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1、第二章 精密和超精密加工技术,精密与超精密加工,超精密切削-金刚石刀具切削,用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削称为金刚石刀具切削或SPDT（Single Point Diamond Turning） 金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金属材料的精密加工,利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好,金刚石切削机理,切削在晶粒内进行切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2）刀尖处温度极高，应力极大，普通刀具难以承受高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量,刀尖附近二维切削模型,金刚石切削机理
2、,金刚石切削刀尖的切削模型,金属切削模型 弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。,切削表面形成模型,金刚石切削机理,t0变质层深度；t1给定切深；t2实际切深； 毛刺产生的粗糙度增量,切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映,切削表面形成模型,金刚石切削机理,理想刀具切削刃在工件表面的复印轮廓,切削刃的粗糙度切削刃口的复映性毛刺与加工变质层,影响表面形成的因素,金刚石切削刀具,超精密切削刀具应具备的条件：刀具刃口的锋利性好。刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。切削刃的粗糙度低。切削时刃形将复制在被加工表面上
3、，从而得到超光滑的镜面。刀具与被切削材料的亲和性低。以得到极好的加工表面完整性。切削刃强度高、耐磨损,不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石,金刚石的性能,金刚石刀具对超精密切削的适应性,硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 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。,金刚石刀具刃口的锋利性最小圆弧半径可以达到2nm金刚石刀具刃口的粗糙度可达到Ry10nm金刚石刀具切削刃有良好的复印性金刚石刀具
4、的热化学性能有较高的热导率和比热容，低的摩擦系数高温时易氧化和石墨化,金刚石刀具对超精密切削的适应性,最小圆弧半径的计算值,金刚石刀具的分类,天然单晶金刚石刀具人工合成金刚石刀具(如美国GE 公司生产的COMPAX 牌金刚石刀具)聚晶金刚石(PCD)（切割后焊在刀片上）金刚石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂层涂覆在超硬刀具基体上）,刀具切削刃比较,金刚石粉烧结体,立方氮化硼烧结体（CBN）,单晶金刚石,单晶金刚石刀具,金刚石的晶体结构和刃磨,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的硬度（努氏硬度）,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,金刚石的热稳定性与周围介质、硬度等有关,金刚石在不同介质条件下受热升温时所
5、发生的状态,单晶金刚石刀具,单晶金刚石的热稳定性,MBD6型金刚石在不同温度下保温1小时的抗压强度曲线,MBD6型金刚石在800加热不同时间的抗压强度曲线,单晶金刚石刀具,CBN和单晶金刚石的热稳定性比较,金刚石刀具可切削材料,可切削材料 Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑胶,要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等,金刚石切削机床,国内外典型超精密车床性能指标,典型金刚石切削机床,典型金刚石切削机床,T形布局的金刚石车床,车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影
6、响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。,T形布局,金刚石车床主要性能指标,金刚石车床,加工4.5mm陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,用于铜、铝及其合金精密切削（切铁金属，由于亲合作用，产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量）加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnS和ZnSe等加工有机玻璃和各种塑料典型产品： 光学反射镜、射电望远镜主镜面、大型投影电视屏幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等,金刚石切削的应用,精密和超精密磨削：通常是指加工精度10.1m，表面粗糙度低于Ra0.20.025m的表面磨削方法。,精密和超精密磨削,精密、超
7、精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕,镜面磨削：一般是指加工表面粗糙度达到Ra0.020.01m，磨削表面光泽如镜的磨削方法。镜面磨削对加工精度要求不很明确，主要强调表面粗糙度要求。,精密和超精密磨削分类,精密和超精密磨削分类,固结磨料加工,将磨料或微粉与结合剂粘合在一起， 形成一定的形状并具有一定强度，再 采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂 轮、砂条、油石、砂带等磨具。,精密和超精密砂轮磨削,精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，加工精度0.1m， Ra0.0250.008m。,精密和超精密砂带磨削,精密砂带磨削：砂带粒度W63
8、W28，加工精度1m，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。,精密和超精密磨削分类,游离磨料加工,磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。 传统方法：研磨和抛光 新方法：磁性研磨、弹性发射 加工、液体动力抛光、液中研 抛、磁流体抛光、挤压研抛、 喷射加工等。,超精密磨削砂轮磨料磨具,超精密磨削涂覆磨具,1基底；2粘接膜；3粘接剂（底胶）； 4粘接剂（覆胶），5磨粒,(a)砂轮,(b)磨粒,(c) 微刃 (锐利、半钝化、钝化),磨粒具有微刃性和等高性,微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,精密磨削机理,超精
9、密磨削的单颗磨粒切入模型,超精密磨削机理,磨粒可以看作具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体，弹性支承为结合剂，磨粒虽有相当硬度，本身受力变形极小，实际上仍属于弹性体。 磨粒切削刃的切入深度由零开始逐渐增加，到达最大值后又逐渐减小到零。 整个磨粒与工件的接触过程依次为弹性区、塑性区、切削区、塑性区和弹性区。 超精密磨削中，微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用依切削条件的变化而顺序出现。,超精密磨削机理,砂轮1）砂轮磨料 2）砂轮粒度 3）砂轮结合剂砂轮修整： 整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒） 常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），
10、效果好，并可在线修整。,砂轮及砂轮的修整,ELID（Electrolytic In-Process Dressing）(砂轮在线电解修整),原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。 铸铁基砂轮：“+”极 ；石墨电极：“”极；两电极间隙：0.1mm,（1）磨削过程具有良好的稳定性； （2）该修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； （3）ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性； （4）采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。,ELID磨
11、削的特点,电子材料，磁性材料的镜面磨削硅片；铁金氧磁头光学材料的镜面磨削记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前陶瓷材料的镜面磨削高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金,ELID 应用范围,砂带磨削示意图,砂带精密磨削,砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。有开式和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。,砂带精密磨削,用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）,几种砂带磨削形式,砂带精密磨削,砂带磨削用量,砂带精密磨削,砂带精密磨削,砂带磨削特点,1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra
12、值可达 0.02m）。,3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。 5）可用于内外表面及成形表面加工。,2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。,塑性（延性）磨削,(a) 初始加载: 接触区产生永久塑性变形区，没有任何裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 (b) 临界区: 载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力集中处产生中介裂纹(M edian Crack)。 (c) 裂纹增长区: 载荷增加, 中介裂纹也随之增长。 (d) 初始卸载阶段: 中介裂纹开始闭合，但不愈合。 (e)
13、侧向裂纹产生: 进一步卸载，由于接触区弹塑性应力不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩展的横向裂纹(L ateral Crack)。 (f) 完全卸载: 侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。,尖锐压头下的材料变形过程,塑性（延性）磨削,由图可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。当载荷增加时，材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆性裂纹。 临界载荷：在材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷； 临界压深：材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变时，压头压入的深度
14、。,尖锐压头下的材料变形过程,脆性材料裂纹长度,塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，主要有两种看法： 临界切削深度当磨粒的切削深度小到一定程度（临界切削深度）时，切屑就由脆断转变为塑断。 切削深度和磨削温度是切屑由脆性向塑性转变的关键当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。（已有试验作支持）,塑性（延性）磨削,磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。,塑性（延性）磨削,塑性磨削,磨粒作用下的脆性裂纹,超精密磨削的临界切削厚度
15、,E 材料的弹性模量，H 材料硬度， K c 材料的断裂韧性,日本学者研究表明，金刚石砂轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度,塑性（延性）磨削,塑性磨削,日本学者研究表明，金刚石砂轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度,平均磨粒尺寸 低于20m,（1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。为此对机床要求： 高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。 高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的切削温度应高到一定程度，使工件
16、材料的局部物理特性发生变化。,塑性（延性）磨削,塑性磨削工艺条件,超精密研磨和抛光,研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。,研磨原理,超精密研磨和抛光,抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。,超精镜面砂带抛光硬磁盘涂层表面,研磨和抛光的机理和特点,特点：研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束磨料不固定研具的现状要复印在工件上研具与工件的相对运动方向常发生变化,机理： 机械的微切削作用机械与化学的综合作用化学或电化学的作用其他作用,机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用,弹性发射加工EEM (Elaste Emission Machining),抛光轮 由聚氨基甲酸（乙）酯制成，磨料直径 0.10.01m,工作原理 抛光液由磁埸控制，成为和工件表面一致的磨头。它的黏性与硬度由磁场精密控制。应用： 长宽比例大的光学部件及基片(通讯仪器、硬盘、晶片等) ，光学玻璃镜片，单结晶(钙氟化物，矽)，陶瓷(矽碳化物，钨碳化物)特点： (1) 利用磁场达到快速及可靠的控制 (2) 数控 (3) 抛光板能准确符合复杂的形状，因此能确保非球面及复杂的表面的精密抛光,
