第1章_精密切削加工

,精密与特种加工,第,1,章,精密切削加工,1.1,概 述,1.2,精密切削加工机理,1.3,精密切削加工机床及应用,1.4,超精密切削加工简介,第,1,章 精密切削加工,1.1,概 述,Introduction,1.1.1,概 念,精密加工,精密加工,是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺。不同的发展时期，其技术指标有所不同。,目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是,1m,，与之相对应，将加工精度为,0.01,1m,，加工表面粗糙度,Ra,在,0.02,0.1m,范围内的加工方法称为,精密加工,。,1983,年,日本田口教授经大量考察精密与特种加工厂后,对当代多种加工方法所能达到的精度及其发展趋势有个预测,本,(,下页,),图分两个层面来看,:,各种加工方法的极限,;,发展趋势,.,1.1.1,概 念,多种加工方法所能达到的精度及具发展趋势预测见图。,1.1.1,概 念,英国,Rolls-Royce,公司的资料表明，将飞机发动机转子叶片的加工精度由,60m,提高到,12m,，加工表面粗糙度由,Ra0.5m,减少到,Ra0.2m,，则发动机的压缩效率将从,89,提高到,94,。,1.1.1,概 念,机械工业提高零件加工精度的主要原因,提高零件的加工精度，可提高产品的性能和质量，提高产品的稳定性和可靠性。,20,世纪,80,年代初，前苏联从日本引进了四台精密数控铣床，用于加工,螺旋桨曲面,，使其潜艇的水下航行噪声大幅度下降，即使使用精密的声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。,1.1.1,概 念,传动齿轮的齿形及齿距误差直接影响了其传递扭矩的能力。,若将该误差从目前的,3,6m,降低到,1m,，则齿轮箱单位重量所能传递的扭矩将提高近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。,BM,公司开发的磁盘，其记忆密度由,1957,年的,300bit/cm,2,提高到,1982,年的,254,万,bit/cm,2,，提高了近,l,万倍，这在很大程度上应归功于磁盘基片加工精度的提高和表面粗糙度的减小。,1.1.1,概 念,提高零件的加工精度可促进产品的小型化。,自动化装配是提高装配生产率和装配质量的重要手段。自动化装配的前提是零件必须完全互换，这就要求严格控制零件的加工公差，从而导致零件的加工精度要求极高，精密加工使之成为可能。,1.1.1,概 念,提高零件的加工精度可增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配应用，推进自动化生产。,1.1.1,概 念,精密加工技术是综合性的技术。,实现精密加工的条件：, 精密的机床工具设备和刀具；, 超精密加工的机理与工艺方法；, 精密测量及误差补偿技术；, 超精密加工中的工件材料；, 稳定的环境条件。,1.1.1,概 念,精密加工机床,精密加工机床是实现精密加工的,首要条件,。,主要研究方向,是提高,机床主轴的回转精度,，,工作台的直线运动精度,以及,刀具的微量进给精度,。,采用超精密级的滚动轴承。,采用液体静压轴承和空气静压轴承。其静、,动态性能更加优异。,精密机床主轴要求具有很高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于主轴轴承。,1.1.1,概 念,工作台的直线运动精度是由导轨决定的。,精密机床使用的导轨有：,滚动导轨,液体静压导轨,气浮导轨,空气静压导轨,普通车床精度,0.015-0.002mm,弹性变形式和电致伸缩式,微量进给机构比较适用，尤其是,电致伸缩微量进给装置,，可以进行自动化控制，有较好的动态特性，在精密机床进给系统中得到广泛的应用。,1.1.1,概 念,为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置,(1),金刚石晶体的晶面选择，这对刀具的使用性能有重,要的影响；,(2),金刚石刀具刃口的锋利性，即刀具刃口的圆弧半径，,它直接影响到切削加工的最小切削深度，影响到微,量切除能力和加工质量。,1.1.1,概 念,金刚石刀具,金刚石刀具 是精密切削加工的重要手段,金刚石刀具有两个重要的问题要解决：,先进国家刃磨金刚石刀具的刃口半径可以小到数纳米的水平。我国目前刃磨的金刚石刀具的刃口半径只能达到,0.1,0.3m,。,当刃口半径小于,0.0lm,时，必须解决测量上的难题。,1.1.1,概 念,金刚石刀具,精密切削是微量切削，微量切削过程中许多机理方面的问题都有其特殊性，如,积屑瘤的形成，鳞刺,的产生，,切削参数及加工条件对切削过程的影响,，以及,它们对加工精度和表面质量的影响,，都与常规切削有很大的不同。,1.1.1,概 念,精密切削机理,精密切削加工必须能够均匀地切除极薄的金属层，,微量切除,是精密加工的重要特征之一。,1.1.1,概 念,稳定的加工环境,精密加工必须在稳定的加工环境下进行，主要包括,恒温恒湿、防振和空气净化,三个方面的条件。,(1),恒温恒湿,.,精密加工必须在严格的多层恒温条件下进行，即不仅工作间应保持恒温，还必须对机床本身采取特殊的恒温措施，使加工区的温度变化极小。,(2),防振,.,为了提高精密加工系统的动态稳定性，除在机床结构设计和制造上采取各种减振措施外，还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。,(3),空气净化,.,由于精密加工的加工精度和表面粗糙度要求极高，空气中的尘埃将直接影响加工零件的精度和表面粗糙度，因此必须对加工环境的空气进行净化，对大于某一尺寸的尘埃进行过滤。国外已研制成功了对,0.1m,的尘埃有,99,净化效率的高效过滤器。,1.1.1,概 念,当加工精度高于一定程度后，若仍然采用提高机床的制造精度，保证加工环境的稳定性等误差预防措施提高加工精度，这将会使所花费的成本大幅度增加。这时应采取另一种所谓的误差补偿措施，即是通过消除或抵消误差本身的影响，达到提高加工精度的目的。,1.1.1,概 念,误差补偿,测量分,:,在线、在位和离线三种方式,.,精密加工技术离不开精密测量技术，精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。,目前，精密加工中所使用的测量仪器多以非接触式,:,干涉法和高灵敏度电动测微技术为基础。如激光干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。,1.1.1,概 念,精密测量技术,国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。,Johaness,公司生产的多次光波干涉显微镜的分辨率为,0.5nm,，最近出现的,隧道扫描显微镜,的分辨率为,0.0lnm,，是目前世界上精度最高的测量仪之一。最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标,-,原子级精密加工。,1.1.1,概 念,1.1.1,概 念,隧道扫描显微镜：,扫描隧道显微镜的,基本原理,是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近,(,通常小于,1nm),时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小,0.1nm,，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对,x-y,方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。,1.1.1,概 念,根据加工表面及加工刀具的特点，精密切削加工可分为四类，见下表。,1.1.2,精密切削加工分类,1.1.2,精密切削加工分类,金刚石车削,应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和其它软金属及其合金进行切削加工，可以得到极高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了,金刚石精密车削加工方法,。,它们分别用于加工平面、型面和内孔，也可以得到极高的加工精度和表面质量。,金刚石刀具精密切削是当前加工软金属材料最主要的精密加工方法。,除金刚石刀具材料外，还发展了立方氮化硼、复方氮化硅和复合陶瓷等新型超硬刀具材料，它们主要用于黑色金属的精密加工。,金刚石精密铣削和镗削,1.1.2,精密切削加工分类,由于精密加工机床价格昂贵，加工环境条件要求极高，因此精密加工总是与高加工成本联系在,起。,在过去相当长的一段时期，这种观点限制了精密加工的应用范围，它主要应用于军事、航宇航天等部门。,1.1.3,精密加工与经济性,近十几年来，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，精密加工的产品已进入了国民经济和人民生活的各个领域，其生产方式也从过去的单件小批量生产走向大批量生产。在机械制造行业，精密加工机床不再是仅用于后方车间加工工具、卡具和量具，工业发达国家已将精密加工机床直接用于产品零件的精密加工，产生了显著的经济效益。,1.1.3,精密加工与经济性,加工一块直径为,l00mm,的离轴抛物面反射镜，用金刚石精密车削工艺成本只有用研磨,-,抛光,-,手工修琢的传统工艺的成本的十几分之一，而且精度更高，加工周期由,12,个月缩短为,3,周。,我国精密加上技术较落后，当前某些精密产品尚靠进口，还有些精密产品靠老工人手艺制造，因而废品率极高。,我国现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才挑选出一台合格品，磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。,1.1.3,精密加工与经济性,第,1,章 精密切削加工,1.2,精密切削加工机理,金属切削过程，就其本质而言，是材料在刀具的作用下，产生,剪切断裂、摩擦挤压和晶格滑移变形,的过程。在精密切削中，采用的是,微量切削,方法,影响因素就不同。,以回转刀具的切削情况为例，分析在过渡切削过程中刀具切削刃与工件表面的接触情况及工件材料的变形情况。,1.2.1,切削变形和切削力,切削变形,过渡切削,1.2.1,切削变形和切削力,如图所示为单刃回转刀具铣削平面的切削过程。为了反映整个工艺系统的弹性特性，假设刀具支持在具有一定弹性模数的支承上。图,(b),为切削剖面的情况，从刀具切削刃和工件接触开始，刀具在工件上滑动一定的距离，工件表面仅产生弹性变形，在切削刃移开之后，工件表面仍能恢复到原来的状态。切削刃在工件表面上的这种滑动称为,弹性滑动,。,1.2.1,切削变形和切削力,经历了了弹性、塑性和切削三个过程,.,随着刀具的继续回转，刀刃上的切削深度不断增大，在工件表面上开始产生塑性变形，在此塑性变形区内，切削刃在工件表面滑过之后，工件表面被刻划出沟痕，但此时并没有真正切除材料。切削刃在工件表面上的这种滑动称为,塑性滑动。,1.2.1,切削变形和切削力,在塑性滑动之后，随着刀具切入深度的增加，前刀面上产生了切屑，开始了,切削过程,。由于工件表面上产生了弹塑性变形，所以切削刃的运动轨迹与被加工表面上形成的轮廓线不重合。,1.2.1,切削变形和切削力,改变刀具的切入角,g,可以依次改变刀具与工件的最大干涉深度，得到如图,1.2(a),的曲线。,当切削刃的最大干涉深度很小时，即切入角,g,很小时便是图,1.2(a),中的（,1,）状态。此时，刀具仅在工件表面滑过，工件表面没有刀具切入的痕迹，在刀具和被加工表面的全部接触长度上处于弹性变形区域。,1.2.1,切削变形和切削力,当刀具与工件的最大干涉深度达到一定的数值时，形成如图,1.2(a),中的,(2),的切削状态。在切削开始的一段长度内为弹性滑动区域，然后进入塑性变形区，在刀刃滑动过去后，在塑性变形区域内将留下沟痕，但并不产生切屑。,1.2.1,切削变形和切削力,继续增大刀具与工件的最大干涉深度，便形成图（,a,）中的,(3),的切削状态。在切削刃和工件表面的接触初期为弹性滑动区域，随着切削深度的增大，之后为塑性滑动区域，再之后为切削区域，在工件表面上有塑性变形和除去切屑所形成的沟槽。随着切入深度的减小，之后又过渡到塑性变形区和弹性变形区。,必须指出，在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，而在切削区域内则既存在切屑去除区，也存在塑性变形区和弹性变形区。,1.2.1,切削变形和切削力,零件的最终工序的最小切入深度应等于或小于零件的加工精度,(,允许的加工误差,),。,因此，一种加工方法的最小切入深度反映了它的精加工能力。,根据过渡切削过程的分析可知，当切入深度太小时，切削刃对工作表面的作用只是弹性滑动或塑性滑动，并没有产生切屑，因此最小切入深度要受到一些因素的限制。,1.2.1,切削变形和切削力,最小切入深度,以车削过程为例进行切入深度的分析。,车削过程能够成立，主要应满足下列,条件,：,1.2.1,切削变形和切削力,切削过程应当是连续的、稳定的；, 应当保持有较高的加工精度和表面质量；, 刀具应有较长的使用寿命。,在精密切削中，采用的是微量切削方法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圆弧承担。,1.2.1,切削变形和切削力,1.2.1,切削变形和切削力,如图所示，分析正交切削条件下，切削刃口圆弧处任一质点,i,的受力。质点,i,仅有两个方向的切削力，即垂直力,p,yi,和水平力,p,zi,。水平力,p,zi,使被切削材料质点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力,p,yi,将被切削材料压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。,1.2.1,切削变形和切削力,最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的切削力,p,yi,和,p,zi,的比值。,根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生在与切削合力,p,i,成,45,角的方向上。若,p,yi,= p,zi,，则作用在材料质点,i,上的最大剪应力与切削运动方向一致，该质点,i,处材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点,i,处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形。,1.2.1,切削变形和切削力,故：,当,p,zi,p,yi,时，材料质点被推向切屑运动方向，形成切屑；,当,p,zi,F,Z,，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。,1.2.1,切削变形和切削力,进给量,用天然金刚石车刀进行精密切削试验，其试验结果见下表。,结论：,用天然金刚石车刀进行精密切削时，,F,Z,F,Y,。,切削力,F,（,0.01N),进给量,f(mm/r),0.01,0.02,0.04,0.10,0.20,F,Z,20,26,48,96,160,F,Y,4,5,12,17,30,1.2.1,切削变形和切削力,切削深度对切削力影响的试验结果见下表。,切削力,F,（,0.01N),切削深度,(mm),（硬质合金车刀）,0.002,0.004,0.008,0.016,0.032,F,Z,15,37,52,67,F,Y,25,27,33,37,39,结论：,使用硬质合金车刀时，切削深度对切削力有明显的影响，且对,F,Z,的影响大于对,F,Y,的影响。切削深度小于一定值时，则,F,Y, F,Z,。,1.2.1,切削变形和切削力,切削深度,切削力,F,（,0.01N),切削深度,a,p,(mm),（金刚石车刀）,0.003,0.006,0.01,0.02,0.03,F,Z,10,17,26,45,50,F,Y,2,3,5,7,9,结论：,使用天然金刚石车刀时，,F,Z,仍然大于,F,Y,。,1.2.1,切削变形和切削力,1.2.1,切削变形和切削力,原因：,切削用量直接影响主切削力,F,Z,的大小。当切削用量减小时，,F,Z,随之减小。,切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着径向切削力（垂直轴向）,F,Y,的大小,。,由于切削刃口半径是一固定值，所以当切削用量减小到一定值之后，,F,Y,才能大于,F,Z,。但是由于天然金刚石车刀可以磨得很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由刃口圆弧部分产生的挤压小，后刀面上的正压力小，从而,F,Y,小，虽然是微量切削，,F,Z,仍然大于,F,Y,。,对比：,F,Z,与,F,Y,的比值,ap,、,f,对切削力的影响,一般切削,总是大于,1,ap,影响大于,f,精密切削,可以小于,1,（当切削用量同刃口半径之比值达到一定数值时）,f,影响大于,ap,原因,取决于切削用量,(f,、,ap),同刀具刃口半径的比值,精密切削时通常采用进给量,f,大于切削深度,ap,的切削方式有关,1.2.1,切削变形和切削力,1.2.1,切削变形和切削力,刀具材料,天然金刚石对金属的摩擦系数比其它刀具材料要小得多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的切削力要比其它材料刀具小。,其它,刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般切削相似。,1.2.1,切削变形和切削力,变形所消耗的功转变为热,包括两部分：弹性变形所消耗的功和塑性变形所消耗的功。,1.2.2,切削热和切削液,切削热,切削热的来源,切削热来自,三个切削变形区,的金属弹性变形、塑性变形和摩擦。,摩擦所消耗的功转变为热,包括两部分：前刀面与切屑摩擦所产生的热和后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。,切削温度,:,一般是指切屑、工件和刀具接触表面 上的平均温度。,1.2.2,切削热和切削液,切削温度,刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响最大。,切削温度的高低决定于切削时切削热,产生,的多少和,散热,条件。,切削时大量的切削热是由,切屑、工件、刀具和周围介质,传导的。一般地，切屑传出的热量最多，其余依次为刀具、工件及周围介质。,精密切削时，,当切削单位从数微米缩小到小于,1,m,时，刀具的刀尖部分会受到很大的应力作用，在单位面积上会产生很大的热量，使,刀尖局部区域产生极高的温度。,1.2.2,切削热和切削液,1.2.2,切削热和切削液,金属材料是由数微米到数百微米的微细晶粒组成，在晶粒内部，一般情况下大约,1m,左右的间隔内就有一个位错缺陷。当切削单位较大时，在切削力作用下，工件材料不是整个晶体的滑移面上的原子一起产生位移，而是通过位错运动形成滑移（塑性变形），所以实际剪切强度远远小于理论剪切强度，刀具刀尖部分受到的平均应力并不很大。,原因：,1.2.2,切削热和切削液,当切削单位小于位错缺陷平均间隔,1m,时，在这狭窄区域内是不会发生由于位错线移动而产生的材料滑移变形的，因此也就使其剪切强度接近理论剪切强度，这时，刀具刀尖部分受到的平均应力将很大，使,刀尖局部区域产生极高的温度。,措施：,采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。,在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占总误差的,40,70,。因此，在精密加工中必须严格控制工件的温升和环境温度的变化，否则无法达到精密加工所要求的高精度。,切削热对精密加工影响很大,.,例如精密加工,l00mm,长的铝合金零件，温度每变化,1,，将产生,2.25,m,的误差。若要求确保,0.1m,的加工精度，则工件及环境温度变化就必须控制在,0.05,的范围内。,1.2.2,切削热和切削液,切削热的影响及控制,切削液的浇注方式,：,采用浇注加淋浴式，若将大量的,20,0.5,的切削液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工件温度便可控制在,20,0.5,的范围内。,1.2.2,切削热和切削液,减小切削热对精密加工影响的主要措施：,采用切削液浇注工件的方法,。,1.2.2,切削热和切削液,切削液的冷却方式：,通过在切削液箱内设置螺旋形铜管，管内通以自来水，使切削液冷却，通过控制水的流量来达到控制切削液温度的目的。必要时还可以在冷却水箱中放入冰块，通过冰水混合液能可靠地把切削温度控制在所要求的范围内。,优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热,。,右图的曲线是在,SI-125,精密车床上用金刚石刀具切削铝合金时，干切削与使用切削液的切削对比。从图中可知，干切削后的粗糙度比用切削液时的差,1,1.5,个小级，甚至一个大级。,1.2.2,切削热和切削液,切削液,切削液对精密加工的影响,试验结论：,我国,30,的豆油加,70,混合油效果最好。,20,的氯化石蜡加,1,的二烷基二硫化磷酸锌和,79,的混合油的效果同它接近。,20,氯化石蜡加,80,的混合油效果次之。而混合油的效果最差。,1.2.2,切削热和切削液,切削液通过渗透到接触面上，湿润刀具表面，并牢固地附着在刀具表面上形成一层润滑膜，达到减少刀具与工件材料之间摩擦的效果。,表面吸附可分为,物理吸附和化学吸附,。,试验结果表明,，由混合油分子形成一层物理吸附薄膜的效果最差。由氯化物形成的化学膜效果较好。由氯化物、硫化物形成的化学膜效果更好。加入少量豆油而形成的物理厚膜效果最好，能获得最小的表面粗糙度。,1.2.2,切削热和切削液,切削液的作用机理,一般情况下，化学膜比物理吸附膜能耐更高的温度及应力。,按理说，润滑效果更好，能获得更小的表面粗糙度，但是形成的,化学膜是硫及氯同刀具表面的化学成分形成硫化物或氯化物，,这些化合物在切削过程中会脱落，影响刀具表面的粗糙度，从而影响到工件表面的粗糙度。,物理吸附厚膜即使脱落也不会影响刀具表面的粗糙度。,1.2.2,切削热和切削液,结论,：,物理吸附厚膜比化学吸附膜效果好，能获得更小的表面粗糙度。,1.2.2,切削热和切削液,(1),抑制积屑瘤的生成。精密切削中，积屑瘤会严重影响加工表面粗糙度，因此使用切削液减小乃至消除积屑瘤对提高精密切削的加工表面质量具有很好的效果。,(2),降低加工区域温度，稳定加工精度。,(3),减少切削力。切削液可使刀具与切屑及工件加工表面之间的摩擦减少，从而使切削力减少。,(4),减小刀具磨损，提高刀具耐用度。,1.2.2,切削热和切削液,其它切削液,缝纫机用的矿物油、煤油和橄榄油、酒精等,。,精密切削中，使用切削液有如下作用：,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,在精密切削中广泛应用金刚石作为刀具材料。,金刚石刀具的磨损、破损,金刚石刀具的磨损形式,机械磨损,粘结磨损,相变磨损,扩散磨损,破损,硬质点磨损等,机械磨损 （常见）,破损 （常见）,碳化磨损 （较少见）,刀具磨损形式有：,金刚石刀具的磨损形式为：,粘结磨损,工件或切削表面与刀具表面的粘结点，由于切削运动将刀面上的微粒带走，从而造成刀具磨损。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,机械磨损,由于机械摩擦所造成的磨损。,相变磨损,当切削温度大于等于刀具材料的相变温度时，使金相组织发生变化，刀具表面的马氏体组织将转化为托氏体或索氏体组织，这种使硬度降低而造成的磨损,扩散磨损,工件在加工过程中，工模具与工件表面在高温或高压下，相互紧密贴合，并发生相互吸引和粘着，致使工模具与工件表面的材料发生相互扩散，造成表面合金元素的贫化或富化，导致工模具表面与基体的成分发生差异，弱化了工模具表面的抗磨损性能，加快了磨损速度，从而降低了工模具寿命。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具开始切削的初磨阶段，刀具和工件、切屑的接触表面高低不平，形成犬牙交错现象，在相对运动中，双方的,高峰,都逐渐被磨平。,更多的机械磨损是由于切屑或工件表面有一些微小的,硬质点,，如碳化物等，在刀具前刀面上划出沟纹而造成的磨料磨损。,金刚石刀具使用一段时间后，在,前后刀面,上出现细长而光滑的磨损带，刀棱逐渐变成圆滑过渡的圆弧，随着加工的继续会形成较大的圆弧或者发展成前面和后面之间的斜面。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,机械磨损,随着切削距离的增长，,副后刀面,上磨损增大，并出现两段不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。,直线刃刀具的磨损情况如图所示，右边的磨损部分磨损量很大，称为,第,I,磨损区,，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,左边磨损部分的磨损量较小，称为,第,磨损区,，这是因为右边部分的切削刃出现了磨损，使左边部分切削刃参加切削，切去,I,区残留的余量，因此,区的切削刃也产生了一定的磨损。但由于,I,区切削刃切削的深度远远大于,区切削刃切削深度，两个磨损区的磨损量大不相同，即形成了,阶梯形磨损。,前刀面,上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩擦下，通常形成一条凹槽形的磨损带。磨损凹槽的形状和刀具形状有关。,刀尖半径为,2,m,、刀具材料为天然金刚石、工件材料为铝镁合金。,当切削距离为,100km,时凹槽的深度达到,0.1m,。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,金刚石刀具的这种机械磨损量非常微小，刀具后刀面的磨损区及前刀面的磨损凹槽表面非常平滑，使用这种磨损的刀具进行加工不会显著地影响加工表面质量。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,小结：,结构缺陷可产生裂纹；,当切屑经过刀具表面时，金刚石受到循环应力的作用可产生裂纹；,刀具表面研磨应力会产生裂纹。,这些裂纹在切削过程中会加剧，进而造成刀具的严重破损。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具的破损,金刚石刀具破损的原因为如下几种：,裂纹,是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为,解理面,。,解理是,晶体异向性,的表现之一，矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。,解理总是在原子或离子连接薄弱的面网之间产生，解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，化学键力最强的方向，联结力最强的面，因为垂直这种面的联结力较弱，晶粒易于平行此面破裂。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,解理,a,、在切削过程中受到冲击,b,、在切削过程中受到振动,刀具的碎裂会降低切削刃的表面质量，影响加工质量。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,碎裂,断口,则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面 。,初期磨损,正常磨损阶段,急剧磨损阶段,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具的耐用度,刀具的磨损过程划分为三个阶段：,工艺磨损限度,工,。,工艺磨损限度是根据工件表面粗糙度及尺寸精度的要求而制定的。当刀具磨损到一定数值时，工件表面粗糙度增大尺寸精度下降，并有可能超出所要求的表面粗糙度及公差范围，因此必须予以限制。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具磨钝标准有两种：,合理磨损限度,合,这是由合理使用刀具材料的观点出发而制定的磨损限度。因为刀具磨损限度定得太大或太小都会浪费刀具材料。只有取正常磨损阶段终了之前的磨损量,合,作为磨损限度才能最经济地使用刀具。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具磨钝标准有两种：,定义,刀具由开始切削到磨钝为止的切削总时间称为,刀具耐用度,，它代表刀具磨损的快慢程度。,刀具耐用度愈大，则表示刀具的磨损愈慢，因此影响刀具磨损的因素，都会影响刀具耐用度。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,刀具耐用度：,天然单晶金刚石,是精密切削中最重要的刀具材料，它是目前已知的最硬的材料。,天然单晶金刚石刀具用于精密切削，其破损或磨损而不能继续,使用的标志,是加工表面粗糙度超过规定值。,金刚石刀具的耐用度平时以其,切削路程的长度,表示。如切削条件正常，金刚石刀具的耐用度可达数百公里。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,天然单晶金刚石刀具只能在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用，否则由于振动会使金刚石刀具很快产生刀刃微观崩刃，不能继续使用。,在金刚石刀具设计时，应正确选择金刚石晶体方向，以保证刀刃具有较高的微观强度，减少解理破损的产生概率。,1.2.3,刀具磨损、破损及耐用度,提高金刚石刀具的耐用度的,措施,：,第,1,章 精密切削加工,1.3,精密切削加工机床及应用,二战后，美国首先发展了金刚石刀具精密切削技术，并为此发展了空气轴承的高性能精密车床。,50,年来，研究开发了超精密切削机床。超精密切削机床是综合性新技术的结晶，它综合应用多项近代新技术于精密机床，使精密机床产生质的飞跃。,近年来，精密和超精密切削技术在民用产品中亦得到广泛的应用，如加工计算机磁盘，复印机的硒鼓，录像机磁鼓，激光打印机的多棱镜等。,1.3.1,精密机床发展概况,国外,一些高生产率的中小型超精密机床陆续开发成功。,美国、日本、英国、荷兰，德国等工业发达国家都有工厂、研究所生产和研究开发超精密机床，并达到了较高的水平。,四方面：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化。,1.3.1,精密机床发展概况,国外,我国在,20,世纪,60,年代起开始发展精密机床。,昆明机床厂、汉川机床厂生产多种,坐标镗床,，最新的坐标镗床已有精密数控系统。重庆机床厂、武汉机床厂能生产,高精度的滚齿机,。重庆机床厂、上海机床厂等均能生产,高精度的蜗轮母机,，使加工的蜗轮精度明显提高。北京机床研究所、航空精密机械矶究所等都已批量生产多种规格的,三坐标测量机,。,1.3.1,精密机床发展概况,国内,1987,年北京密云机床研究所研究成功加工球面的,JSC-027,型超精密车床。,北京航空精密机械研究所研制成功的空气轴承的超精密车床和金刚石镗床，性能良好。,哈尔滨工业大学研制成功的带激光在线测量的空气轴承主轴数控超精密车床，具有良好的性能。,1.3.1,精密机床发展概况,国内,普通车床,径向跳动通常为,0.01mm,，导轨,平直度,为,0.02mm/1000mm,；精密车床的,主轴径向跳动,通常为,0.003,0.005mm,，导轨平直度为,0.01mm/1000mm,。超精密加工机床的技术要求则更高，其各项精度指标如表所示。,1.3.2,精密机床的精度指标,精密和超精密加工机床的精度指标,通常，加工设备的精度必须高于零件精度，有时要求高于零件精度一个数量级，即超精加工机床的高精度指标取决于加工零件的高精度。,日本精机学会机床研究专业组曾提出超精密加工机床精度指标的提案，见表,1.7,。,1.3.2,精密机床的精度指标,主轴的回转精度,要求极高，并且要求主轴转动平稳、无振动，其关键在于所用的精密轴承。,早期采用的是超精密的滚动轴承,。（制造难度大）,目前多使用液体静压轴承和空气静压轴承。,1.3.3,精密主轴部件,液体静压轴承主轴,液体静压轴承回转精度可达,0.1,m,，且转动平稳，无振动，因此有些超精密机床主轴使用这种轴承。,压力油通过节流孔进入轴承耦合面间的油腔，使轴在轴套内悬浮，不产生固体摩擦。当轴受力偏歪时，耦合面间泄油的间隙改变，相对油腔产生油的压力差，这种油的压力差将振动主轴回到原来的中心位置。,1.3.3,精密主轴部件,液体静压轴承主轴结构,油压,0.6-1Mpa,液体静压轴承的油温升高。在不同转速时温度升高值不相同，因此要控制恒温。温升造成的热变形会影响主轴精度。,静压油回油时将空气带入油源中，形成微小气泡不易排出，这将降低液体静压轴承的刚度和动特性。,1.3.3,精密主轴部件,液体静压轴承的缺点：,具有回转精度高、刚性较高、转动平稳、无振动的特点，广泛用于超精密机床。,液体静压轴承的优点：,1.3.3,精密主轴部件,提高静压油的压力，使油中微小气泡的影响减小。,静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温；同时轴承采用恒温水冷却，减小轴承的温升。,采取的相应措施,：,由于空气的粘度小，磨檫小产热小，主轴在高速转动时空气温升很小，因此造成的热变形误差很小,.,空气轴承的刚度较低，只能承受较小的载荷。而超精密切削时切削力很小，空气轴承能满足要求,.,故广泛使用,.(,它的应用促进了,超,精密机床的发展,.),大型精密,/,超精密机床广泛采用液压静压轴承主轴,.,1.3.3,精密主轴部件,空气静压轴承主轴,使用的是干燥过滤空气, ；,可用于加工误差的在线补偿；,可用于实现超薄切削。,1.3.5,进给驱动系统,微量进给装置,微量进给装置的作用：,机械传动或液压传动式；,弹性变形式,；,热变形式；,流体膜变形式；,磁致伸缩式；,电致伸缩式,。,1.3.5,进给驱动系统,微量进给装置的类型：,1.3.5,进给驱动系统,1.3.5,进给驱动系统,压电或电致伸缩微量进给装置的特点：,具有良好的动态特性；,可用于实现自动微量进给、误差在线补偿,。,平时电致伸缩陶瓷片两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起。正极联在一起，负极联在,起，即组成一个电致伸缩传感器。陶瓷片在静电场作用下将伸长，当静电场的电压增加时，伸长量也增大。,1.3.5,进给驱动系统,一是依靠一定精度的机床来保证，即要求机床的精度高于工件所要求的精度，称之为,“,蜕化,”,原则,或,“,母性,”,原则。,二是在精度比工件要求低的机床上，加工出高精度的工件，利用在线检测和误差补偿技术，可以实现这个目的。这就是所谓的,“,进化,”,原则,或,“,创造性,”,原则。,超精密机床，都装有双频激光随机检测系统和精密数控系统组成反馈闭环控制系统，以保证加工的尺寸精度。,1.3.6,在线检测与误差补偿技术,保证零件加工精度有两条途径：,-,检测机床运动部件的位移,并和精密数控系统组成精密反馈闭环控制系统,消除误差,进一步提高加工精度,., 精密切削加工,1.4,超精密加工机理,1.4,金刚石,刀具超精密切削,机理,1.,金刚石刀具超精密切削机理,1,） 切削厚度与材料剪切应力的关系,金刚石刀具超精密切削的机理与一般切削加工的有较大差别。由于金刚石刀具超精密切削的切削厚度极小，这时切削的深度可能小于被加工材料晶粒的大小，切削是在被加工材料的晶粒内进行的，因此，切削力一定要大于晶体内部非常大的原子、分子结合力，刀刃上所承受的剪切应力会急速地增加并变得非常大。这时刀刃处将产生很大的热量，刀刃切削处的温度将很高，因此要求刀具有很高的高温强度和硬度。金刚石刀具不仅有很高的高温强度和硬度，而且由于金刚石材料质地细密，且切削刃的几何形状非常好，表面十分光滑，因此能够进行镜面切削，这是当前其它刀具材料无法比拟的。,金刚石刀具超精密切削加工是一种原子、分子级加工单位的去除加工方法，要从工件上去除材料，需要相当大的,能量要,去除的一块材料的大小就是加工单位，加工单位的大小和材料微观缺陷分布的尺寸大小不同时，被加工材料的破坏方式就不同。,1,）晶格,原子、分子的破坏,晶格,原子、分子的破坏就是把原子、分子一个一个的去除。,2,）点缺陷,点缺陷,就是在晶体中存在空位和填隙原子。点缺陷的破坏是,以原子,缺陷（包括空位和填隙原子）为起点来增加晶格缺陷的破坏。晶体中存在的杂质原子也是一种点缺陷。,3,） 位错缺陷和,微裂纹,4,） 晶界破坏、空隙和裂纹,1.4,金刚石,刀具超精密切削,机理,2,） 材料微观缺陷及其对超精密切削加工的影响,3,） 加工表面的形成与质量,（,1,）金刚石,刀具超精密切削表面的形成,用金刚石刀具进行超精密切削而形成表面时，主要影响因素有,几何因素、塑性变形和加工震动,等。,几何因素,主要是指刀具的形状、几何角度、刀刃表面粗糙度和进给量等。,它主要影响与切削运动方向相垂直的横向表面粗糙度。,塑性变形,不仅影响横向表面粗糙度，而且影响与切削运动方向相平行的纵向表面粗糙度。,加工中的振动,对纵向表面粗糙度也有影响，因此在超精密切削中，振动也是不允许的。,1.4,金刚石,刀具超精密切削,机理,（,2,）金刚石刀具超精密切削中切削厚度,金刚石刀具超精密切削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。一般用刀具的切削刃圆弧半径来表示。,（,3,）表层破坏层的应力状态,在金刚石刀具超精密切削中，工件表面产生塑性变形，内层产生弹性变形。切削后，内层弹性恢复，受到表层阻碍，从而使表层产生残余压应力；另一方面，由于微挤压作用，也使得工件表层有残余压应力。所以，在切削后，切削层部分都会有较高的应力。,1.4,金刚石,刀具超精密切削,机理,