精密切削加工技術論文
超精密切削加工主要是由高精度的機床和單晶金剛石刀具進行的,故一般稱為金剛石刀具具切削或SPDT。下面是小編為大家整理的，希望你們喜歡。
篇一
超精密切削加工技術探析
摘要：超精密切削加工主要是由高精度的機床和單晶金剛石刀具進行的,故一般稱為金剛石刀具具切削或SPDT。對超精密切削加工技術及其機理進行介紹和總結,希望對超精密加工行業同事有所指導。
關鍵詞：超精密切削;金剛石;機床
中圖分類號：T13
文獻標識碼：A
文章編號：1672-3198***2011***06-0263-02
通常,按加工精度劃分,可將機械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。加工精度在0.1～1μm,加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1μm之間的加工方法稱為精密加工;精度高於0.1μm,表面粗糙度小於Ra0.01μm之間的稱為超精密加工。因此,如果從去除單位尺寸將切削加工加以區別的話,以微米級的去除,才屬於超精密加工。
1 金剛石刀具切削的機理
超精密切削加工主要是由高精度的機床和單晶金剛石刀具進行的,故一般稱為金剛石刀具切削或SPDT***Single Point Diamond Turning***。金剛石刀具的超精密切削加工雖有很多優點,但要使金剛石刀具超精密切削達到預期的效果,並不是很簡單的事,許多因素都對它有影響。
1.1 切削厚度與材料切應力的關係
金剛石刀具超精密切削屬微量切削,其機理和普通切削有較大差別。精密切削時要達到0.1微米的加工精度和Ra0.01微米的表面粗糙度,刀具必須具有切除亞微米級以下金屬層厚度的能力。由於切深一般小於材料晶格尺寸,切削是將金屬晶體一部分一部分地去除。因此,精密切削在切除多餘材料時,刀具切削要克服的是晶體內部非常大的原子結合力,於是刀具上的切應力就急劇增大,刀刃必須能夠承受這個比普通加工大得多的切應力。
切削厚度與切應力成反比,切削厚度越小,切應力越大。當進行切深為0.1微米的普通車削時,其切應力只有500MPa;當進行切深為0.8微米的精密切削時,切應力約為10000MPa。因此精密切削時,刀具的尖端將會產生根大的應力和很大的熱量,尖端溫度極高,處於高應力高溫的工作狀態,這對於一般刀具材料是無法承受的。因為普通材料的刀具,其刀刃的刃口不可能刃磨得非常銳利,平刃性也不可能足夠好,這樣在高應力和高溫下會快速磨損和軟化,不能得到真正的鏡面切削表面。而金剛石刀具卻有很好的高溫強度和高溫硬度,能保持很好的切削效能,而不被軟化和磨損。
1.2 材料缺陷及其對超精密切削的影響
金剛石刀具超精密車削是一種原子、分子級加工單位的去除***分離***加工方法,要從工件上去除材料,需要相當大的能量,這種能量可用臨界加工能量密度δ***J/cm3***和單位體積切削能量ω***J/cm3***來表示。臨界加工能量密度就是當應力超過材料彈性極限時,在切削相應的空間內,由於材料缺陷而產生破壞時的加工能量密度;單位體積切削能量則是指在產生該加工單位切削時,消耗在單位體積上的加工能量。從工件上要去除的一塊材料的大小***切削應力所作用的區域***就是加工單位,加工單位的大小和材料缺陷分佈的尺寸大小不同時,被加工材料的破壞方式就不同。
2 超精密金剛石刀具切削
當加工應力作用在比位錯缺陷平均分佈間隔一微米則還要狹窄的區域時,在此狹窄區域內是不會發生由於位錯線移動而產生材料滑移變形。當加工應力作用在比位錯缺陷平均分佈間隔還要寬的範圍內時,位錯線就會在位錯缺陷的基礎上發生滑移,同時在比剪下應力理論值低得多的加工應力作用下,晶體產生滑移變形或塑性變形。當加工應力作用在比晶粒大小更寬的範圍時,多數情況易發生由晶界缺陷所引起的破壞。實際上,在比微錯缺陷平均分佈間隔還要小的範圍內,還存在著空位、填隙原子等缺陷,會演變成位錯併發生區域性塑性滑移.因此實際剪下強度比理論值低,實際的臨界加工能量密度和單位體積切削能量比理論值也要低得多。
2.1 金剛石刀具起精密車削表面的形成
用金剛石刀具超精密車削形成表面的主要影響因素有幾何特性、塑性變形和機械加工振動等。幾何特性主要是指刀具的形狀、幾何角度、刀刃的表面粗糙度和進給量等。它主要影響與切削運動力向相垂直的橫向表面粗糙度。圖a表示了在切削時,主偏角kr、副偏角kr和進給量f對殘留面積高度的影響。圖中ap為切削深度,Ry為表面粗糙度的輪廓最大高度,由幾何關係可知：
Ry=f/***ctgkr+ctgk’***r
圖b表示了在切削時,刀尖圓弧半徑re和進給量f對殘留面積高度的影響,其幾何關係如下：
Ry≈f2/8re
圖2
2.2 金剛石刀具超精密車削的切屑形成
金剛石刀具超精密車削所能切除金屬層的厚度標誌其加工水平。當前,最小切削深度可達0.1微米以下,其主要影響因素是刀具的鋒利程度,一般以刀具的切削刃鈍圓半徑rn來表示。超精密車削所用的金剛石車刀,其切削刃鈍圓半徑一船小於0.5微米,而切削時的切削深度ap和進給量f都很小,因此,在一定的切削刃鈍圓半徑下,如果切削深度太小,則可不能形成切屑。切屑能否形成主要取決於切削刃鈍圓圓弧處每個質點的受力情況,在自由切削條件下,切削刃鈍圓圓弧上某一質點A的受力情況見圖。該點有切向分力Fz和法向分力Fy,合力為Fy,z。切向分力使質點向前移動,形成切屑;法向分力使質點壓向被加工表面,形成擠壓而無切屑。所以,切屑的形成取決於Fz和Fy的比值,當Fz>Fy時,有切削過程,形成切屑;當Fz apmin=rn-h=rn***1-cosψ***
ψ=45°-ψ=45°-arctanFfFn
式中：ψ―金剛石刀切削時的摩擦角;
Ff―金剛石刀切削時的摩擦力;
Fn―金剛石刀切削時的正壓力。
可見,切削刃鈍圓半徑rn是決定切屑形成的關鍵引數。
金剛石刀具越精密切削時,刀具切削刃鈍圓半徑小,切薄能力強,形成流動切屑,因此切削作用是主要的。但由於實際切別刃鈍因半徑不可能為零,以及修光刃等的作用,因此還伴隨著擠壓作用。所以金剛石刀具超精密車削表面是由微切削和微擠壓而形成,並以微切削為主。
3 結語
近幾年來,切削加工技術得到了突飛猛進的發展,像計算機用的磁鼓、磁碟,大功率鐳射用的金屬反射鏡,鐳射掃描用的多面稜鏡,紅外光等用的光學零件和影印機的高精度零件,都是用切削的方法加工出來的,超精密切削加工技術在這個技術時代顯得尤為重要。
參考文獻
[1]駱紅雲,焦紅,範猛,王立江.金剛石刀具與精密超精密加工技術[J].長春光學精密機械學院學報,2000,***1***.
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