金刚石切削与密磨削分析报告.ppt

2.0 金刚石切削与精密磨削 2.0.1 金刚石超精密切削 1．金刚石超精密切削技术的进展 金刚石超精密切削是超精密加工技术的一个重要组成部分，早期主要用来加工有色金属如无氧铀或铝合金等。 采用金刚石超精密切削技术可达到纳米级加工水平，不少国防尖端产品零件(如陀螺仪、各种平面及曲面反射镜和透镜、精密仪器仪表和大功率激光系统中的多种零件等)都需要利用金刚石超精密切削来加工。 用刃磨得极为锋利的单晶金刚石刀具切削有色金属和非金属材料可获得Ra0.002～0.02μm的镜面。 用双坐标数控超精密机床可加工出几何精度极高的球面和非球曲面。 经精细研磨达到极高刃口锋锐度的金刚石刀具可切除厚度仅为1nm的切屑。 2．金刚石超精密切削机理 金刚石超精密切削机理与一般切削机理有很大的不同。金刚石超精密切削时，其背吃刀量ap可在1μm以下，刀具可能处于工件晶粒内部切削状态，即切除晶粒的一部分，保留另一部分。 切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大的热量，造成刀刃在局部区域内的高应力、高温的工作状态。 从刀刃锐利度方面来看，当刀具楔角为70°时，一般硬质合金刀具的刃口半径只能达到18～24μm，高速钢刀具的刃口半径可达到12～15μm，而金刚石刀具的刃口半径则可达0.01～0.005μm。 图3.23 极限切削厚度与刃口半径的关系 金刚石超精密切削时，切削厚度极小，刀具所能达到的极限切削厚度与摩擦系数μ（剪切角θ）及刀具刃口半径ρ密切相关： 当μ=0.12时，可得： hDmin=0.322ρ 当μ=0.26时，可得： hDmin=0.249ρ 若hDmin=1nm，要求刀具刃口半径ρ为3-4nm。国外，金刚石刀具刃口半径可达数纳米、而国内一般为0.1-0.5微米。 3．金刚石超精密切削的关键技术 (1) 加工设备 用于金刚石超精密切削的加工设备，要求具有高精度、高刚度、良好的稳定性、抗振性和数控功能等。右图为一款典型的金刚石车床。 最大车削直径和长度/mm 400×200 最高转速r/mm 3000、5000或7000 最大进给速度mm/min 5000 数控系统分辩率/mm 0.0001或0.00005 重复精度(±2σ)/mm ≤0.0002/100 主轴径向圆跳动/mm ≤0.0001 主轴轴向圆跳动/mm ≤0.0001 滑台运动的直线度/mm ≤0.001/150 横滑台对主轴的垂直度/mm ≤0.002/100 主轴前静压轴承（φ100mm）的刚度/（N/μm） 径向 1140 轴向 1020 主轴后静压轴承（φ80mm）的刚度/（N/μm） 640 纵横滑台的静压支承刚度/（N/μm） 720 3.3 精密与超精密加工技术 (2) 金刚石刀具 天然单晶金刚石被公认为是不能代替的超精密切削刀具材料。因为金刚石具有以下特性： ① 极高的硬度，HV6000-10000,而TiC仅为HV2400，WC为HV2400； ② 能磨出锋锐刃口，刃口半径可达纳米，普通刀具5-30μm； ③ 热化学性能优越、导热性好，与有色金属摩擦系数低、亲和力小 与铝的摩擦系数仅为0.06-0.13； ④ 耐磨性好，刀刃强度高。 (3) 适宜金刚石超精密切削的加工材料 ① 有色金属及其合金 ——铜铝合金及金、银、镁、锡、铅、锌、铂及非电解镍镀层、铍钢、黄铜等 ② 树脂及塑料——甲基丙烯酸树脂、聚碳酸酪树脂、聚丙基树脂、聚乙烯树脂、聚四氟乙烯树脂、环氧树脂 等 ③ 结晶体——锗、硒化锌、硫化锌、铌酸锂、碘化铯、二氢磷化铟、硅、庥化钾及磷酸二氢钾(KDP)等 3.3 精密与超精密加工技术 2.0.2 精密与超精密磨削加工 对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨削加工是当前最主要的精密加工手段。磨削加工可分为砂轮磨削、砂带磨削，以及研磨、珩磨和抛光等加工方法，这里仅介绍超精密砂轮磨削加工。 1．超精密磨削的内涵 超精密磨削，是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度低于Ra0.025μm的一种亚微米级加工方法，并正向纳米级发展。超精密磨削的关键在于砂轮的选择、砂轮的修整、磨削用量和高精度的磨削机床。 (1) 砂轮的选择