超精密切削加工技術.ppt

1、超精密切削加工技術,超精密切削機床,目前超精密切削的最高加工精度是在納米機床上完成的。 工業(yè)生產已能實現10100nm切削加工精度，1nm的加工精度也已在實驗室實現。 超精密切削機床的精度實現主要依賴于解決如下幾個問題：,運動零部件的運動精度,這是直接影響加工精度的重要因素。但目前對影響精度未能進行定量分析，原因在于10nm的運動精度計量技術尚未通用化。 采用高精度靜壓空氣軸承，可使徑向振擺在50nm左右，軸、軸承的圓度、直線度誤差使回轉振擺達到幾十納米，因此需要檢測控制和誤差補償技術。目前可獲得10nm的回轉精度和直線精度，振擺重復性減少到2nm。,承力結構的剛性,加工過程中，大負荷將產生大

2、位移，其重復性很高。 提高剛性可顯著減少變形誤差。 現有機床零部件可達到100Nm的剛性，滿足超精密加工的一般要求。 另外對于有規(guī)律的可重復的變形誤差，可通過檢測機床負荷和變形量使之通過補償，減到最小，此時，檢測、控制和分辨率決定精度界限的高低。,微觀剛性問題,超精密切削的刀具切削刃作用在工件材料的一個微小區(qū)域，這個微小區(qū)域可以是一個晶粒、一個位錯區(qū)，一層原子。 隨著刀具的相對移動，如果材料的組織、性能發(fā)生變化，作用微區(qū)的切削力就會發(fā)生變化，由此引起變形的改變，影響加工質量和穩(wěn)定性，這就是超精密切削的微觀剛度問題。 如果切削過程接觸變形的微觀重復性及其動態(tài)特征規(guī)律清楚，則可通過提升機床敏感方向

3、的微觀剛性、對工件材料提出更高要求和工藝設計解決。,機床的熱變形,理論上提高溫度的控制精度就能減少熱變形量。控制精度達到1mk，熱變形就可控制在110nmm之間。 超精密切削機床結構采用銦鋼、某種玻璃、陶瓷等熱膨脹系數較低（106107K）材料，能有效減少自身的熱變形量。床身可采用花崗巖材料。 機床（包括刀具）與工件的熱變形之間存在著某種關系，也會對加工精度的界限產生重要的影響。 盡管在整體上要求控制溫度到一定的精度，但在不同部分和不同階段總會有差別的，因此需要進行熱補償，通過機床調整和軟件控制其影響。,定位精度,機床的定位精度取決于檢測、控制、運動等環(huán)節(jié)的最低分辨率。提高重復精度及其分辨率常

4、用如下幾種方法： 借助油膜或氣膜移動的機械元件的位置重復性很高； 重復性極高的彈性交形定位機構，具有nm或nm以下的分辨率； 微動機構壓電元件：所加每伏電壓產生幾十納米的位移，由電壓控制達到的分辨率可方便實現0.1nm的控制。但要解決其滯后問題。,公稱切削厚度與有效切削厚度,超精密切削要求切削厚度很小，由機床控制的名義切削厚度為公稱切削厚度，實際切除的材料厚度為有效厚度。 按照精密切削的復映性理論，有效厚度達到的量級就是加工精度能夠達到的精度。通常通過減少公稱厚度控制有效切削厚度來提高加工精度。 但有效厚度減少到一定程度時，切削過程出現不不穩(wěn)定狀態(tài)，難以實現正確切削。因此最小有效切削厚度決定幾

5、何加工精度的控制極限。,加工工件的復映性及加工精度的極限,刀具鋒銳性,刀具鋒銳性主要取決于刃口鈍圓半徑，刃口鈍圓半徑越小刀具越鋒銳，有效切削厚度就越小，對加工表面變質層和毛刺的影響也會減少。精密刀具刃口鈍圓半徑可達到20nm以下。而金剛石刀具刃口圓角半徑可達24nm，切削厚度可達1nm。 如果復映正常，刃口粗糙度將決定表面粗糙度的極限。研磨金剛石刀具表面達到nm級并不困難，使切削可達到nm級的表面質量。,材料親和性與熱穩(wěn)定性,加工材料與刀具材料之間的相互作用特性主要是親和性，直接影響微切削加工表面的形成和刀刃微觀磨損。 如高速鋼刀具切削鋁及銅系合金極易產生積屑瘤（BUE），積屑瘤高度大小和變化

6、規(guī)律直接影響超精密切削過程的復映性。 金剛石和切削材料的熱化學特性決定刀具的主要磨損機理，但在實際當中，監(jiān)視和控制都十分困難。,材料熱特性對動態(tài)變形一致性的影響,刀具切削部位的動態(tài)彈性變形要一致，否則會產生基于材料雜質和晶界的表面階梯。 材料較好的熱穩(wěn)定性和進行適當的熱處理，將使之均勻化，階梯平均化，獲得光滑的加工表面。,加工環(huán)境與邊緣技術是不可忽視的間接因素,環(huán)境溫度 環(huán)境溫度影響加工精度有兩個方面，一是溫度的高低，二是溫度場的均勻性。 機床自身局部發(fā)熱的原因是軸承及運動部分的摩擦與潤滑，有一個熱平衡過程。 人體及其運動，室內空氣的對流都會引起環(huán)境發(fā)生0.001K的溫差變化。照明燈輻射到花崗

7、石底座，黑白點材料之間亦有0.1K的差別。,加工環(huán)境與邊緣技術是不可忽視的間接因素,振動 電機轉子與定子間的磁力不均、聯接器因準直誤差和回轉振擺等都會產生振動問題。 為此需要改善各機械零部件和工藝系統的動態(tài)特性，采用力偶傳遞動力，如精密摸床上的雙銷雞心夾頭。,加工環(huán)境與邊緣技術是不可忽視的間接因素,變形 對薄件、輕件用真空吸盤、膠粘安裝和夾緊，以減少回彈和殘余變形。 工件自重和氣壓也會引起不小的變形。如直徑30mm、長60mm懸臂鋼梁，自重在前端產生10nm的撓度。 大氣壓在每100mm2就有30nm左右的壓縮變形。,加工環(huán)境與邊緣技術是不可忽視的間接因素,加工技術對策 切削路徑選擇和工藝優(yōu)化

8、以及復合繼承加工等工藝措施，監(jiān)視、控制和補償技術，軟件編程以及檢測評價技術奪回影響加工精度的獲得，特別是復雜結構件的超精密切削，加工技術對策就顯得益發(fā)重要。 綜上，目前超精密切削加工技術的達到的精密界限約為10nm。,超精密切削的原理與過程,在超精密切削過程，如刀具軌跡足夠精確，則刀口和切削運動將被復映和包絡形成切削表面，同時形成表面波紋和刀痕。 工件材料內部組織的均勻性和缺陷（空穴氣孔、析出物、雜質、夾雜物）也將延展和復映在表面上，形成龜裂和局部變形的表面。,影響超精密切削的材料的各類缺陷 (A：空穴氣孔 B：析出物),刀具的幾何參數影響加工表面粗糙度,若為圓弧刃切削，刀尖半徑為r，進給量為

9、f 則表面粗糙度 Rmax=f 2/8r 若為直刃切削，主偏角K，副偏角K 則表面粗糙度 Rmax=ftgktgk / （tgK+tgK ） 因此刀具的主、輔偏角、刀尖半徑和進給量都會對超精密加工表面的粗糙度產生直接的影響。,（1）積屑瘤的生成規(guī)律及影響,超精密切削過程中積屑瘤對切削力的影響遠遠大于在普通切削中的影響。 鋁銅材料在低速切削時，切削力較大，隨切削速度的增加，切削力急劇下降，至200300m/min后，切削力基本保持不變。 其原因在于低速時生成的積屑瘤高，使切削層厚度大幅度增加，故切削力也大，隨速度增加積屑瘤高度急劇減小，因而切削力也急劇下降。 這個規(guī)律與普通切削正好相反。,超精密

10、切削的工藝參數,積屑瘤對切削力的影響,積屑瘤的作用,前刀面上的積屑瘤呈鼻形，前端的圓弧半徑約為23m，較金剛石車刀的刃口半徑0.20.3m大得多。由于切削層很薄，實際切削是由積屑瘤起主導作用，刀具鋒銳性下降。 積屑瘤和切屑底層之間的摩擦、積屑瘤和已加工表面之間的摩擦都很嚴重。摩擦力大大超過金剛石刀具直接與這些材料之間的摩擦力，從而導致切削合力增加。 鼻形積屑瘤自刀刃前伸出，使切削厚度顯著超過名義值，導致切削力明顯增加,對加工表面粗糙度的影響,積屑瘤和已加工表面之間的不規(guī)則的劇烈摩擦，使表面受到耕犁作用，粗糙度加大。 積屑瘤加工對表面粗糙度的影響與對切削力的情況相同，即粗糙度大小和積屑瘤的高度有

11、關。 而積屑瘤的高度又與切削速度有關，通常是用切削速度對粗糙度的影響說明積屑瘤對粗糙度的影響，積屑瘤愈高，粗糙度值越大。,切削速度對粗糙度的影響,切削速度對積屑瘤高度的影響,切削速度的影響,低速時，切削溫度較低，適合于積屑瘤生長，高度ha比較大且穩(wěn)定。 高速時ha值不穩(wěn)定。 特別在切削黃銅和紫銅時，積屑瘤不穩(wěn)定且高度比較小，ha0.10.75m。,進給量的影響,在實驗的進給量范圍內都有積屑瘤。 但進給量對積屑瘤高度的影響并非單調，比較復雜，往往在一定范圍 f=5m/r時，積屑瘤高度ha可以達到最小,切削深度影響,ap較小時，積屑瘤高度ha較低且變化不大， ap25m時，ha5m，之后隨著ap增

12、大，積屑瘤高度ha急劇增大，這是由切削溫度升高和粘結面積增大引起的。,刀具刃口半徑對切削表面質量的影響,金剛石刀具精研后的刃口半徑，對加工表面質量（表面粗糙度、高質層、殘余應力等）影響極大，刃口半徑值是衡量超精切削技術水平一個極其重要指標。 我國生產中實際使用的精密金剛石刀具的刃口半徑0.20.3m，國外精密級金剛石刀具的刃口半徑0.05m。,切削速度選擇,金剛石刀具硬度最高，耐磨性好，傳熱系數高，與有色金屬界面間的摩擦系數低，故選用很高的切削速度（10002000m/min）。 和普通切削的不同之處在于切削速度不受刀具磨損的限制，是根據所用超精密機床的動特性和切削系統的動特性選擇的，即采用振

13、動最小的轉速。 只要不在低速區(qū)，切削速度對粗糙度的影響較小，加切削液時則基本無影響。這一結論很重要，表明切削曲面、平面反射鏡從邊緣到中心都可獲得一致較低的粗糙度。,切削用量的選擇,切削深度的選擇,超精密切削時允許的最小切深取決于金剛石刀具的刃口半徑，約是（1/21/3）。 若刃口半徑達到0.050.01m，最小切削深度可以在0.01m以下，獲得超光滑表面。,進給量和修光刃的選擇,超精密切削都采用很小的進給量，刀具制成帶修光刃的刀尖結構。 但對有修光刃的刀具且f0.02mm/r時，進給量再減小對表面粗糙度的影響甚微。 修光刃可以減小加工表面粗糙度，修光刃的長度取0.050.10mm。 長度過長，

14、對提高加工表面質量效果不大。,超精密切削對刀具的要求,有極高的硬度。超精密切削對刀具需要很高的尺寸耐用度，因此要求刀具材料極高的耐磨性和極高的彈性模量長壽命。 刃口能磨得極其鋒銳。獲得很小的刀具刃口半徑值，能實現超薄切削。 刀刃無缺陷。刃形將復印在加工表面上，無缺陷刀刃才能獲得超光滑的鏡面。 化學親和性小。與工件材料之間的摩擦系數低，抗粘結性好，能得到極好的加工表面完整性。 天然金剛石具有上述優(yōu)點且導熱性好，雖然價格極為昂貴，仍被作為理想的不可代替的超精密切削刀具材料。,金剛石刀具材料,優(yōu)質的單晶金剛石刀具SPDT技術是實現超精密切削的關鍵技術。 通常的人造單晶金剛石無法磨出極鋒銳的刃口，很難

15、達到1m，只能用于有色金屬和非金屬的精密切削，很難達到超精密鏡面切削的要求。 大顆粒人造單晶金剛石已能用于工業(yè)生產，并已開始用于超精密切削，但價格仍很昂貴。,金剛石的性能之一,金剛石外形通常有六面體、八面體和十二面體。六面體的外表面為（100）晶面，6個面、8個角都相同，具有對稱性。其中的（111）晶面和（110）晶面也易確定。 八面體晶體的8個表面是等邊三角形，都是（111）晶面。通過四個對稱頂角的面是（100）晶面，通過兩個對稱頂角和兩個對稱邊的中點的面是（110）晶面。十二面晶體是天然金剛石中常見的一種形狀。十二個外表面呈菱形，是（110）晶面，有六個四棱晶角和八個三棱晶角，結構具有對稱

16、性，以三棱晶角為一個頂點，連接相鄰的晶角形成一個面，即為（111）晶面。金剛石不同的晶面具有不同的機械物理性能。,金剛石的性能之二,金剛石晶體的顯微為600010000。在目前發(fā)現的所有材料中，硬度最高。耐磨性是剛玉的140倍左右。不同晶面的強度差別較大，4001000kg/mm2，強度最高的為111晶面族。 熱傳導率：在礦物中最大，是石英玻璃的100倍。 解理性：111晶面之間具有特殊的層疊結構，遠距離晶面間的連接極易打斷形成解理。沿此面易切割成型，但抗沖擊能力差，刃口不能碰撞。斷續(xù)切削盡量避免用此面承載。,金剛石刀具材料的要求,選材金剛石刀具材料要求晶形完整、飽滿，沒有驟然凸起和凹坑，具有

17、高的透明度，無色或均勻淡黃顏色，光澤均勻。金剛石材料有裂紋和雜質時會引起顏色的變化。 金剛石的主要缺陷有裂紋、雜質包裹體、孿生晶體、不完整或畸形晶體等。金剛石有無裂紋是可以可看出來的。 刀刃部分絕不能有任何缺陷。刀尾部分允許部分雜質。 金剛石刃磨困難，注意選用時的外形和尺寸使需取除的余量達到最小。,金剛石刀具材料的定向技術,金剛石材料由于各向異性的緣故，須先進行晶體定向，選擇出合適的晶面作前后刀面。 定向的方法有人工目測定向、X射線定向、激光晶體定向。,刀頭形式,金剛石刀具因為其磨損與崩刃影響表面粗糙度問題，一般不采用主副刃相交為一點的尖銳刀尖，而采用過渡刃結構，達到保護刀尖和修光加工表面。,

18、金剛石刀具的設計,過渡刃的形式,直線修光刃：容易制造、刃磨、研磨，對刀要與進給方向應嚴格一致，可獲得Ra0.02m的加工表面粗糙度。修光刃長度0.10.2mm。直線修光刃是國內采用的主要形式，用以加工圓柱面，圓錐面和端平面。 圓弧修光刃：由于進給量甚小，一般f0.02mm，圓弧修光刃留下的殘留面積極小，對粗糙度影響不大。圓弧修光刃對刀容易，使用方便，但較難制造和研磨。圓弧修光刃半徑R一般取為0.51.5mm。,金剛石刀具的設計,車削球面或非球曲面，金剛石刀具必須是圓弧修光刃。 刀刃和加工表面接觸點是變化的，要求刀刃是精度很高的圓弧，而由于金剛石晶體的各向異性，不同位置的磨除率不等，因此研磨出精

19、確的圓弧修光刃非常困難。圓弧刃要有足夠的長度，一般選圓弧包角90100。,前角,金剛石較脆，在保證粗糙度要求的前提下為增強刀刃的強度，應采用較大的刀具楔角，前角和后角都取得較小。 前角。根據加工材料選。塑料2.55； 硫化鋅、硒酸鋅15；鋁合金、銅、玻璃鋼 05；鍺、硅25；陶瓷玻璃1520；磷酸二氫鉀晶體45。,后角。,后角增大可減少刀具后刀面和已加工表面的摩擦，減少表面粗糙度。但為保證刀刃強度，一般取o = 58。 加工球面和非球曲面的圓弧修光刃刀具，常取o 8。 一個例子是美國Contour公司的標準金剛石車刀。采用圓弧修光刃，R0.51.5mm，后角10，刀具前角根據加工材料選用。,金

20、剛石刀具前后面的晶面選擇,金剛石材料具有各間異性，各晶面的差別明顯，刀具前后面的晶面選擇按照硬度、耐磨性、微觀強度、解理破碎，研磨難易程度等因素考慮。 1）國內金剛石刀具采用（110）晶面或者和（110）晶面相近的面（35）作為前后刀面。從易于研磨考慮。 2）國外金剛石刀具多數不公布其刀具前、后刀面的晶面選擇。有選用（100）晶面的，也有（110）晶面。選用（111）晶面的很少。,晶面的選擇,選（110）晶面的理由刀具的研磨效率高，易研出鋒銳的刀刃，如切鋁，摩擦系數較低。 選（100）晶面的理由明顯增大刀刃的微觀強度，延長刀具壽命，微觀破損強度高于（100）晶面，破損的概率低于（110）晶面，對加工鋁、銅等金屬56，56，楔角90，前后刀面均可為（100）晶面，可在長時間內保持刃口鋒銳。,車刀結構,金剛石固定在小刀頭小刀頭用螺釘或壓板固