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1、1,第3章 超精密切削加工,超精密切削加工主要是用高精度的机床和单晶金刚石刀具进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削 (Simple Point Diamond Turming， SPDT)。,2,3.1 超精密切削的历史,60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。,3,经SPDT加工的
2、光学元件成品示意图,图中所示的各种形状的零件是去氧铜或铝合金材料，,4,3. 2 超精密切削加工的应用,平面镜的切削,5,（1）平面镜的切削,平面度0.06 m 表面粗糙度Rmax0.02 m,6,玻璃镜的切削,7,测量结果,8,（2）多面镜的切削,激光印刷机、复印机。 面分度精度7.5“ 面倾斜精度3.6“ 平面度0.07 m 表面粗糙度Rmax0.02 m,9,（3）球面镜的切削,10,（4）球面镜的切削,11,（5）其它零件的切削,球面（球轴承）车削 复印机硒鼓（圆柱面）车削 磁盘基片的车削,12,3.3 金刚石刀具切削的优点（1）,平面镜的表面粗糙度可达Ry5m，曲面镜的表面粗糙度可达
3、Ry10m，形状精度可达30m，而且没有塌边现象。 用SPDT加工的表面对光线的反射率很高，例如对波长为10.6m的激光，经SPDT切削加工的去氧铜表面的反射率为9999.4%。在去氧铜表面镀金、银、铜层，经SPDT切削加工后表面的反射率为96.799.3%。 经SPDT加工的表面，对激光具有很高的耐热损伤性能，故它是大功率激光用的反射镜终精加工的最好方法。,13,3.3 金刚石刀具切削的优点（2）,金刚石刀具超精密切削与一般切削加工相比，精度要高12个量级。 从成本上看，用去氧铜经SPDT进行加工的光学反射镜、棱镜等与过去用镀铬经磨料加工的产品相比，成本大约为后者的一半或数分之一。 在SPD
4、T加工过程中可采用数控进行批量生产，这样不仅可以缩短加工时间，而且可以很容易地加工非球面及其他形状复杂的表面，故相对而言，虽然加工设备最初的投资较高，但与效益相比，成本还是低的。,14,3.4 影响金刚石刀具切削加工的因素,15,3.5 超精磨切削的刀具 3.5.1 超精密切削对刀具的要求,1) 刀具刃口锋锐度 能磨得极其锋锐，刃口圆弧半径极小，能实现超薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。 与切削刃的加工方位有关，普通刀具530m，金刚石刀具10nm； 从物理学的观点，刃口半径有一极限。,16,最小圆弧半径计算,r表面能 Ef杨氏模量 材料强度极限Ef/10,17,最小圆弧半径计算值
5、,18,3.5.1 超精密切削对刀具的要求,2) 切削刃的粗糙度。切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度Ry0.35 m，金刚石刀具刀刃的粗糙度Ry0.10.2 m，特殊情况Ry1nm，很难。 3) 极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，保证长的刀具寿命。 4) 刀刃无缺陷，足够的强度，耐崩刃性能。 5) 化学亲和性小、与工件材料的抗粘结性好、摩擦系数低，能得到极好的加工表面完整性。,19,3.5.2 金刚石刀具对超精密切削的适应性 （1）金刚石刀具的性能特点,硬度极高。自然界最硬的材料，比硬质合金的硬度高56倍。 摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小。 能
6、磨出极锋锐的刀刃。最小刃口半径15nm。 耐磨性好。比硬质合金高50100倍。 导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。 不适宜切黑色金属。 很脆，避免振动。 价格昂贵，刃磨困难。 天然单晶金刚石被一致公认为理想的、不能代替的超精密切削刀具。,20,不同刀具材料硬度,21,（2）金刚石刀具刃口的锋锐性,物理学计算值：最小极限圆弧半径 2nm； 目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什么程度还没有定论； 试验推断目前10nm； 一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半径 0.20.5 m。特殊精心研磨可达到 0.1 m。,22,刀具刃口最小半径观测,通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑
7、厚度的测量，推断目前刃口半径最小可 N时，被切削材料和刀具刃口圆弧无相对滑移，将随刀具前进，形成堆积，最后形成切屑而被去除，故,39,最小切削厚度hDmin的计算,Fx/Fy与工件材料的强度、延伸率和摩擦系数有关，并和临界点A的位置有关。根据经验，一般Fx/Fy0.81，金刚石刀具Fy=0.9Fx。切削过程中取金刚石和铝合金的摩擦系数0.120.26，则：hDmin （0.3220.249）,40,3.7.3 切削表面的形成,切削表面基本上是由刀具的挤光作用而形成。切削表面的轮廓是在垂直切削方向的平面内刀具轮廓的复映。即由切削深度和进给量综合而成。,切削表面形成的模型,41,影响切削表面粗糙度的因素 （1）切削刃的粗糙度的影响,42,（2）切削刃的复映性的影响,43,（3）鳞刺与加工变质层的影响,44,3.7.4 超精密切削的切屑形成 （1）切削深度与切屑形成,45,（2）被切削材料与切屑形成,不同结晶方位切削黄铜单晶时的切屑生成的形态变化,46,黄铜单晶切屑形成的层状滑移结构,47,加工过程所产生的误差,
