精密加工技術論文(2)
精密加工技術論文
精密加工技術論文篇二
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(yè)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,以微米級的去除,才屬于超精密加工。
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(yōu)點,但要使金剛石刀具超精密切削達到預期的效果,并不是很簡單的事,許多因素都對它有影響。
1.1 切削厚度與材料切應力的關系
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,刀具切削要克服的是晶體內(nèi)部非常大的原子結合力,于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(chǎn)生根大的應力和很大的熱量,尖端溫度極高,處于高應力高溫的工作狀態(tài),這對于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,能保持很好的切削性能,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(nèi),由于材料缺陷而產(chǎn)生破壞時的加工能量密度;單位體積切削能量則是指在產(chǎn)生該加工單位切削時,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(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,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布間隔一微米則還要狹窄的區(qū)域時,在此狹窄區(qū)域內(nèi)是不會發(fā)生由于位錯線移動而產(chǎn)生材料滑移變形。當加工應力作用在比位錯缺陷平均分布間隔還要寬的范圍內(nèi)時,位錯線就會在位錯缺陷的基礎上發(fā)生滑移,同時在比剪切應力理論值低得多的加工應力作用下,晶體產(chǎn)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范圍時,多數(shù)情況易發(fā)生由晶界缺陷所引起的破壞。實際上,在比微錯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,會演變成位錯并發(fā)生局部塑性滑移.因此實際剪切強度比理論值低,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,由幾何關系可知：
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志其加工水平。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于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于切削刃鈍圓圓弧處每個質(zhì)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(zhì)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(zhì)點向前移動,形成切屑;法向分力使質(zhì)點壓向被加工表面,形成擠壓而無切屑。所以,切屑的形成取決于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參數(shù)。
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。但由于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,并以微切削為主。
3 結語
近幾年來,切削加工技術得到了突飛猛進的發(fā)展,像計算機用的磁鼓、磁盤,大功率激光用的金屬反射鏡,激光掃描用的多面棱鏡,紅外光等用的光學零件和復印機的高精度零件,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]駱紅云,焦紅,范猛,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).
[2]陳明君,王景賀,原大勇,羅熙淳,李旦.KDP晶體塑性域超精密切削加工過程仿真[J].光電工程,2005,(5).
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