5m，n=800r/min，无冷却液SEM微观形貌哈尔滨工业大学崇文俊二）金刚石晶体的破损机理和微观强度大量的试验证明，金刚石晶体的破损破损主要产生于(111)晶面的解理。当垂直于(111)面的拉力超过某特定值时，两相邻的(111)面分离，产生解理劈开。磨损磨损是微观解理的积累。（？）对金刚石刀具来说，刀刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，故刀具设计前、后刀面选择晶面时，应该把不易产生解理破损作为重要的考虑因素。l当作用应力相同时，(110)面破损机率最大，(111)面次之，(100)面产生破损机率最小。即(110)面最易破损，(111)面次之，(100)面最不易破损。金刚石不同晶面在应力作用下产生破损的机率金刚石不同晶面在应力作用下产生破损的机率l因此，从增加刀刃的微观强度考虑，应选用微观强度最高的(100)晶面作为金刚石刀具的前面和后面。三）金刚石刀具的磨损的可能的机理热热-化学磨损化学磨损磨磨损损机机理理机械磨损机械磨损氧化反应氧化反应石墨化石墨化热裂解热裂解解理、破损、微裂纹解理、破损、微裂纹扩散磨损扩散磨损磨粒磨损、黏着磨损等磨粒磨损、黏着磨损等疲劳破坏疲劳破坏九、金刚石晶体的定向九、金刚石晶体的定向一）金刚石晶体的人工目测定向六面体是正方形。六个外表面及其平行面都是(100)晶面；与每两对棱的中点连线方向垂直的是(110)晶面；与两对应角连线相垂直的是(111)晶面。八面体八个外表面是等边三角形。八个外表面及其平行面都是(111)晶面，通过四个对称顶角的面是(100)晶面，通过两个对称顶角和两个对称边中点的面是(110)晶面。棱形十二面体十二个外表面呈棱形，是(110)晶面，与两个对应三个面交点连线垂直的是(111)晶面，与两个对应四个面交点的连线垂直的是(100)晶面。原理：用X射射线线照射，当X射线透过晶体或从晶体表面反射回来时，会发生衍射，能在荧光屏上观察到，能使照片底片感光。在满足反射的条件下，只有原子密集的晶面如(100)、(111)、(110)晶面反射的X光才能观察到衍衍射射图图像像。将金刚石放在X光束照射下，改变X光的入射角度，观察衍射图像的变化。当衍射图像中的光点出现4次、3次或2次对称现象时，X光束已经和金刚石的4次、3次或2次对称轴重合，确定了晶体的4次、3次或2次对称轴的方位，也就确定了(100)、(111)或(110)晶面的空间方位。二）金刚石晶体的X射线定向优点：定向精度高。缺点：X射线对人体有危害、仪器价格贵。原理：用相干性较好的激激光光照射金刚石表面，在不同结晶方向上表面存在形状规则的晶面晶纹和微观凹坑，激光被反射到屏幕上形成特特征征衍衍射射光光图图像像。可根据衍射光像的图形判断被激光照射的晶面是什么晶面。三）金刚石晶体的激光定向晶面的激光衍射光像注：叶瓣所指方向为好磨方向。特点：价格约为X射线的1/10；操作简便，对操作者无害；定向精度低于X射线晶体定向，但可满足生产需要。十、金刚石刀具的设计与制造十、金刚石刀具的设计与制造n设计的主要问题：优选切削部分的几何形状；前、后刀面选择最佳晶面；确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。一）金刚石刀具的设计u刀头形式主、副切削刃之间采用过渡刃起修光作用。国内：多用直线修光刃，长度一般取0.10.2mm国外：多用圆弧修光刃，圆弧半径=0.53mm。主偏角一般采用3090度，用得较多的是45度。1、金刚石刀具切削部分的几何形状u前角和后角由于金刚石的脆性，在保证获得较小加工表面粗糙度前提下，为增加刀刃强度，应采用较大的刀具楔角，故刀具的前角和后角都应取得较小。后角：5 8，多采用 56。加工球面和非球面的圆弧修光刃刀具常取后角10。u前角，切铝、铜合金前角取 010。112334金刚石车刀举例1、主偏角45度2、前角0度3、后角5度4、修光刃0.15mm2、金刚石刀具前、后刀面晶面的选择考虑因素：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；制造研磨容易。(111)不适合作前、后面。推荐采用(100)晶面作金刚石刀具前后、面：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数要低于(110)晶面。3、金刚石刀具的结构形式和金刚石的固定方法1)钎焊钎焊 将金刚石钎焊在刀杆凹槽中。国外高度保密。2)机械夹固机械夹固 在刀体上加工凹槽，用压板压住金刚石，为避免压坏刀头，可在刀头上下各垫一层0.1mm厚的退火紫铜皮。需大颗粒金刚石3)粘接粘接 多采用502胶或环氧树脂作粘接剂，多用于机械夹固有困难的情况。4)粉末冶金粉末冶金 当前最好结构，将金刚石和铜粉等在真空中加热加压，使金刚石固装在刀杆的相应槽中。二）金刚石刀具的研磨加工1、金刚石刀具研磨机1）研磨盘：优质铸铁，表面平整，不得有砂眼等缺陷；直径一般为300mm，转速2000 3000r/min；连同轴进行精密平衡，无振动；定期修整，除去表面划痕。2）精密反顶尖。3）柔软丝质平带带动旋转。4）研磨剂：金刚石微粉n粗研效率与研磨方向、研磨速度、压力、金刚石微粉的粒度有关。找到所磨晶面的好磨方向线速度高加大研磨压力（912N）研磨效率高粗粒度的微粉（初期）细粒度的微粉（后期）2、金刚石刀具的粗研3、金刚石刀具精研提高研磨质量，使切削刃更为锋锐。磨料粒度越小，研磨表面粗糙度越小。研磨盘质量越好（材质均匀细密，微孔尺寸一致、分布均匀），研磨效果越好。研磨方向：逆磨，即沿切削刃口指向刀体内的方向研磨，以保持刀刃完好。精抛：研磨时让金刚石作垂直于研磨方向的法向运动，除去磨痕。（通常人工进行：压力大小均匀，摆动速度均匀。）Thanks