精密與特種加工技術-第二章-精密切削加工

1、第2章 精密切削加工,2.1 概 述,隨著科學技術的發(fā)展，電子計算機、原子能、激光、宇航和國防等技術部門對零件的加工精度和表面質量要求越來越高。精密加工技術的研究及應用水平已成為衡量一個國家的機械制造業(yè)乃至整個制造業(yè)水平的重要依據。各國特別是工業(yè)發(fā)達國家對精密加工技術極其重視，投入了大量的資金對其進行研究，以保證其尖端技術產品處于國際領先地位，提高其產品在國際上的競爭力。,所謂精密加工，是指加工精度和表面質量達到極高程度的加工工藝。精密加工：加工精度為0.11um，表面粗糙度為0.020.1um的加工方法。 提高加工精度的好處： 1、提高產品的性能與質量、穩(wěn)定性和可靠性； 2、促進產品的小型化

2、； 例如：傳動齒輪的齒形及齒距誤差從3-6m減小1m，單位重量齒輪箱扭矩可提高約一倍，從而使齒輪箱尺寸大大減小。 3、增強零部件的互換性、提高裝配生產率，促進自動化裝配應用。,2.1.1 概念,精密加工技術是一項涉及內容廣泛的綜合性技術，實現精密加工，不僅需要精密的機械設備和工具，也需要穩(wěn)定的環(huán)境條件，還需運用計算技術進行實時檢測和反饋補償。,精密加工的關鍵技術：,1、精密加工機床,當前研究方向：主軸回轉精度、工作臺的直線運動精度以及刀具的微量進給精度 主軸：主軸軸承具有很高的回轉精度、轉動平穩(wěn)，無振動。（液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承）,工作臺：滾動導軌、液體靜壓導軌、空氣靜壓導軌、氣浮導軌等

3、刀具：微量進給裝置,2、金剛石刀具,必須能夠均勻地切除極薄的金屬層，微量切除是精密加工的重要特征。 金剛石刀具的特點： 硬度自然界最高，耐磨性能極好 能磨出極其鋒利的刀刃（刃口的圓弧半徑） 導熱性能好 金剛石刀具一般帶修光刃，有直線修光刃和圓弧修光刃。,3、精密切削機理 微量切削,精密切削機理：采用微量切削方法，對普通切削影響不顯著的因素將成為影響精密切削的主要因素（如積削瘤的產生、鱗刺的產生等）。,5、誤差補償,4、穩(wěn)定的加工環(huán)境 包括 恒溫、防振和空氣凈化。,6、精密測量技術,對加工過程中出現的誤差進行修正、 抵消、均化 等措施，使誤差減小或消除。,測量精度比加工精度要高一個數量級 檢測位

4、移 雙頻激光干涉測量儀、X射線干涉儀 檢測加工表面 激光測量、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡,2.1.2 精密切削加工分類,根據加工表面及加工刀具的特點，精密切削加工可分為四類，精密與超精密切削方法如下：,精密切削研究最早從金剛石車削開始金剛石銑削金剛石鏜削，來加工型面和內孔。刀具材料從金剛石刀具材料立方氮化硼、復合陶瓷等。 精密加工的經濟性： 過去尤其其昂貴的價格、高要求的加工環(huán)境在一定程度上限制精密加工的應用范圍。 現在由于科學技術發(fā)展和生活水平的提高，精密加工深入到各個領域。機械制造業(yè)：加工工具、卡具、量具，發(fā)達國家已經開始零件的精密加工。,2.2 精密切削加工機理,金屬切削過程，就其本質

5、而言，是材料在刀具的作用下，產生剪切斷裂、摩擦擠壓和滑移變形的過程，精密切削過程也不例外。但在精密切削中，由于采用的是微量切削方法，一些對普通切削影響不顯著的因素將成為影響精密切削過程的主要因素。,切削變形 過渡切削 回轉刀具的切削過程,是一種包含材料的彈性變形、塑性變形和切離三個階段的過渡切削過程。 2) 最小切入深度 零件的最終工序的最小切入深度應小于或等于零件的加工精度。 （但是，如果切削深度太小，切削刃對工件表面的作用只是彈性變形或者塑性變形，并不產生切削） 例如：車削過程能夠成立，需滿足以下三個條件： 切削過程應是連續(xù)的、穩(wěn)定的。應保持有較高的加工精度和表面質量。刀具應有較長的使用壽

6、命。 3) 毛刺 一部分形成切削被切除，一部分沿切削刃兩側塑性流 動，形成兩側方向毛刺（30%）。,2.2.1 切削變形和切削力,2. 切削力 切削力的來源 切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產生的抗力； 刀具與切削同工件表面間的摩擦阻力。,X,Y,Z,FZ 主切削力,FY 徑向切削力 不做功，但易使工件變形和振動，對加工精度和表面粗糙度影響最大,FX 軸向切削力,2) 影響切削力的因素 1、切削速度v：硬質合金車刀不明顯 天然金剛石車刀隨v增大F降低 考慮積削瘤時，低速時切削力隨切削速度增加而急劇下降；到200300m/min時切削力基本不變。 2、進給量f：f對主切削力

7、FZ的影響大于徑向切削力FY和軸向切削力FX。,3、切削深度： 硬質合金車刀影響明顯，切削 深度小于一定值時，FyFz 天然金剛石車刀FzFy 精密切削中進給量對切削力的影響大于切削深度。 與普通切削相反。 4、刀具材料：主要因為摩擦系數不同。,1. 切削熱 切削熱的來源及切削溫度 1、彈塑性變形消耗功熱； 2、摩擦消耗功熱。 切削熱通過改變切削溫度影響切削過程。切削溫度是指切屑、工件和刀具接觸表面上的平均溫度。 刀具刀尖的溫度最高，對切削過程的影響很大。切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質傳導，傳導熱的比例隨刀具材料、切削用量及刀具幾何角度、加工情況等的變化有所不同。其中切削傳出的熱量最多。采

8、用微量切削方法進行精密切削時，需要采用耐熱性高、耐磨性強，有較好的高溫硬度和高溫強度的刀具材料。,2.2.2 切削熱和切削液,2）切削熱的影響及控制 精密加工中，熱變形引起的加工誤差占總誤差的40%70%。因此必須嚴格控制工件的溫升和環(huán)境溫度的變化。 通常采用切削液澆注工件的方法來減小切削熱對精密加工的影響。,2、切削液 作用： 1、抑制積屑瘤的生成； 2、降低加工區(qū)域溫度，穩(wěn)定加工精度； 3、減少切削力； 4、減小刀具磨損，提高刀具耐用度。,分類 a.水基冷卻潤滑液（成份以水為主，主要起冷卻作用） 水溶液 水+防銹劑（碳酸鈉，亞硫酸鈉，使表面形成一層氣化膜） 乳化液 乳化油（礦物油，乳化劑，

9、添加劑）+水（95%98%）,b.油基冷卻潤滑液(主要起潤滑作用) 礦物油（機械油，輕柴油，煤油） 油性 植物油（豆油） +添加劑 動物油（豬油） 極壓 耐磨添加劑、防銹劑、防腐劑、催冷劑等 (2)切削液的選用 1)粘性和塑性較大的材料（低碳鋼），選用硫化礦物油。 2)脆性材料（鑄鐵，青銅），不用冷卻潤滑液。精加工時，用煤油（降低表面粗糙度和沖走切屑）,3)有色金屬，不采用切削液。精加工鋁合金可以采用煤油。高速切削鎂合金，采用煤油，礦物油，氟化鈉溶液。不能采用水，因為水能助燃。 4)難加工材料（耐熱鋼，不銹鋼），采用噴霧法，噴射含石墨的乳化液或者用液態(tài)二氧化碳冷卻。 5)硬質合金刀片，陶瓷刀片

10、，一般不采用切削液。如果要采用，就一開始大量注入，特別要防止切削中途突然加切削液，會使刀片炸裂。,2.2.3 刀具磨損、破損及耐用度,金剛石刀具的磨損及破損 1)刀具的磨損形式 機械磨損、黏結磨損、相變磨損、擴散磨損、破損和炭化磨損等。 2) 金剛石刀具的磨損形式 機械磨損、破損和炭化磨損。(前兩種比較常見),刀具磨損與一般機械零件不同: (1)刀具與切屑、工件間的接接觸表面經常是化學活性很高的新鮮表面，不存在氧化膜等污染； (2)前后刀面的接觸壓力非常大，有時超過被切材料的屈服強度； (3)刀具工件接觸表面的溫度很高，硬質合金刀具加工鋼料時達8001000，高速鋼刀具加工鋼料時達300600

11、。 正常磨損的原因主要是機械、熱和化學三種作用的綜合結果。,刀具磨損的原因,1、硬質點磨損 硬質點磨損是指工件上具有一定擦傷能力的硬質點，如碳化物、積屑瘤碎片、已加工表面的硬化層等， 在刀具表面上劃出一條條溝紋而造成的磨損。 硬質點硬度超過刀具材料基體的硬度。 硬質點磨損是由高速鋼制造的低速切削刀具磨損的主要原因，硬質合金刀具發(fā)生硬質點磨損的情況較少。,2、粘結磨損 兩摩擦表面的粘結點因相對運動，晶粒或晶粒群受剪或受拉被對方帶走，是造成粘結磨損的原因。 由于刀具材料有組織不均勻、存在內應力、微裂紋及空隙、局部軟點等缺陷，所以刀具表面常發(fā)生破裂而被切屑或工件帶走，形成粘結磨損，在前刀面上形成不規(guī)

12、則的凹坑。 高速鋼、硬質合金、陶瓷刀具、立方氮化硼和金剛石刀具都會因粘結而發(fā)生磨損。,粘結磨損程度主要取決于刀具材料和工件材料在不同溫度下的相互親和能力。（粘結強度系數K0） 刀具與工件的硬度比，刀具表面形狀和組織，切削條件等都影響粘結磨損的速度。,減小粘結磨損的途徑： 1、硬質合金的晶粒加以細化，硬質合金表面涂覆TiC、TiN、Al2O3等。 2、高速鋼刀具表面要進行表面處理使表面形成一層抗粘結的減磨層或高硬度的抗磨層，如氮化處理； 3、適當提高切削速度使運動平穩(wěn)減小振動，避開積屑瘤的不穩(wěn)定區(qū)域； 4、使用潤滑性能良好的切削液等。,3、擴散磨損 刀具與工件、切屑的接觸面，在高溫下雙方金屬中的

13、化學元素從高濃度處向低濃度處遷移，這種固態(tài)下元素相互遷移而造成的刀具磨損稱為擴散磨損。 高溫下，刀具材料中的Ti 、 C等易擴散到工件和切屑中去；而切屑中的Fe、Si、Mn、Cr等也會擴散到刀具中來， 從而改變刀具材料中的化學成分， 使其硬度下降， 加速刀具磨損。 與鐵相互擴散強度的由大到小的順序為： 金剛石碳化硅立方氮化硼氧化鋁 與鈦合金相互擴散的由大到小的順序為： 氧化鋁立方氮化硼碳化硅金剛石,4、化學磨損(氧化磨損) 在高溫下(700800)，刀具材料與某些周圍介質起化學作用，在刀具表面形成一層硬度較低的化合物而被切屑帶走，這樣形成的刀具磨損稱為化學磨損。 空氣中的氧易與硬質合金中的Co

14、、WC、TiC發(fā)生氧化作用，產生低硬度的氧化物(Cr3O4、TiO2、WO3等）被切屑和工件帶走，從而使刀具磨損。 5、熱電磨損 切削時，刀具與工件構成一自然熱電偶， 產生熱電勢，工藝系統(tǒng)自成回路，熱電流在刀具和工件中通過，從而促進擴散作用而加速刀具磨損，這稱為熱電磨損。,刀具破損也是刀具損壞的主要形式之一。刀具破損多發(fā)生在脆性較大的刀具材料進行斷續(xù)切削時，或者加工高硬度材料時。破損形式： 早期破損（切削開始或短時間切削后即發(fā)生破損）和后期破損（受交變的機械應力和熱應力作用導致疲勞而引起的破損） 脆性破損和塑性破損 脆性破損：硬質合金和陶瓷刀具切削時，在機械和熱沖擊作用下，前、后刀面尚未發(fā)生明

15、顯的磨損前，就在切削刃處出現崩刃、碎斷、剝落、裂紋等。 塑性破損：切削時，由于高溫、高壓作用，有時在前、 后刀面和切屑、工件的接觸層上， 刀具表層材料發(fā)生塑性流動而失去切削能力。,刀具的破損,1、崩刃。在切削刃上產生的小缺口。缺口尺寸與進給量相當或者稍大一些。切削刃修磨后還能繼續(xù)進行切削。 2、碎斷。在切削刃上發(fā)生小塊破裂（重磨修復后可用）或大塊斷裂（不能修磨后再用），刀具不能繼續(xù)正常切削。,一、刀具的脆性破損,3、剝落。指經常連同切削刃一起在前刀面、后刀面上剝下一層碎片，有時也在離切削刃稍遠處剝落。這種早期破損現象多發(fā)生在斷續(xù)切削、且在有切屑粘結在前面上在切入時。在積屑瘤脫落時，更容易發(fā)生這

16、種破損。 4、裂紋破損。在長時間斷續(xù)切削后，由于疲勞而引起裂紋的一種破損。熱應力引起垂直于或傾斜于切削刃的熱裂紋，機械應力引起平行于切削刃或成網狀的機械疲勞裂紋。 這種裂紋不斷擴展、合并，導致切削刃的破損或斷裂。,二、刀具的塑性破損,切削時，由于高溫和高壓作用，使得前、后刀面的刀具材料發(fā)生塑性流動而喪失切削能力，稱為塑性破損。 過程：刀刃變鈍圓刀具材料向后刀面流動后角變化（部分為0）接觸面增大切削力增大刀具材料繼續(xù)向后刀面流動部分刀具材料被工件帶走。 塑性破損的條件是高溫下刀具材料的硬度小于工件材料的硬度。刀具材料與工件材料硬度比值越高，越不容易發(fā)生塑性破損。,1、依據被加工材料和切削條件，合

17、理選擇刀具材料的種類和牌號； 2、選擇合理的刀具角度，通過調整使刀尖具有較好的強度。在主切削刃上磨出倒棱。 3、選擇合適的切削用量； 4、盡量采用可轉位車刀； 5、操作時要盡量避免刀具承受突變性負荷。,防止刀具破損的措施,刀具磨損分為：初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。,刀具磨損階段及耐用度,1、刀具的磨損過程 （1) 初期磨損階段。新刃磨的刀具，由于表面粗糙不平，在切削時很快被磨去，故磨損較快。經研磨過的刀具，初期的磨損量較小。 （2) 正常磨損階段。經初期磨損后，刀具表面已經被磨平，壓強減小，磨損速度較為緩慢。磨損量隨切削時間延長而近似地成比例增加。反映刀具正常工作時的磨損率。,（

18、3) 急劇磨損階段。當磨損量增加到一定限度后，機械摩擦加劇，切削力加大，切削溫度升高，磨損原因也發(fā)生變化(如轉化為相變磨損、擴散磨損等)，磨損加快，已加工表面質量明顯惡化，出現振動、噪音等， 以至刀具崩刃，失去切削能力。 繼續(xù)使用會影響加工質量且刀具刃磨時去材料更多，成本更大。在這個階段來臨之前，要及時換刀或更換新切削刃。,刀具的耐用度 刀具從切削開始到磨鈍為止的切削總時間稱為刀具的耐用度，它代表刀具磨損的快慢程度。通常用主后面的平均磨損值VB衡量刀具的磨鈍標準。 刀具的耐用度越大，表示刀具磨損的越慢。 天然單晶金剛石，其磨損或破損到不能使用的標志是加工表面的粗糙度超過規(guī)定值。 天然單晶金剛石

19、刀具只能在機床主軸轉動非常平穩(wěn)的高精度機床上使用，否則，由于振動會使金剛石刀具很快產生切削刃微觀崩刃，不能繼續(xù)使用。,刀具磨損、破損檢測與監(jiān)控,小結,1、刀具磨損對切削過程有重大影響。 2、刀具損壞失效的形式有正常磨損和破損兩類。破損多數發(fā)生在脆性較大的刀具進行斷續(xù)切削時或在高硬度材料的加工中；而正常磨損則在任何加工情況下存在。 3、刀具磨損是機械、化學和物理等作用的綜合結果。 4、刀具磨損與切削溫度密切相關，凡是影響切削溫度的因素都影響刀具的磨損。 5、刀具的磨鈍標準通常用主后面的平均磨損值VB衡量。 6、刀具耐用度是估計刀具是否已達到磨鈍標準的間接可測量的量，通常情況下按經濟耐用度原則選擇

20、切削用量。,2.3 切削加工機床及應用,2.3.1 精密機床發(fā)展概況 我國超精密機床的生產和研制起步較晚，和國外的差距較大。由于涉及許多保密技術，從國外引進超精密機床受到限制，我國必須加大力度研制性能更優(yōu)越的超精密機床，為國防工業(yè)、尖端技術的發(fā)展創(chuàng)造條件。,2.3.2 精密機床的精度指標,普通機床主軸徑向跳動通常為0.01mm，導軌平直度為0.02mm/1000mm； 精密機床主軸徑向跳動通常為0.0030.005mm，導軌平直度為0.01mm/1000mm； 超精密要求則更高，具體精度指標見下表。 高精度工件的精度保證，取決于加工機床的精度。,通常，加工設備的精度必須要高于零件尺寸精度，有時

21、要求高于零件尺寸精度一個數量級，因此超靜加工機床的高精度指標取決于加工零件尺寸的高精度。 主軸的回轉誤差為工件尺寸精度的1/4左右，進給的直線度與工件的圓柱度和平面度處于同一個數量級，主軸的跳動量與工件的圓度處于同一數量級，表面粗糙度比尺寸精度高一個數量級。,主軸部件是機床的執(zhí)行件，由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 基本要求： （1）旋轉精度：是指裝配后，在無載荷、低速轉 動條件下，在安裝工件或刀具的主軸部位的 徑向和軸向跳動。旋轉精度取決于主軸、軸 承、箱體孔等的制造、裝配和調整精度。 （2）剛度：是指主軸部件在外加載荷作用下抵抗 變性的能力。主軸部件的剛度是綜合剛度，

22、它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。,2.3.3 精密主軸部件,（3）抗振性：是指抵抗受迫振動和自激振動的能力。 （4）溫升和熱變性：主軸部件運轉時，因各相對處 的摩擦生熱，切削區(qū)的切削熱等使主軸部件的 溫度升高，形狀尺寸和位置發(fā)生變化，造成主 軸部件的所謂熱變性。 （5）精度保持性：是指長期地保持其原始制造精度 的能力。,液體靜壓軸承主鈾 靠外部供給壓力油、在軸承內建立靜壓承載油膜以實現液體潤滑的滑動軸承。 液體靜壓軸承從起動到停止始終在液體潤滑下工作,所以沒有磨損，使用壽命長，起動功率小，在極低（甚至為零）的速度下也能應用。另外，具有回轉精度高、剛性較高、轉動平穩(wěn)、無振動的特點，廣泛用于超精密機床。,液體靜壓軸承主鈾 存在缺點： （1）油溫升高，在不同轉速時溫度升高值不同，因此控制溫升較難，溫升造成的熱變形會影響主軸回轉精度。 （2）靜壓油回油時，容易將空氣帶入油隙中，微小氣泡不容易排出，降低液體靜雅軸承的剛度特性。 改進措施： （1）提高油壓，使油中微小氣泡的影響減小。 （2）采用恒溫水冷卻，減少軸承溫升。,2. 空氣靜壓軸承主軸 靜壓空氣軸承需要外界供壓力空氣。壓力空氣從窄縫、小孔或多孔材料噴出，在消耗壓力空氣很少的情況下，在氣膜處形成穩(wěn)定的壓力氣流（所謂節(jié)流）；因氣膜邊緣和大氣相通壓強為零，氣膜阻力阻擋了壓力氣流同大氣相通，使得靜壓空氣軸承氣膜保