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1、精密与特种加工精密与特种加工第第1 1章章 精密切削加工精密切削加工 第第1章章 精密切削加工精密切削加工1.11.1 概概 述述Introduction1.1.1 概概 念念精密加工 精精密密加加工工是是指指加加工工精精度度和和表表面面质质量量达达到到极极高高程程度度的的加加工工工工艺艺。不不同同的的发发展展时时期期，其其技技术术指指标标有所不同。有所不同。 目目前前，在在工工业业发发达达国国家家中中，一一般般工工厂厂能能稳稳定定掌掌握握的的加加工工精精度度是是1m1m，与与之之相相对对应应，将将加加工工精精度度为为0.010.011m1m，加加工工表表面面粗粗糙糙度度RaRa在在0.020
2、.020.1m0.1m范围内的加工方法称为范围内的加工方法称为精密加工精密加工。19831983年年, ,日本田口教授经大量考察精密与特种加工日本田口教授经大量考察精密与特种加工厂后厂后, ,对当代多种加工方法所能达到的精度及其发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展趋势有个预测本本( (下页下页) )图分两个层面来看图分两个层面来看: :各种加工方法的极限各种加工方法的极限; ;发展趋势发展趋势. .1.1.1 概概 念念多种加工方法所能达到的精度及具发展趋势预测见图。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 概概 念念l英英国国Rolls-Royce公公司
3、司的的资资料料表表明明，将将飞飞机机发发动动机机转转子子叶叶片片的的加加工工精精度度由由60m提提高高到到12m，加加工工表表面面粗粗糙糙度度由由Ra0.5m减减少少到到Ra0.2m，则则发发动动机的压缩效率将从机的压缩效率将从89提高到提高到94。1.1.1 概概 念念机械工业提高零件加工精度的主要原因机械工业提高零件加工精度的主要原因u提高零件的加工精度，可提高产品的性能和质量，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。提高产品的稳定性和可靠性。l2020世世纪纪8080年年代代初初，前前苏苏联联从从日日本本引引进进了了四四台台精精密密数数控控铣铣床床，用用于于
4、加加工工螺螺旋旋桨桨曲曲面面，使使其其潜潜艇艇的的水水下下航航行行噪噪声声大大幅幅度度下下降降，即即使使使使用用精精密密的的声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。声纳探测装置也很难发现潜艇的行踪。1.1.1 概概 念念l传传动动齿齿轮轮的的齿齿形形及及齿齿距距误误差差直直接接影影响响了了其其传传递递扭扭矩矩的的能能力力。若若将将该该误误差差从从目目前前的的36m降降低低到到1m，则则齿齿轮轮箱箱单单位位重重量量所所能能传传递递的的扭扭矩矩将将提提高高近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。近一倍，从而可使目前的齿轮箱尺寸大大缩小。lBM公公司司开开发发的的磁磁盘盘，其其记记忆忆密密度度由由195
5、7年年的的300bit/cm2提提高高到到1982年年的的254万万bit/cm2，提提高高了了近近l万万倍倍，这这在在很很大大程程度度上上应应归归功功于于磁磁盘盘基基片片加加工精度的提高和表面粗糙度的减小。工精度的提高和表面粗糙度的减小。1.1.1 概概 念念u提高零件的加工精度可促进产品的小型化。提高零件的加工精度可促进产品的小型化。l自自动动化化装装配配是是提提高高装装配配生生产产率率和和装装配配质质量量的的重重要要手手段段。自自动动化化装装配配的的前前提提是是零零件件必必须须完完全全互互换换，这这就就要要求求严严格格控控制制零零件件的的加加工工公公差差，从从而而导导致致零零件件的的加加
6、工工精精度度要要求求极极高高，精精密密加加工工使使之之成为可能。成为可能。1.1.1 概概 念念u提提高高零零件件的的加加工工精精度度可可增增强强零零件件的的互互换换性性，提提高高装装配配生生产产率率，促促进进自自动动化化装装配配应应用用，推推进进自自动化生产。动化生产。1.1.1 概概 念念精密加工技术是综合性的技术。精密加工技术是综合性的技术。 实现精密加工的条件：实现精密加工的条件： 精密的机床工具设备和刀具；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；超精密加工的机理与工艺方法； 精密测量及误差补偿技术；精密测量及误差补偿技术； 超精密加工中的工件材料；超精密加工中的工件材
7、料； 稳定的环境条件。稳定的环境条件。1.1.1 概概 念念q 精密加工机床精密加工机床 精密加工机床是实现精密加工的精密加工机床是实现精密加工的首要条件首要条件首要条件首要条件。 主主要要研研究究方方向向是是提提高高机机床床主主轴轴的的回回转转精精度度，工工作作台的直线运动精度台的直线运动精度以及以及刀具的微量进给精度刀具的微量进给精度。 采用超精密级的滚动轴承。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、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。动态性能更加优异。v精精密密机机床床主主轴轴要要求求具具有有很很高高的的回回转转精精度度，转转动动平平稳，无振
8、动，其关键在于主轴轴承。稳，无振动，其关键在于主轴轴承。1.1.1 概概 念念v 工作台的直线运动精度是由导轨决定的。工作台的直线运动精度是由导轨决定的。工作台的直线运动精度是由导轨决定的。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：精密机床使用的导轨有：滚动导轨滚动导轨液体静压导轨液体静压导轨气浮导轨气浮导轨空气静压导轨空气静压导轨普通车床精度普通车床精度0.015-0.002mm 弹弹性性变变形形式式和和电电致致伸伸缩缩式式微微量量进进给给机机构构比比较较适适用用，尤尤其其是是电电致致伸伸缩缩微微量量进进给给装装置置，可可以以进进行行自自动动化化控控制制，有有较较好好的的动动
9、态态特特性性，在在精精密密机机床床进进给给系系统统中中得得到广泛的应用。到广泛的应用。 1.1.1 概概 念念vv 为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置(1)(1)金刚石晶体的晶面选择，这对刀具的使用性能有重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；要的影响；(2)(2)金刚石刀具刃口的锋利性，即刀具刃口的圆弧半径，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，影响到微它直接影响到切削加工的最小切削深度，
10、影响到微 量切除能力和加工质量。量切除能力和加工质量。1.1.1 概概 念念q 金刚石刀具金刚石刀具 金刚石刀具金刚石刀具 是精密切削加工的重要手段是精密切削加工的重要手段vv 金刚石刀具有两个重要的问题要解决：金刚石刀具有两个重要的问题要解决：金刚石刀具有两个重要的问题要解决：金刚石刀具有两个重要的问题要解决：l先先进进国国家家刃刃磨磨金金刚刚石石刀刀具具的的刃刃口口半半径径可可以以小小到到数数纳纳米米的的水水平平。我我国国目目前前刃刃磨磨的的金金刚刚石石刀刀具具的的刃刃口口半径只能达到半径只能达到0.10.10.3m0.3m。l当当刃刃口口半半径径小小于于0.0lm0.0lm时时，必必须须
11、解解决决测测量量上上的的难难题。题。 1.1.1 概概 念念q 金刚石刀具金刚石刀具 精精密密切切削削是是微微量量切切削削，微微量量切切削削过过程程中中许许多多机机理理方方面面的的问问题题都都有有其其特特殊殊性性，如如积积屑屑瘤瘤的的形形成成，鳞鳞刺刺的的产产生生，切切削削参参数数及及加加工工条条件件对对切切削削过过程程的的影影响响，以以及及它它们们对对加加工工精精度度和和表表面面质质量量的的影影响响，都都与与常常规规切削有很大的不同。切削有很大的不同。1.1.1 概概 念念q 精密切削机理精密切削机理 精精密密切切削削加加工工必必须须能能够够均均匀匀地地切切除除极极薄薄的的金金属属层，层，微
12、量切除微量切除微量切除微量切除是精密加工的重要特征之一。是精密加工的重要特征之一。1.1.1 概概 念念q 稳定的加工环境稳定的加工环境 精精密密加加工工必必须须在在稳稳定定的的加加工工环环境境下下进进行行，主主要要包包括括恒恒温温恒恒湿湿、防防振振和和空空气气净净化化三三个个方方面面的的条件。条件。(1)(1)恒恒温温恒恒湿湿. .精精密密加加工工必必须须在在严严格格的的多多层层恒恒温温条条件件下下进进行行，即即不不仅仅工工作作间间应应保保持持恒恒温温，还还必必须须对对机机床床本本身身采采取取特特殊殊的的恒恒温温措措施施，使使加加工工区的温度变化极小。区的温度变化极小。(2)(2)防防振振.
13、 .为为了了提提高高精精密密加加工工系系统统的的动动态态稳稳定定性性，除除在在机机床床结结构构设设计计和和制制造造上上采采取取各各种种减减振振措措施施外外，还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。还必须用隔振系统来消除外界振动的影响。(3)(3)空空气气净净化化. .由由于于精精密密加加工工的的加加工工精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度要要求求极极高高，空空气气中中的的尘尘埃埃将将直直接接影影响响加加工工零零件件的的精精度度和和表表面面粗粗糙糙度度，因因此此必必须须对对加加工工环环境境的的空空气气进进行行净净化化，对对大大于于某某一一尺尺寸寸的的尘尘埃埃进进行行过过滤滤。国国外外已已研研制制成成功
14、功了了对对0.1m0.1m的的尘尘埃埃有有9999净净化化效效率的高效过滤器。率的高效过滤器。1.1.1 概概 念念 当当加加工工精精度度高高于于一一定定程程度度后后，若若仍仍然然采采用用提提高高机机床床的的制制造造精精度度，保保证证加加工工环环境境的的稳稳定定性性等等误误差差预预防防措措施施提提高高加加工工精精度度，这这将将会会使使所所花花费费的的成成本本大大幅幅度度增增加加。这这时时应应采采取取另另一一种种所所谓谓的的误误差差补补偿偿措措施施，即即是是通通过过消消除除或或抵抵消消误误差差本本身身的的影影响响，达到提高加工精度的目的。达到提高加工精度的目的。1.1.1 概概 念念q 误差补偿
15、误差补偿u测量分测量分: :在线、在位和离线三种方式在线、在位和离线三种方式. .u精精密密加加工工技技术术离离不不开开精精密密测测量量技技术术，精精密密加加工工要要求求测量精度比加工精度高一个数量级。测量精度比加工精度高一个数量级。u目目前前，精精密密加加工工中中所所使使用用的的测测量量仪仪器器多多以以非非接接触触式式: :干干涉涉法法和和高高灵灵敏敏度度电电动动测测微微技技术术为为基基础础。如如激激光光干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。1.1.1 概概 念念q 精密测量技术精密测量技术 u国国外外广广泛泛发发展展非非接接触触式式测测
16、量量方方法法并并研研究究原原子子级级精精度度的的测测量量技技术术。JohanessJohaness公公司司生生产产的的多多次次光光波波干干涉涉显显微微镜镜的的分分辨辨率率为为0.5nm0.5nm，最最近近出出现现的的隧隧道道扫扫描描显显微微镜镜的的分分辨辨率率为为0.0lnm0.0lnm，是是目目前前世世界界上上精精度度最最高高的的测测量量仪仪之之一一。最最新新的的研研究究证证实实，在在扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜下下可可移移动动原原子子，实实现现精精密密工工程程的的最最终终目目标标- - -原子级精密加工。原子级精密加工。 1.1.1 概概 念念1.1.1 概概 念念隧道扫描显微镜：隧道扫描
17、显微镜： 扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的基基本本原原理理是是将将原原子子线线度度的的极极细细探探针针和和被被研研究究物物质质的的表表面面作作为为两两个个电电极极，当当样样品品与与针针尖尖的的距距离离非非常常接接近近 ( (通通常常小小于于1nm) 1nm) 时时，在在外外加加电电场场的的作作用用下下，电电子子会会穿穿过过两两个个电电极极之之间间的的势垒流向另一电极。势垒流向另一电极。 隧隧道道电电流流强强度度对对针针尖尖和和样样品品之之间间的的距距离离有有着着指指数数依依赖赖关关系系，当当距距离离减减小小0.1nm0.1nm，隧隧道道电电流流即即增增加加约约一一个个数数量量级级。因因此此，根
18、根据据隧隧道道电电流流的的变变化化，可可以以得得到到样样品品表表面面微微小小的的高高低低起起伏伏变变化化的的信信息息，如如果果同同时时对对x-yx-y方方向向进进行行扫扫描描，就就可可以以直直接接得得到到三三维维的的样样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。1.1.1 概概 念念 根根据据加加工工表表面面及及加加工工刀刀具具的的特特点点，精精密密切切削削加加工工可可分为四类，见下表。分为四类，见下表。1.1.2 精密切削加工分类精密切削加工分类1.1.2 精密切削加工分类精密切削加工分类金刚石车削金刚石车削u应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和
19、其它软金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，从而产生了工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚金刚石精密车削加工方法石精密车削加工方法。 它它们们分分别别用用于于加加工工平平面面、型型面面和和内内孔孔，也也可可以以得到极高的加工精度和表面质量。得到极高的加工精度和表面质量。 金金刚刚石石刀刀具具精精密密切切削削是是当当前前加加工工软软金金属属材材料料最最主要的精密加工方法。主要的精密加工方法。 除除金金刚刚石石刀刀具具材材料料外外，还还发发展展了了立立方方氮氮化化硼硼、复复方方氮氮化化
20、硅硅和和复复合合陶陶瓷瓷等等新新型型超超硬硬刀刀具具材材料料，它它们主要用于黑色金属的精密加工。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 精密切削加工分类精密切削加工分类l由由于于精精密密加加工工机机床床价价格格昂昂贵贵，加加工工环环境境条条件件要要求求极极高高，因因此此精精密密加加工工总总是是与与高高加加工工成成本本联联系系在在起。起。l在过去相当长的一段时期，这种观点限制了精密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、航宇航天加工的应用范围，它主要应用于军事、航宇航天等部门。等部门。1.1.3 精密加工与经济性精密加工与经济性近近十十
21、几几年年来来，随随着着科科学学技技术术的的发发展展和和人人们们生生活活水水平平的的提提高高，精精密密加加工工的的产产品品已已进进入入了了国国民民经经济济和和人人民民生生活活的的各各个个领领域域，其其生生产产方方式式也也从从过过去去的的单单件件小小批批量量生生产产走走向向大大批批量量生生产产。在在机机械械制制造造行行业业，精精密密加加工工机机床床不不再再是是仅仅用用于于后后方方车车间间加加工工工工具具、卡卡具具和和量量具具，工工业业发发达达国国家家已已将将精精密密加加工工机机床床直直接接用用于于产产品品零零件件的的精精密密加加工工，产产生生了了显显著著的的经经济济效益。效益。 1.1.3 精密加
22、工与经济性精密加工与经济性u加加工工一一块块直直径径为为l00mml00mm的的离离轴轴抛抛物物面面反反射射镜镜，用用金金刚刚石石精精密密车车削削工工艺艺成成本本只只有有用用研研磨磨-抛抛光光-手手工工修修琢琢的的传传统统工工艺艺的的成成本本的的十十几几分分之之一一，而而且且精精度度更更高高，加加工工周期由周期由1212个月缩短为个月缩短为3 3周。周。u我我国国精精密密加加上上技技术术较较落落后后，当当前前某某些些精精密密产产品品尚尚靠靠进进口口，还还有有些些精精密密产产品品靠靠老老工工人人手手艺艺制制造造，因因而而废废品品率率极高。极高。u我我国国现现在在生生产产的的某某种种高高精精度度惯
23、惯性性仪仪表表，从从十十几几台台甚甚至至几几十十台台中中才才挑挑选选出出一一台台合合格格品品，磁磁盘盘生生产产质质量量尚尚未未完完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1.1.3 精密加工与经济性精密加工与经济性 第第1章章 精密切削加工精密切削加工1.21.2 精密切削加工机理精密切削加工机理 金金属属切切削削过过程程，就就其其本本质质而而言言，是是材材料料在在刀刀具具的的作作用用下下，产产生生剪剪切切断断裂裂、摩摩擦擦挤挤压压和和晶晶格格滑滑移移变变形形的的过过程程。在在精精密密切切削削中中，采采用用的的是是微微量量切切削削方法方法, ,影响因素就
24、不同。影响因素就不同。 以以回回转转刀刀具具的的切切削削情情况况为为例例，分分析析在在过过渡渡切切削削过过程程中中刀刀具具切切削削刃刃与与工工件件表表面面的的接接触触情情况况及及工工件件材料的变形情况。材料的变形情况。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力切削变形切削变形q 过渡切削过渡切削1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力u如如图图所所示示为为单单刃刃回回转转刀刀具具铣铣削削平平面面的的切切削削过过程程。为为了了反反映映整整个个工工艺艺系系统统的的弹弹性性特特性性，假假设设刀刀具具支支持持在在具具有有一一定定弹弹性性模模数数的的支支承承上上。图图(b)(b)为为切切削削剖剖面
25、面的的情情况况，从从刀刀具具切切削削刃刃和和工工件件接接触触开开始始，刀刀具具在在工工件件上上滑滑动动一一定定的的距距离离，工工件件表表面面仅仅产产生生弹弹性性变变形形，在在切切削削刃刃移移开开之之后后，工工件件表表面面仍仍能能恢恢复复到到原原来来的的状状态态。切切削削刃刃在在工工件件表表面面上上的的这这种种滑滑动动称称为为弹性滑动弹性滑动。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力经历了了弹性、塑性和切削三个过程经历了了弹性、塑性和切削三个过程. .u随着刀具的继续回转，刀刃上的切削深度不断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，在此塑增大，在工件表面上
26、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。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切削刃在工件表面上的这种滑动称为塑性滑动。塑性滑动。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力u 在塑性滑动之后，随着刀具切入深度的增加，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，开始了前刀面上产生了切屑，开始了切削过程切削过程。由于工件。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
27、成的轮廓线不重合。与被加工表面上形成的轮廓线不重合。 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力改改变变刀刀具具的的切切入入角角g g 可可以以依依次次改改变变刀刀具具与与工工件件的的最大干涉深度，得到如图最大干涉深度，得到如图1.2(a)1.2(a)的曲线。的曲线。当当切切削削刃刃的的最最大大干干涉涉深深度度很很小小时时，即即切切入入角角 g g很很小小时时便便是是图图1.2(a)1.2(a)中中的的（1 1）状状态态。此此时时，刀刀具具仅仅在在工工件件表表面面滑滑过过，工工件件表表面面没没有有刀刀具具切切入入的的痕痕迹迹，在在刀刀具具和和被被加加工工表表面面的的全全部部接接触触长长度度上
28、上处处于于弹弹性性变变形区域。形区域。1.2.1 切削变形和切削力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，当刀具与工件的最大干涉深度达到一定的数值时，形成如图形成如图1.2(a)1.2(a)中的中的(2)(2)的切削状态。在切削开始的切削状态。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。留下沟痕，但并不产生切屑。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力 继续增大刀具与工件的最大干涉深度，便形成图继续增大刀具与工件
29、的最大干涉深度，便形成图（a a）中的）中的(3)(3)的切削状态。在切削刃和工件表面的的切削状态。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，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切入深度的减小，之后又过渡到塑性变形区和弹性变形区。变形区。 必须指出，在塑性滑动区域内也存在弹性变形区，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
30、切屑去除区，也存在塑性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。变形区和弹性变形区。 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力u零零件件的的最最终终工工序序的的最最小小切切入入深深度度应应等等于于或或小小于于零零件件的的加加工工精精度度( (允允许许的的加加工工误误差差) )。因因此此，一一种种加加工工方方法的最小切入深度反映了它的精加工能力。法的最小切入深度反映了它的精加工能力。u根根据据过过渡渡切切削削过过程程的的分分析析可可知知，当当切切入入深深度度太太小小时时，切切削削刃刃对对工工作作表表面面的的作作用用只只是是弹弹性性滑滑动动或或塑塑性性滑滑动动，并并没没有
31、有产产生生切切屑屑，因因此此最最小小切切入入深深度度要要受受到到一一些些因因素的限制。素的限制。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力q 最小切入深度最小切入深度u以车削过程为例进行切入深度的分析。以车削过程为例进行切入深度的分析。 车削过程能够成立，主要应满足下列车削过程能够成立，主要应满足下列条件条件： 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力l 切削过程应当是连续的、稳定的；切削过程应当是连续的、稳定的；l 应当保持有较高的加工精度和表面质量；应当保持有较高的加工精度和表面质量；l 刀具应有较长的使用寿命。刀具应有较长的使用寿命。 在精密切削中，采用的是微量切在精密切削中，采用
32、的是微量切削方法，切入深度较小，切削功削方法，切入深度较小，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圆弧能主要由刀具切削刃的刃口圆弧承担。承担。 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力如如图图所所示示，分分析析正正交交切切削削条条件件下下，切切削削刃刃口口圆圆弧弧处处任任一一质质点点i的的受受力力。质质点点i仅仅有有两两个个方方向向的的切切削削力力，即即垂垂直直力力pyi和和水水平平力力pzi。水水平平力力pzi使使被被切切削削材材料料质质点点向向前前移移动动，经经过过挤挤压压形形成成切切屑屑，而而垂垂直直力力pyi将将被被切切削削材材料料压压向向被被切
33、切削削零零件件本本体体，不不能能构构成切屑形成条件。成切屑形成条件。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力 最终能否形成切最终能否形成切屑，取决于作用在屑，取决于作用在此质点上的切削力此质点上的切削力pyi 和和pzi 的比值。的比值。 u 根根据据材材料料的的最最大大剪剪切切应应力力理理论论可可知知，最最大大剪剪切切应应力力应应发发生生在在与与切切削削合合力力p pi i成成4545角角的的方方向向上上。若若p pyiyi= = p pzizi ，则则作作用用在在材材料料质质点点i i上上的的最最大大剪剪应应力力与与切切削削运运动动方方向向一一致致，该该质质点点i i处处材材料料被被刀
34、刀具具推推向向前前方方，形形成成切切屑屑，而而质质点点i i处处位位置置以以下下的的材材料料不不能能形形成成切切屑屑，只只产产生生弹弹性、塑性变形。性、塑性变形。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力u故：故：l当当p pzizippyiyi 时，材料质点被时，材料质点被推向切屑运动方向，形成切推向切屑运动方向，形成切屑；屑；l当当p pzizipF FZ Z，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。，这是精密切削时切削力变化的特殊规律。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力vv 进给量进给量进给量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。用天然金刚石车刀进行精密切削试
35、验，其试验结果见下表。结论：结论：用天然金刚石车刀进行精密切削时，用天然金刚石车刀进行精密切削时，F FZ ZFFY Y。切削力F（0.01N)进给量f(mm/r)0.010.020.040.100.20FZ20264896160FY451217301.2.1 切削变形和切削力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）0.0020.0040.0080.0160.032FZ 15375267FY2527333739结论：结论：使用硬质合金车刀时，切削深度对切削力有使用硬质合金车刀时，切
36、削深度对切削力有明显的影响，且对明显的影响，且对F FZ Z的影响大于对的影响大于对F FY Y的影响。切削的影响。切削深度小于一定值时，则深度小于一定值时，则F FY Y F FZ Z 。 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力v 切削深度切削深度切削深度切削深度切削力F（0.01N) 切削深度ap (mm) （金刚石车刀）0.0030.0060.010.020.03FZ 1017264550FY23579结论：结论：使用天然金刚石车刀时，使用天然金刚石车刀时， F FZ Z仍然大于仍然大于F FY Y。1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力1.2.1 切削变形和切削力切削变形和
37、切削力原因：原因： 切切削削用用量量直直接接影影响响主主切切削削力力F FZ Z的的大大小小。当当切切削削用用量量减减小小时时，F FZ Z随之减小。随之减小。 切切削削刃刃口口半半径径的的大大小小决决定定后后刀刀面面上上正正压压力力大大小小，直直接接影影响响着径向切削力（垂直轴向）着径向切削力（垂直轴向）F FY Y的大小的大小。 由由于于切切削削刃刃口口半半径径是是一一固固定定值值，所所以以当当切切削削用用量量减减小小到到一一定定值值之之后后，F FY Y才才能能大大于于F FZ Z。但但是是由由于于天天然然金金刚刚石石车车刀刀可可以以磨磨得得很很锋锋利利，切切削削刃刃口口半半径径可可以以
38、比比硬硬质质合合金金的的小小许许多多倍倍，因因此此由由刃刃口口圆圆弧弧部部分分产产生生的的挤挤压压小小，后后刀刀面面上上的的正正压压力力小小，从从而而F FY Y小小，虽然是微量切削，虽然是微量切削，F FZ Z仍然大于仍然大于F FY Y 。 对比：对比：对比：对比：F FZ Z与与F FY Y的比值的比值apap、f f 对切削力的影响对切削力的影响一般切削一般切削总是大于总是大于1 1apap影响大于影响大于f f精密切削精密切削可以小于可以小于1 1（当切削用量同刃口半（当切削用量同刃口半径之比值达到一定数值径之比值达到一定数值时）时）f f影响大于影响大于apap原因原因取决于切削用
39、量取决于切削用量(f(f、ap)ap)同刀具刃口半径的同刀具刃口半径的比值比值精密切削时通常采用进给精密切削时通常采用进给量量f f 大于切削深度大于切削深度apap的切的切削方式有关削方式有关1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力vv 刀具材料刀具材料刀具材料刀具材料 天天然然金金刚刚石石对对金金属属的的摩摩擦擦系系数数比比其其它它刀刀具具材材料料要要小小得得多多，而而且且天天然然金金刚刚石石能能刃刃磨磨出出极极小小的的刃刃口口半半径径，所所以以在在精精密密切切削削时时，采采用用天天然然金金刚刚石石刀刀具具所所产产生生的的切削力要比其它材料刀
40、具小。切削力要比其它材料刀具小。v 其它其它其它其它 刀刀具具几几何何角角度度、切切削削液液等等对对切切削削力力的的影影响响同同一一般般切削相似。切削相似。 1.2.1 切削变形和切削力切削变形和切削力u变形所消耗的功转变为热变形所消耗的功转变为热 包包括括两两部部分分：弹弹性性变变形形所所消消耗耗的的功功和和塑塑性性变变形形所消耗的功。所消耗的功。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液切削热q 切削热的来源切削热的来源 切切削削热热来来自自三三个个切切削削变变形形区区的的金金属属弹弹性性变变形形、塑性变形和摩擦。塑性变形和摩擦。u摩擦所消耗的功转变为热摩擦所消耗的功转变为热 包包括括两两部
41、部分分：前前刀刀面面与与切切屑屑摩摩擦擦所所产产生生的的热热和和后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。后刀面与工件已加工表面摩擦所产生的热。 切切削削温温度度: :一一般般是是指指切切屑屑、工工件件和和刀刀具具接接触触表表面面 上的平均温度。上的平均温度。 1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液q 切削温度切削温度刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响刀具刀尖附近的温度最高，对切削过程的影响最大。最大。切削温度的高低决定于切削时切削热切削温度的高低决定于切削时切削热产生产生的多的多少和少和散热散热条件。条件。 切切削削时时大大量量的的切切削削热热是是由由切切屑屑、工工件件、刀刀具具和和周周
42、围围介介质质传传导导的的。一一般般地地，切切屑屑传传出出的的热热量量最最多多，其余依次为刀具、工件及周围介质。其余依次为刀具、工件及周围介质。精精密密切切削削时时，当当切切削削单单位位从从数数微微米米缩缩小小到到小小于于1 1m m时时，刀刀具具的的刀刀尖尖部部分分会会受受到到很很大大的的应应力力作作用用，在在单单位位面面积积上上会会产产生生很很大大的的热热量量，使使刀刀尖尖局局部部区区域产生极高的温度。域产生极高的温度。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液l金金属属材材料料是是由由数数微微米米到到数数百百微微米米的的微微细细晶晶粒粒组组成成，在在晶
43、晶粒粒内内部部，一一般般情情况况下下大大约约1m1m左左右右的的间间隔隔内内就就有有一一个个位位错错缺缺陷陷。当当切切削削单单位位较较大大时时，在在切切削削力力作作用用下下，工工件件材材料料不不是是整整个个晶晶体体的的滑滑移移面面上上的的原原子子一一起起产产生生位位移移，而而是是通通过过位位错错运运动动形形成成滑滑移移（塑塑性性变变形形），所所以以实实际际剪剪切切强强度度远远远远小小于于理理论论剪剪切切强强度度，刀刀具具刀刀尖尖部部分分受受到到的的平平均均应应力力并并不很大。不很大。原因：原因：1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液l当当切切削削单单位位小小于于位位错错缺缺陷陷平平均均间间隔
44、隔1m1m时时，在在这这狭狭窄窄区区域域内内是是不不会会发发生生由由于于位位错错线线移移动动而而产产生生的的材材料料滑滑移移变变形形的的，因因此此也也就就使使其其剪剪切切强强度度接接近近理理论论剪剪切切强强度度，这这时时，刀刀具具刀刀尖尖部部分分受受到到的的平平均均应力将很大，使应力将很大，使刀尖局部区域产生极高的温度。刀尖局部区域产生极高的温度。措施：措施： 采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和采用耐热性高、耐磨性强，有较好的高温硬度和高温强度的刀具材料。高温强度的刀具材料。在在精精密密加加工工中中，由由于于热热变变形形引引起起的的加加工工误误差差占占总总误误差差的的40407070。
45、因因此此，在在精精密密加加工工中中必必须须严严格格控控制制工工件件的的温温升升和和环环境境温温度度的的变变化化，否否则则无无法法达达到到精精密加工所要求的高精度。密加工所要求的高精度。切削热对精密加工影响很大切削热对精密加工影响很大. .例例如如精精密密加加工工l00mml00mm长长的的铝铝合合金金零零件件，温温度度每每变变化化11，将将产产生生2.252.25m m的的误误差差。若若要要求求确确保保0.1m0.1m的的加加工工精精度度，则则工工件件及及环环境境温温度度变变化化就就必必须须控控制制在在0.050.05的范围内。的范围内。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液q 切削热的影响
46、及控制切削热的影响及控制l 切削液的浇注方式切削液的浇注方式： 采用浇注加淋浴式，若将大量的采用浇注加淋浴式，若将大量的200.5200.5的切削的切削液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工液喷射到工件上，使整个工件被包围在恒温油内，工件温度便可控制在件温度便可控制在200.5200.5的范围内。的范围内。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液减小切削热对精密加工影响的主要措施：减小切削热对精密加工影响的主要措施：u 采用切削液浇注工件的方法采用切削液浇注工件的方法。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液l 切削液的冷却方式：切削液的冷却方式： 通通过过在在切切削削液液箱箱内内设设
47、置置螺螺旋旋形形铜铜管管，管管内内通通以以自自来来水水，使使切切削削液液冷冷却却，通通过过控控制制水水的的流流量量来来达达到到控控制制切切削削液液温温度度的的目目的的。必必要要时时还还可可以以在在冷冷却却水水箱箱中中放放入入冰冰块块，通通过过冰冰水水混混合合液液能能可可靠靠地地把把切削温度控制在所要求的范围内。切削温度控制在所要求的范围内。 u 优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热优化刀具几何角度，切削用量可减小切削热。 右右 图图 的的 曲曲 线线 是是 在在 SI-SI-125125精精密密车车床床上上用用金金刚刚石石刀刀具具切切削削铝铝合合金金时时，干干切切削削与与使使用用切切削削液液
48、的的切切削削对对比比。从从图图中中可可知知，干干切切削削后后的的粗粗糙糙度度比比用用切切削削液液时时的的差差1 11.51.5个个小级，甚至一个大级。小级，甚至一个大级。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液切削液切削液q 切削液对精密加工的影响 试验结论：试验结论：我我国国,30,30的的豆豆油油加加7070混混合合油油效效果果最最好好。2020的的氯氯化化石石蜡蜡加加1 1的的二二烷烷基基二二硫硫化化磷磷酸酸锌锌和和7979的的混混合合油油的的效效果果同同它它接接近近。2020氯氯化化石石蜡蜡加加8080的的混混合合油油效效果果次次之之。而而混混合合油油的的效果最差。效果最差。 1.2.
49、2 切削热和切削液切削热和切削液切切削削液液通通过过渗渗透透到到接接触触面面上上，湿湿润润刀刀具具表表面面，并并牢牢固固地地附附着着在在刀刀具具表表面面上上形形成成一一层层润润滑滑膜膜，达达到到减减少少刀具与工件材料之间摩擦的效果。刀具与工件材料之间摩擦的效果。表面吸附可分为表面吸附可分为物理吸附和化学吸附物理吸附和化学吸附。试试验验结结果果表表明明，由由混混合合油油分分子子形形成成一一层层物物理理吸吸附附薄薄膜膜的的效效果果最最差差。由由氯氯化化物物形形成成的的化化学学膜膜效效果果较较好好。由由氯氯化化物物、硫硫化化物物形形成成的的化化学学膜膜效效果果更更好好。加加入入少少量量豆豆油油而而形
50、形成成的的物物理理厚厚膜膜效效果果最最好好，能能获获得得最最小小的的表面粗糙度。表面粗糙度。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液q 切削液的作用机理切削液的作用机理一一般般情情况况下下，化化学学膜膜比比物物理理吸吸附附膜膜能能耐耐更更高高的的温温度度及及应应力力。按按理理说说，润润滑滑效效果果更更好好，能能获获得得更更小小的的表表面面粗粗糙糙度度，但但是是形形成成的的化化学学膜膜是是硫硫及及氯氯同同刀刀具具表表面面的的化化学学成成分分形形成成硫硫化化物物或或氯氯化化物物，这这些些化化合合物物在在切切削削过过程程中中会会脱脱落落，影影响响刀刀具具表表面面的的粗粗糙糙度度，从从而而影影响到工件
51、表面的粗糙度。响到工件表面的粗糙度。物物理理吸吸附附厚厚膜膜即即使使脱脱落落也也不不会会影影响响刀刀具具表表面面的的粗粗糙糙度。度。1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液 结论结论： 物理吸附厚膜比化学吸附膜效果好，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。能获得更小的表面粗糙度。 1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液(1)(1)抑抑制制积积屑屑瘤瘤的的生生成成。精精密密切切削削中中，积积屑屑瘤瘤会会严严重重影影响响加加工工表表面面粗粗糙糙度度，因因此此使使用用切切削削液液减减小小乃乃至至消消除除积积屑屑瘤瘤对对提高精密切削的加工表面质量具有很好的效果。提高精密切削的加工表
52、面质量具有很好的效果。(2)(2)降低加工区域温度，稳定加工精度。降低加工区域温度，稳定加工精度。(3)(3)减减少少切切削削力力。切切削削液液可可使使刀刀具具与与切切屑屑及及工工件件加加工工表表面面之之间的摩擦减少，从而使切削力减少。间的摩擦减少，从而使切削力减少。(4)(4)减小刀具磨损，提高刀具耐用度。减小刀具磨损，提高刀具耐用度。 1.2.2 切削热和切削液切削热和切削液q 其它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：精密切削中，使用切削液有如下作用：1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损
53、及耐用度在精密切削中广泛应用金刚石作为刀具材料。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q 金刚石刀具的磨损形式金刚石刀具的磨损形式金刚石刀具的磨损形式金刚石刀具的磨损形式机械磨损机械磨损粘结磨损粘结磨损相变磨损相变磨损扩散磨损扩散磨损破损破损硬质点磨损等硬质点磨损等机械磨损机械磨损 （常见）（常见）破损破损 （常见）（常见）碳化磨损碳化磨损 （较少见）（较少见）刀具磨损形式有：刀具磨损形式有：金刚石刀具的磨损为：金刚石刀具的磨损为：u刀刀具具开开始始切切削削的的初初磨磨阶阶段段，刀刀具具和和工工件件、切切屑屑的的接接触触表表面面高高低低不不平平，形形成成犬犬牙牙交交错错
54、现现象象，在在相相对对运运动动中中，双双方方的的高高峰峰都逐渐被磨平。都逐渐被磨平。u更更多多的的机机械械磨磨损损是是由由于于切切屑屑或或工工件件表表面面有有一一些些微微小小的的硬硬质质点点，如如碳碳化化物物等等，在在刀刀具具前前刀刀面面上上划划出出沟沟纹纹而而造造成成的的磨磨料料磨损。磨损。u金刚石刀具使用一段时间后，在金刚石刀具使用一段时间后，在前后刀面前后刀面上出现细长而光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。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。
55、 1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度v 机械磨损机械磨损金刚石刀具磨损分为：机械磨损、破损和碳化磨损金刚石刀具磨损分为：机械磨损、破损和碳化磨损 随随着着切切削削距距离离的的增增长长，副副后后刀刀面面上上磨磨损损增增大大，并并出出现现两两段段不不同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。同的磨损部分，这两部分的长度相同，等于走刀量。 直直线线刃刃刀刀具具的的磨磨损损情情况况如如图图所所示示，右右边边的的磨磨损损部部分分磨磨损损量量很很大，称为大，称为第第I I磨损区磨损区，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。，主要是因为由这段切削刃去除加工余量。1.2.3 刀具磨损、
56、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度 左左边边磨磨损损部部分分的的磨磨损损量量较较小小，称称为为第第磨磨损损区区，这这是是因因为为右右边边部部分分的的切切削削刃刃出出现现了了磨磨损损，使使左左边边部部分分切切削削刃刃参参加加切切削削，切切去去I I区区残残留留的的余余量量，因因此此区区的的切切削削刃刃也也产产生生了了一一定定的的磨磨损损。但但由由于于I I区区切切削削刃刃切切削削的的深深度度远远远远大大于于区区切切削削刃刃切切削削深深度度，两两个个磨磨损损区区的的磨磨损损量量大大不不相相同同，即即形形成成了了阶阶梯梯形形磨磨损。损。前刀面前刀面上的磨损是切屑流过前刀面引起的，在切屑的摩上的磨损是
57、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。和刀具形状有关。 刀刀尖尖半半径径为为2m、刀刀具具材材料料为为天天然然金金刚刚石石、工工件件材材料料为为铝铝镁镁合合金金。当当切切削削距距离离为为100km时时凹凹槽槽的的深深度度达到达到0.1m 。 1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度l金金刚刚石石刀刀具具的的这这种种机机械械磨磨损损量量非非常常微微小小，刀刀具具后后刀刀面面的的磨磨损损区区及及前前刀刀面面的的磨磨损损凹凹槽槽表表面面非非常常平平滑滑，使使用用这这种种磨磨损损的
58、的刀刀具具进进行行加加工工不不会会显显著著地影响加工表面质量。地影响加工表面质量。1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度 小结：小结： 粘结磨损粘结磨损 工工件件或或切切削削表表面面与与刀刀具具表表面面的的粘粘结结点点，由由于于切切削削运运动动将将刀刀面面上上的的微微粒粒带带走走，从从而而造造成成刀刀具具磨磨损。损。1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度相变磨损相变磨损 当当切切削削温温度度大大于于等等于于刀刀具具材材料料的的相相变变温温度度时时，使使金金相相组组织织发发生生变变化化，刀刀具具表表面面的的马马氏氏体体组组织织将将转转化化为为托托氏氏体体或或索
59、索氏氏体体组组织织，这这种种使使硬硬度度降降低低而而造成的磨损造成的磨损扩散磨损扩散磨损 工工件件在在加加工工过过程程中中，工工模模具具与与工工件件表表面面在在高高温温或或高高压压下下，相相互互紧紧密密贴贴合合，并并发发生生相相互互吸吸引引和和粘粘着着，致致使使工工模模具具与与工工件件表表面面的的材材料料发发生生相相互互扩扩散散，造造成成表表面面合合金金元元素素的的贫贫化化或或富富化化，导导致致工工模模具具表表面面与与基基体体的的成成分分发发生生差差异异，弱弱化化了了工工模模具具表表面面的的抗抗磨磨损损性性能能，加加快快了了磨磨损损速速度度，从从而而降降低低了了工工模模具寿命。具寿命。1.2.
60、3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度结构缺陷可产生裂纹；结构缺陷可产生裂纹；当当切切屑屑经经过过刀刀具具表表面面时时，金金刚刚石石受受到到循循环环应应力力的的作用可产生裂纹；作用可产生裂纹；刀具表面研磨应力会产生裂纹。刀具表面研磨应力会产生裂纹。 这这些些裂裂纹纹在在切切削削过过程程中中会会加加剧剧，进进而而造造成成刀刀具具的的严重破损。严重破损。1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度v 刀具的破损刀具的破损金刚石刀具破损的原因为如下几种：金刚石刀具破损的原因为如下几种：u裂纹裂纹 是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定结晶方向破是指矿物晶体在外力作用下严格沿着一定
61、结晶方向破裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为裂，并且能裂出光滑平面的性质，这些平面称为解理面解理面。 解理是解理是晶体异向性晶体异向性的表现之一，矿物晶体的解理严格的表现之一，矿物晶体的解理严格受其内部结构的控制。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。弱，晶粒易于平行此面破裂。 1.2.3 刀具磨
62、损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度u解理解理 a a、在切削过程中受到冲击、在切削过程中受到冲击 b b、在切削过程中受到振动、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。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、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度u碎裂碎裂 断口断口 则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面则是矿物或岩石受力后产生的不规则破裂面 。初期磨损初期磨损正常磨损阶段正常磨损阶段急剧磨损阶段急剧磨损阶段1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度刀具的耐用度q 刀具的磨损过程划分为三个阶段：刀具的磨损过程划分为三个阶
63、段：刀具的磨损过程划分为三个阶段：刀具的磨损过程划分为三个阶段：u工艺磨损限度工艺磨损限度工工。 工工艺艺磨磨损损限限度度是是根根据据工工件件表表面面粗粗糙糙度度及及尺尺寸寸精精度度的的要要求求而而制制定定的的。当当刀刀具具磨磨损损到到一一定定数数值值时时，工工件件表表面面粗粗糙糙度度增增大大尺尺寸寸精精度度下下降降，并并有有可可能能超超出出所所要要求求的的表表面面粗粗糙糙度度及及公公差差范范围围，因此必须予以限制。因此必须予以限制。 1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度q 刀具磨钝标准有两种：u合理磨损限度合理磨损限度合合 这这是是由由合合理理使使用用刀刀具具材材料料的的
64、观观点点出出发发而而制制定定的的磨磨损损限限度度。因因为为刀刀具具磨磨损损限限度度定定得得太太大大或或太太小小都都会会浪浪费费刀刀具具材材料料。只只有有取取正正常常磨磨损损阶阶段段终终了了之之前前的的磨磨损损量量合合作作为为磨磨损损限限度度才才能能最最经经济地使用刀具。济地使用刀具。 1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度q 刀具磨钝标准有两种：u定定义义 刀刀具具由由开开始始切切削削到到磨磨钝钝为为止止的的切切削削总总时时间间称称为为刀刀具具耐耐用用度度，它它代代表表刀刀具具磨磨损损的的快快慢慢程度。程度。u刀刀具具耐耐用用度度愈愈大大，则则表表示示刀刀具具的的磨磨损损愈愈
65、慢慢，因因此此影影响响刀刀具具磨磨损损的的因因素素，都都会会影影响响刀刀具具耐耐用度。用度。 1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度q 刀具耐用度：天天然然单单晶晶金金刚刚石石是是精精密密切切削削中中最最重重要要的的刀刀具具材材料，它是目前已知的最硬的材料。料，它是目前已知的最硬的材料。天天然然单单晶晶金金刚刚石石刀刀具具用用于于精精密密切切削削，其其破破损损或或磨磨损损而而不不能能继继续续使使用用的的标标志志是是加加工工表表面面粗粗糙糙度度超过规定值。超过规定值。金金刚刚石石刀刀具具的的耐耐用用度度平平时时以以其其切切削削路路程程的的长长度度表表示示。如如切切削削条条件件正
66、正常常，金金刚刚石石刀刀具具的的耐耐用用度度可达数百公里。可达数百公里。1.2.3 刀具磨损、破损及耐用度刀具磨损、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，不能继续使金刚石刀具很快产生刀刃微观崩刃，不能继续使用。用。 在金刚石刀具设计时，应正确选择金刚石晶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。解理破损的产生概率。1.2.3 刀具
67、磨损、破损及耐用度刀具磨损、破损及耐用度u提高金刚石刀具的耐用度的提高金刚石刀具的耐用度的措施措施： 第第1章章 精密切削加工精密切削加工1.31.3 精密切削加工机床及应用精密切削加工机床及应用二二战战后后，美美国国首首先先发发展展了了金金刚刚石石刀刀具具精精密密切切削削技技术，并为此发展了术，并为此发展了空气轴承空气轴承的高性能精密车床。的高性能精密车床。5050年年来来，研研究究开开发发了了超超精精密密切切削削机机床床。超超精精密密切切削削机机床床是是综综合合性性新新技技术术的的结结晶晶，它它综综合合应应用用多多项项近近代代新新技技术术于于精精密密机机床床，使使精精密密机机床床产产生生质
68、质的的飞飞跃。跃。近近年年来来，精精密密和和超超精精密密切切削削技技术术在在民民用用产产品品中中亦亦得得到到广广泛泛的的应应用用，如如加加工工计计算算机机磁磁盘盘，复复印印机机的的硒鼓，录像机磁鼓，激光打印机的多棱镜等。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。一些高生产率的中小型超精密机床陆续开发成功。美美国国、日日本本、英英国国、荷荷兰兰，德德国国等等工工业业发发达达国国家家都都有有工工厂厂、研研究究所所生生产产和和研研究究开开发发超超精精密密机机床床，并达到了较高的水平。并达到了较高的水平。 四方面
69、：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化。四方面：高精度、高刚度、高稳定性、高自动化。1.3.1 精密机床发展概况精密机床发展概况国外国外我国在我国在2020世纪世纪6060年代起开始发展精密机床。年代起开始发展精密机床。昆昆明明机机床床厂厂、汉汉川川机机床床厂厂生生产产多多种种坐坐标标镗镗床床，最最新新的的坐坐标标镗镗床床已已有有精精密密数数控控系系统统。重重庆庆机机床床厂厂、武武汉汉机机床床厂厂能能生生产产高高精精度度的的滚滚齿齿机机。重重庆庆机机床床厂厂、上上海海机机床床厂厂等等均均能能生生产产高高精精度度的的蜗蜗轮轮母母机机，使使加加工工的的蜗蜗轮轮精精度度明明显显提提高高。北北京京机机床
70、床研研究究所所、航航空空精精密密机机械械矶矶究究所所等等都都已已批批量量生生产产多种规格的多种规格的三坐标测量机三坐标测量机。1.3.1 精密机床发展概况精密机床发展概况国内19871987年年北北京京密密云云机机床床研研究究所所研研究究成成功功加加工工球球面面的的JSC-027JSC-027型超精密车床。型超精密车床。北北京京航航空空精精密密机机械械研研究究所所研研制制成成功功的的空空气气轴轴承承的的超精密车床和金刚石镗床，性能良好。超精密车床和金刚石镗床，性能良好。哈哈尔尔滨滨工工业业大大学学研研制制成成功功的的带带激激光光在在线线测测量量的的空空气轴承主轴数控超精密车床，具有良好的性能。
71、气轴承主轴数控超精密车床，具有良好的性能。1.3.1 精密机床发展概况精密机床发展概况国内 普普通通车车床床径径向向跳跳动动通通常常为为0.01mm0.01mm，导导轨轨平平直直度度为为0.02mm/1000mm0.02mm/1000mm；精精密密车车床床的的主主轴轴径径向向跳跳动动通通常常为为0.0030.0030.005mm0.005mm，导导轨轨平平直直度度为为0.01mm/1000mm0.01mm/1000mm。超超精精密密加加工工机机床床的的技技术术要要求求则则更更高高，其其各各项项精精度度指指标标如表所示。如表所示。 1.3.2 精密机床的精度指标精密机床的精度指标精密和超精密加工
72、机床的精度指标u通通常常，加加工工设设备备的的精精度度必必须须高高于于零零件件精精度度，有有时时要要求求高高于于零零件件精精度度一一个个数数量量级级，即即超超精精加加工工机机床床的的高高精精度度指指标标取取决决于加工零件的高精度。于加工零件的高精度。u日日本本精精机机学学会会机机床床研研究究专专业业组组曾曾提提出出超超精精密密加加工工机机床床精精度度指标的提案，见表指标的提案，见表1.71.7。1.3.2 精密机床的精度指标精密机床的精度指标主主轴轴的的回回转转精精度度要要求求极极高高，并并且且要要求求主主轴轴转转动动平平稳稳、无无振动，其关键在于所用的精密轴承。振动，其关键在于所用的精密轴承
73、。早期采用的是超精密的滚动轴承早期采用的是超精密的滚动轴承。（制造难度大）。（制造难度大）目前多使用液体静压轴承和空气静压轴承。目前多使用液体静压轴承和空气静压轴承。 1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件液体静压轴承主轴液体静压轴承主轴液体静压轴承主轴液体静压轴承主轴 液液体体静静压压轴轴承承回回转转精精度度可可达达0.10.1m m，且且转转动动平平稳稳，无无振振动动，因因此此有有些些超超精精密密机机床床主主轴轴使使用用这种轴承。这种轴承。 压压力力油油通通过过节节流流孔孔进进入入轴轴承承耦耦合合面面间间的的油油腔腔，使使轴轴在在轴轴套套内内悬悬浮浮，不不产产生生固固体体摩摩擦擦。当当轴轴受
74、受力力偏偏歪歪时时，耦耦合合面面间间泄泄油油的的间间隙隙改改变变，相相对对油油腔腔产产生生油油的的压压力力差差，这这种种油油的的压压力力差差将将振振动动主主轴轴回回到到原来的中心位置。原来的中心位置。1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件q 液体静压轴承主轴结构油压油压0.6-1Mpau液液体体静静压压轴轴承承的的油油温温升升高高。在在不不同同转转速速时时温温度度升升高高值值不不相相同同，因因此此要要控控制制恒恒温温。温温升升造造成成的的热热变变形会影响主轴精度。形会影响主轴精度。u静静压压油油回回油油时时将将空空气气带带入入油油源源中中，形形成成微微小小气气泡泡不不易易排排出出，这这将将降降低
75、低液液体体静静压压轴轴承承的的刚刚度度和和动动特特性。性。 1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件q 液体静压轴承的缺点： 具具有有回回转转精精度度高高、刚刚性性较较高高、转转动动平平稳稳、无无振振动的特点，广泛用于超精密机床。动的特点，广泛用于超精密机床。q 液体静压轴承的优点：1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件u提提高高静静压压油油的的压压力力，使使油油中中微微小小气气泡泡的的影影响响减减小。小。u静静压压轴轴承承用用油油经经温温度度控控制制，基基本本达达到到恒恒温温；同同时轴承采用恒温水冷却，减小轴承的温升。时轴承采用恒温水冷却，减小轴承的温升。q 采取的相应措施： 由由于于空空气气的的
76、粘粘度度小小，磨磨檫檫小小产产热热小小，主主轴轴在在高高速速转转动动时时空空气气温温升升很很小小，因因此此造造成成的的热热变变形形误误差差很很小小. 空空气气轴轴承承的的刚刚度度较较低低，只只能能承承受受较较小小的的载载荷荷。而而超超精精密密切切削削时时切切削削力力很很小小，空空气气轴轴承承能能满满足足要要求求.故广泛使用故广泛使用.(它的应用促进了它的应用促进了超超精密机床的发展精密机床的发展.) 大大型型精精密密/超超精精密密机机床床广广泛泛采采用用液液压压静静压压轴轴承承主主轴轴.1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件空气静压轴承主轴使用的是干燥过滤空气http:/ 1.3.3 精密主轴部
77、件精密主轴部件主轴的驱动方式主要介绍三种驱动方式q1.电动机通过带传动驱动(早期多采用)u这这种种方方案案是是将将调调速速电电机机通通过过柔柔性性联联轴轴器器与与机机床床主主轴轴联联结结在在同同一一轴轴线线上上，结结构构紧紧凑凑，目目前前在在超超精精密密机床中使用较普遍。机床中使用较普遍。 u采采用用这这种种主主轴轴驱驱动动方方案案时时，为为了了提提高高主主轴轴回回转转精精度度，电电动动机机应应经经过过精精密密动动平平衡衡，电电动动机机安安装装时时尽尽量量保保证证电电动动机机轴轴和和主主轴轴同同心心，并并用用柔柔性性联联轴轴器器消消除除安安装装误误差差引引起起的的振振动动和和回回转转误误差差。
78、 但但主主轴轴部部件件轴向长度较长轴向长度较长, ,使机床尺寸变大使机床尺寸变大. .1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件q 2.电动机通过柔性联轴器驱动机床主轴u这这种种方方案案是是将将电电动动机机的的转转子子直直接接装装在在机机床床主主轴轴上上，电电动动机机的的定定子子装装在在主主轴轴箱箱内内，依依靠靠机机床床的的高高精精度度空空气气轴轴承承支支承承转转子子的的转转动动。电电动动机机采采用用无无刷刷直直流流电动机。电动机。u内装式同轴电动机驱动机床主轴内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个问题存在一个问题：u电电动动机机工工作作时时定定子子将将发发热热产产生生温温升升，使使主主轴轴部部件件产
79、产生生热热变变形形。采采取取使使电电动动机机定定子子强强制制通通气气冷冷却却或或定定子子外外壳壳做做成成夹夹层层，通通恒恒温温油油( (或或水水) )冷冷却却等等措措施施，可基本解决这个问题。可基本解决这个问题。 1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件q 3. 3.采用内装式同轴电动机驱动机床主轴 此方式电动机与机床主轴同轴此方式电动机与机床主轴同轴, ,提高回转精度提高回转精度, ,主轴箱轴向长度缩短主轴箱轴向长度缩短, ,主轴箱成为一个独立的、很主轴箱成为一个独立的、很方便移动的部件方便移动的部件. .1.3.3 精密主轴部件精密主轴部件床床身身和和导导轨轨是是精精密密机机床床的的基基础础件
80、件，其其材材料料性性能能对精密机床的整体性能有较大的影响。对精密机床的整体性能有较大的影响。床床身身和和导导轨轨材材料料应应具具有有尺尺寸寸稳稳定定性性好好，热热膨膨胀胀系系数数小小，振振动动衰衰减减能能力力强强，耐耐磨磨性性好好，加加工工工工艺性好等特性。艺性好等特性。 1.3.4 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件床身和导轨的材料 过过去去滚滚动动导导轨轨都都是是使使用用滚滚柱柱直直线线滚滚动动轴轴承承，滚滚柱柱带带保保持持架架在在导导轨轨的的偶偶合合面面作作直直线线滚滚动动，轴轴承承长长度度根根据据工工作作行行程程决决定定。通通过过使使用用高高精精度度滚滚柱柱和和施施加加一一定定的的预
81、预载载应应力力，可可以以得得到到较较高高的直线运动精度。的直线运动精度。 1.3.4 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件导轨类型q 滚动导轨 滚动导轨在一般机床和精密机床滚动导轨在一般机床和精密机床中应用多年，滚动导轨技术不断提中应用多年，滚动导轨技术不断提高。直线运动的精度可以达到微米高。直线运动的精度可以达到微米级精度，摩擦系数可以达到级精度，摩擦系数可以达到0.0030.003以下。以下。v 直线滚动轴承导轨直线滚动轴承导轨u再再循循环环滚滚动动组组件件由由于于滚滚动动体体的的再再循循环环，它它的的工工作作行行程程长度不受限制。长度不受限制。u根根据据滚滚动动体体的的类类型型不不同同，
82、有有再再循循环环滚滚柱柱滚滚动动组组件件和和再再循环循环滚珠滚珠滚动组件两种类型。滚动组件两种类型。1.3.4 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件v 再循环滚动组件再循环滚动组件 由由于于导导轨轨运运动动速速度度不不高高( (精精密密加加工工一一般般进进刀刀量量很很小小），液液体体静静压压导导轨轨的的温温度度升升高高不不严严重重，而而液液体体静静压压导导轨轨刚刚度度高高，承承载载能能力力强强，直直线线运运动动精精度度高高并并且平稳现象。且平稳现象。1.3.4 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件q 液体静压导轨 气气浮浮导导轨轨和和空空气气静静压压导导轨轨可可以以得得到到很很高高的的直直线线
83、运运动动精精度度，运运动动平平稳稳，无无爬爬行行，摩摩擦擦系系数数几乎为零，不发热。几乎为零，不发热。1.3.4 床身和精密导轨部件床身和精密导轨部件q 气浮导轨和空气静压导轨http:/ 进给驱动系统进给驱动系统 工工件件的的加加工工精精度度是是由由成成形形运运动动的的精精度度决决定定的的。成成形形运运动动包包括括主主运运动动和和进进给给运运动动。进进给给运运动动的的精精度是由进给系统精度决定的度是由进给系统精度决定的.u有有刀刀具具相相对对工工件件作作纵纵向向(z(z向向) )和和横横向向(x(x向向) )运运动动的的精精密密数数控控系系统统驱驱动动，以以便便完完成成各各种种曲曲面面的的精
84、精密加工。密加工。u精精密密数数控控系系统统具具有有很很高高的的分分辨辨率率，达达到到每每脉脉冲冲在在z z向向或或X X向向的的移移动动量量为为0.010.01m m。通通过过精精密密双双频频激激光光测测量量系系统统检检测测z z向向和和X X向向的的位位移移并并反反馈馈给给精精密数控系统，形成闭环控制系统。密数控系统，形成闭环控制系统。 1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统精密数控系统q 要求：采用精密滚珠丝杠副作为进给系统的驱动元件。采用精密滚珠丝杠副作为进给系统的驱动元件。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统滚珠丝杠副驱动u 优点：优点：l摩擦力很小。摩擦力很小。l进行适当的顶紧，可消
85、除正、反转之间回程间隙。进行适当的顶紧，可消除正、反转之间回程间隙。l使用双频激光检测系统，可消除丝杠积累误差。使用双频激光检测系统，可消除丝杠积累误差。l高精密级的滚珠丝杠副可以做到相邻螺距误差高精密级的滚珠丝杠副可以做到相邻螺距误差0.50.5l lm m，积累螺距误差，积累螺距误差3 35 5m/300mmm/300mm。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统u 缺点：缺点：l丝杠螺距在进给全程中存在误差，进给运动不平衡。丝杠螺距在进给全程中存在误差，进给运动不平衡。空空气气静静压压丝丝杠杠副副的的进进给给运运动动极极为为平平稳稳，但但因因刚刚度略低，正反运动变换时将有微量的空行程。度略低
86、，正反运动变换时将有微量的空行程。液液体体静静压压丝丝杠杠传传动动副副进进给给运运动动平平稳稳，使使用用效效果果很好，但它的制造复杂。很好，但它的制造复杂。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统液体静压和空气静压丝杠副驱动 和和导导轨轨运运动动体体相相连连的的驱驱动动杆杆夹夹在在两两个个摩摩擦擦轮轮之之间间。上上摩摩擦擦轮轮是是用用弹弹簧簧压压板板压压在在驱驱动动杆杆上上，当当弹弹簧簧压压板板压压力力足足够够时时，摩摩擦擦轮轮和和驱驱动动杠杠之之间间将将无无滑滑动动。两两个个摩摩擦擦轮轮均均采采用用静静压压轴轴承承支支承承，可可以以无无摩摩擦擦转转动动。直直流流电电动动机机和和下下摩摩擦擦轮轮相
87、相连连，带带动动下下摩摩擦擦轮轮转转动动，靠靠摩摩擦擦力力带带动动驱驱动动杠杠，进进而而带带动动导导轨轨作作非非常常平平稳稳的的直线运动。直线运动。 图为摩擦驱动装置的原理图。图为摩擦驱动装置的原理图。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统摩擦驱动缺点缺点: : 超超精精密密机机床床在在精精切切时时, ,要要求求导导轨轨的的运运动动速速度度极极慢慢, ,因因此此要求下摩擦轮直径很小要求下摩擦轮直径很小, ,造成一定的设计困难造成一定的设计困难; ; 两两个个摩摩擦擦轮轮最最好好都都能能采采用用静静压压轴轴承承支支撑撑, ,但但从从结结构构位位置置上上看看, ,放放两两套套静静压压轴轴承承( (液
88、液体体或或空空气气) )空空间间位位置置太太挤挤, ,结结构构设设计计困困难难( (难难度度大大););摩摩擦擦轮轮如如采采用用滚滚动动轴轴承承支支撑撑, ,则则滚滚动动轴轴承承有有摩摩擦擦, ,会会降降低低摩摩擦擦驱驱动动装装置置的的平平稳稳性性, ,降降低低导导轨轨直直线线运运动动的平稳性的平稳性. .1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统u可可进进一一步步提提高高机机床床的的分分辨辨率率，高高精精度度微微量量进进给给装装置置已已可可达达到到0.0010.0010.010.01m m的的分分辨辨率率 ；u可用于加工误差的在线补偿；可用于加工误差的在线补偿；u可用于实现超薄切削。可用于实现超薄
89、切削。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统微量进给装置q 微量进给装置的作用：机械传动或液压传动式；机械传动或液压传动式；弹性变形式弹性变形式；热变形式；热变形式；流体膜变形式；流体膜变形式；磁致伸缩式；磁致伸缩式；电致伸缩式电致伸缩式。1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统q 微量进给装置的类型：1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统u 压电或电致伸缩微量进给装置的特点：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；具有良好的动态特性； 可用于实现自动微量进给、误差在线补偿可用于实现自动微量进给、误差在线补偿。u 平时电致伸缩陶瓷片平时电致伸缩陶瓷片两
90、片成一对，中间通正两片成一对，中间通正电，两侧通负电，将很电，两侧通负电，将很多对陶瓷片叠在一起。多对陶瓷片叠在一起。正极联在一起，负极联正极联在一起，负极联在在起，即组成一个电起，即组成一个电致伸缩传感器。陶瓷片致伸缩传感器。陶瓷片在静电场作用下将伸长，在静电场作用下将伸长，当静电场的电压增加时，当静电场的电压增加时，伸长量也增大。伸长量也增大。 1.3.5 进给驱动系统进给驱动系统u一一是是依依靠靠一一定定精精度度的的机机床床来来保保证证，即即要要求求机机床床的的精精度度高高于于工件所要求的精度，称之为工件所要求的精度，称之为“蜕化蜕化”原则原则或或“母性母性”原则。原则。u二二是是在在精
91、精度度比比工工件件要要求求低低的的机机床床上上，加加工工出出高高精精度度的的工工件件，利利用用在在线线检检测测和和误误差差补补偿偿技技术术，可可以以实实现现这这个个目目的的。这这就就是所谓的是所谓的“进化进化”原则原则或或“创造性创造性”原则。原则。 u超超精精密密机机床床，都都装装有有双双频频激激光光随随机机检检测测系系统统和和精精密密数数控控系系统组成反馈闭环控制系统，以保证加工的尺寸精度。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在线检测与误差补偿技术保证零件加工精度有两条途径：保证零件加工精度有两条途径： -检检测测机机床床运运动动部部件件的的位位
92、移移, ,并并和和精精密密数数控控系系统统组组成成精精密密反反馈馈闭闭环环控控制制系系统统, ,消消除除误误差差, ,进进一一步步提提高加工精度高加工精度. .http:/ 第第1章章 精密切削加工精密切削加工1.41.4 超精密加工机理超精密加工机理1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理1.1.金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理1 1） 切削厚度与材料剪切应力的关系切削厚度与材料剪切应力的关系 金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密切切削削的的机机理理与与一一般般切切削削加加工工的的有有较较大大差差别别。由由于于金金刚刚石石刀刀具具超超精精密密切切削削的的切切削削厚厚
93、度度极极小小，这这时时切切削削的的深深度度可可能能小小于于被被加加工工材材料料晶晶粒粒的的大大小小，切切削削是是在在被被加加工工材材料料的的晶晶粒粒内内进进行行的的，因因此此，切切削削力力一一定定要要大大于于晶晶体体内内部部非非常常大大的的原原子子、分分子子结结合合力力，刀刀刃刃上上所所承承受受的的剪剪切切应应力力会会急急速速地地增增加加并并变变得得非非常常大大。这这时时刀刀刃刃处处将将产产生生很很大大的的热热量量，刀刀刃刃切切削削处处的的温温度度将将很很高高，因因此此要要求求刀刀具具有有很很高高的的高高温温强强度度和和硬硬度度。金金刚刚石石刀刀具具不不仅仅有有很很高高的的高高温温强强度度和和
94、硬硬度度，而而且且由由于于金金刚刚石石材材料料质质地地细细密密，且且切切削削刃刃的的几几何何形形状状非非常常好好，表表面面十十分分光光滑滑，因因此此能能够够进进行行镜镜面面切削，这是当前其它刀具材料无法比拟的。切削，这是当前其它刀具材料无法比拟的。 极极高的硬度高的硬度、极、极高的耐磨性高的耐磨性和极和极高的弹性模量高的弹性模量，保证刀具具，保证刀具具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。切削刃钝圆能磨得极其切削刃钝圆能磨得极其锋锐锋锐，切削刃钝圆半径值极小，能实，切削刃钝圆半径值极小，能实现超薄切削厚度。现超薄切削厚度。切削刃切削刃无缺陷无缺陷，切削时刃形将复制在被
95、加工表面上，能得到，切削时刃形将复制在被加工表面上，能得到超光滑的镜面。超光滑的镜面。与工件材料的与工件材料的抗粘性好抗粘性好、化学亲和性小化学亲和性小、摩擦系数低摩擦系数低，能得，能得到极好的加工表面完整性。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：单晶金刚石超精密切削对刀具的要求超精密切削对刀具的要求1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理切切削削速速度度是是影影响响刀刀具具耐耐用用度度最最主主要要的的因因素素，但但是是切切削削速速度度的的高高低低对对金金刚刚石石刀刀具具的的磨磨损损大大小小影影响响甚甚微微，刀刀具具的的耐耐
96、用用度度极极高高。原原因因是是：金金刚刚石石的的硬硬度度极极高高，耐耐磨磨性性好好，热热传传导导系系数数高高，和和有有色色金金属属间间的的摩摩擦擦系系数数低低，因因此此切切削削温温度度低低，在在加加工工有有色色金金属属时时刀刀具具耐耐磨磨度度甚甚高高，可可用用很很高高的的切削速度切削速度100010002000m/min2000m/min，而刀具的磨损甚小。，而刀具的磨损甚小。超超精精密密切切削削实实际际速速度度的的选选择择根根据据所所使使用用的的超超精精密密机机床床的的动动特特性性和和切切削削系系统统的的动动特特性性选选取取，即即选选择择振振动动最最小小的的转转速。因为在该转速时表面粗糙度最
97、小，加工质量最高。速。因为在该转速时表面粗糙度最小，加工质量最高。1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理2 2） 切削速度的选择切削速度的选择积屑瘤高屑瘤高时切削力也大，切削力也大，积屑瘤小屑瘤小时切削力也小。切削力也小。与普通切削与普通切削规律正好相反律正好相反。而普通切削而普通切削钢时，积屑瘤可增加刀具的屑瘤可增加刀具的实际前角，故前角，故积屑瘤增大可使切削力屑瘤增大可使切削力下降。下降。1、对切削力的影响切削力的影响二、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1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理1）积屑屑瘤瘤前前端端R
98、大大约23m，切切削削刃刃钝圆半半径径为0.20.3m，实际切切削削力力由由刃刃口口半半径径R起起作作用用，切切削削力力明明显增增加加 。2）积屑屑瘤瘤与与切切削削层和和已已加加工工表表面面间的的摩摩擦擦力力增增大，切削力增大。大，切削力增大。3）实际切切削削厚厚度度超超过名名义值，切切削削厚厚度度增增加加 hD-hDu，切削力增加。，切削力增加。切削模型分析切削模型分析实际切削厚度1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理积屑瘤高度大，表面粗糙度大，屑瘤高度大，表面粗糙度大，积屑瘤小表面粗糙度小。使屑瘤小表面粗糙度小。使用切削液可以减小用切削液可以减小积屑瘤，减小加工表面粗糙度。
99、屑瘤，减小加工表面粗糙度。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加工表面粗糙度的影响1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理三、加工表面的形成与质量三、加工表面的形成与质量 （1 1）金刚石刀具超精密切削表面的形成）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几何因素、塑性变形和加工震动素、塑性变形和加工震动等。等。几何因素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。主要是指刀具的形状、几何角
100、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。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。向表面粗糙度。加工中的振动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。是不允许的。1.4金刚石刀具超精密切削机理金刚石刀具超精密切削机理（2 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中切削厚度 金刚石刀具超精密切削所能切除金属层的厚
101、度标志其加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。工水平。一般用刀具的切削刃圆弧半径来表示。（3 3）表层破坏层的应力状态）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，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，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。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金刚石刀具超精密切削机理
