精密加工技術(shù)論文(2)
精密加工技術(shù)論文
精密加工技術(shù)論文篇二
超精密切削加工技術(shù)探析
摘要：超精密切削加工主要是由高精度的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行的,故一般稱為金剛石刀具具切削或SPDT。對(duì)超精密切削加工技術(shù)及其機(jī)理進(jìn)行介紹和總結(jié),希望對(duì)超精密加工行業(yè)同事有所指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：超精密切削;金剛石;機(jī)床
中圖分類號(hào)：T13
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1672-3198(2011)06-0263-02
通常,按加工精度劃分,可將機(jī)械加工分為一般加工、精密加工、超精密加工三個(gè)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;精度高于0.1μm,表面粗糙度小于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(qū)別的話,以微米級(jí)的去除,才屬于超精密加工。
1 金剛石刀具切削的機(jī)理
超精密切削加工主要是由高精度的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)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(yōu)點(diǎn),但要使金剛石刀具超精密切削達(dá)到預(yù)期的效果,并不是很簡(jiǎn)單的事,許多因素都對(duì)它有影響。
1.1 切削厚度與材料切應(yīng)力的關(guān)系
金剛石刀具超精密切削屬微量切削,其機(jī)理和普通切削有較大差別。精密切削時(shí)要達(dá)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(jí)以下金屬層厚度的能力。由于切深一般小于材料晶格尺寸,切削是將金屬晶體一部分一部分地去除。因此,精密切削在切除多余材料時(shí),刀具切削要克服的是晶體內(nèi)部非常大的原子結(jié)合力,于是刀具上的切應(yīng)力就急劇增大,刀刃必須能夠承受這個(gè)比普通加工大得多的切應(yīng)力。
切削厚度與切應(yīng)力成反比,切削厚度越小,切應(yīng)力越大。當(dāng)進(jìn)行切深為0.1微米的普通車削時(shí),其切應(yīng)力只有500MPa;當(dāng)進(jìn)行切深為0.8微米的精密切削時(shí),切應(yīng)力約為10000MPa。因此精密切削時(shí),刀具的尖端將會(huì)產(chǎn)生根大的應(yīng)力和很大的熱量,尖端溫度極高,處于高應(yīng)力高溫的工作狀態(tài),這對(duì)于一般刀具材料是無(wú)法承受的。因?yàn)槠胀ú牧系牡毒?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(yīng)力和高溫下會(huì)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(qiáng)度和高溫硬度,能保持很好的切削性能,而不被軟化和磨損。
1.2 材料缺陷及其對(duì)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(jí)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(dāng)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(lái)表示。臨界加工能量密度就是當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料彈性極限時(shí),在切削相應(yīng)的空間內(nèi),由于材料缺陷而產(chǎn)生破壞時(shí)的加工能量密度;單位體積切削能量則是指在產(chǎn)生該加工單位切削時(shí),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(yīng)力所作用的區(qū)域)就是加工單位,加工單位的大小和材料缺陷分布的尺寸大小不同時(shí),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(dāng)加工應(yīng)力作用在比位錯(cuò)缺陷平均分布間隔一微米則還要狹窄的區(qū)域時(shí),在此狹窄區(qū)域內(nèi)是不會(huì)發(fā)生由于位錯(cuò)線移動(dòng)而產(chǎn)生材料滑移變形。當(dāng)加工應(yīng)力作用在比位錯(cuò)缺陷平均分布間隔還要寬的范圍內(nèi)時(shí),位錯(cuò)線就會(huì)在位錯(cuò)缺陷的基礎(chǔ)上發(fā)生滑移,同時(shí)在比剪切應(yīng)力理論值低得多的加工應(yīng)力作用下,晶體產(chǎn)生滑移變形或塑性變形。當(dāng)加工應(yīng)力作用在比晶粒大小更寬的范圍時(shí),多數(shù)情況易發(fā)生由晶界缺陷所引起的破壞。實(shí)際上,在比微錯(cuò)缺陷平均分布間隔還要小的范圍內(nèi),還存在著空位、填隙原子等缺陷,會(huì)演變成位錯(cuò)并發(fā)生局部塑性滑移.因此實(shí)際剪切強(qiáng)度比理論值低,實(shí)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(jī)械加工振動(dòng)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(jìn)給量等。它主要影響與切削運(yùn)動(dòng)力向相垂直的橫向表面粗糙度。圖a表示了在切削時(shí),主偏角kr、副偏角kr和進(jìn)給量f對(duì)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(guān)系可知：
Ry=f/(ctgkr+ctgk’)r
圖b表示了在切削時(shí),刀尖圓弧半徑re和進(jìn)給量f對(duì)殘留面積高度的影響,其幾何關(guān)系如下：
Ry≈f2/8re
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(biāo)志其加工水平。當(dāng)前,最小切削深度可達(dá)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(lái)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于0.5微米,而切削時(shí)的切削深度ap和進(jìn)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于切削刃鈍圓圓弧處每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的受力情況,在自由切削條件下,切削刃鈍圓圓弧上某一質(zhì)點(diǎn)A的受力情況見(jiàn)圖。該點(diǎn)有切向分力Fz和法向分力Fy,合力為Fy,z。切向分力使質(zhì)點(diǎn)向前移動(dòng),形成切屑;法向分力使質(zhì)點(diǎn)壓向被加工表面,形成擠壓而無(wú)切屑。所以,切屑的形成取決于Fz和Fy的比值,當(dāng)Fz>Fy時(shí),有切削過(guò)程,形成切屑;當(dāng)Fz apmin=rn-h=rn(1-cosψ)
ψ=45°-ψ=45°-arctanFfFn
式中：ψ―金剛石刀切削時(shí)的摩擦角;
Ff―金剛石刀切削時(shí)的摩擦力;
Fn―金剛石刀切削時(shí)的正壓力。
可見(jiàn),切削刃鈍圓半徑rn是決定切屑形成的關(guān)鍵參數(shù)。
金剛石刀具越精密切削時(shí),刀具切削刃鈍圓半徑小,切薄能力強(qiáng),形成流動(dòng)切屑,因此切削作用是主要的。但由于實(shí)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,并以微切削為主。
3 結(jié)語(yǔ)
近幾年來(lái),切削加工技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,像計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤,大功率激光用的金屬反射鏡,激光掃描用的多面棱鏡,紅外光等用的光學(xué)零件和復(fù)印機(jī)的高精度零件,都是用切削的方法加工出來(lái)的,超精密切削加工技術(shù)在這個(gè)技術(shù)時(shí)代顯得尤為重要。
參考文獻(xiàn)
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