超精密切削加工
超精密切削加工技术探析
用 的 区 域 ） 是 加 工 单 位 ， 工 单 位 的 大 小 和 材 料 缺 陷 分 布 切 削 刃钝 圆 圆 弧 上 某 一 质 点 Ａ 的受 力 情 况 见 图 。该 点 有 切 就 加 的尺 寸 大 小 不 同 时 ， 加 工 材 料 的 破 坏 方 式 就 不 同 。 被 向分 力 Ｆ 和 法 向 分 力 Ｆ ， 力 为 Ｆ ， 。切 向 分 力 使 质 点 ｚ ｙ合 ｙＺ 向前 移 动 ， 成 切 屑 ； 向 分 力 使 质 点 压 向 被 加 工 表 面 ， 形 法 形 ２ 超精 ： 精 密 切 削加 工 主 要 是 由 高精 度 的 机 床 和 单 晶 金 刚 石 刀 具 进 行 的 ， 一 般 称 为金 刚 石 刀 具 具 切 削 或 Ｓ Ｄ 超 故 Ｐ Ｔ。
对 超 精 密 切 削加 工 技 术 及 其 机 理 进 行 介 绍 和 总 结 ， 望 对 超 精 密加 工 行 业 同事 有 所 指 导 。 希
２１ 年第 ６ ０１ 期
１ ２ 材 料 缺 陷 及 其 对 超 精 密 切 削 的 影 响 ．
２ ２ 金 刚 石 刀 具 超 精 密 车 削 的切 屑 形 成 ． 金 刚 石 刀 具 超 精 密 车 削 是 一 种 原 子 、 子 级 加 工 单 位 分 金刚石 刀具超精密车削所 能切 除金 属层 的厚度 标志其 的去 除 （ 离 ） 工 方 法 ， 从 工 件 上 去 除 材 料 ， 要 相 当 大 加 工 水 平 。 当 前 ， 小 切 削 深 度 可 达 ０ １微 米 以 下 ， 主 要 分 加 要 需 最 ． 其 的能 量 ， 种 能 量 可 用 临 界 加 工 能 量 密 度 ￣ Ｊ ｃ ） 单 位 影 响 因素 是 刀 具 的锋 利 程 度 ， 般 以 刀 具 的 切 削 刃 钝 圆 半 这 （／ ｍ３ 和 一
论述金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具超精密切削的机理丶条件和应用范围
金刚石刀具是超精密切削中常用的刀具材料，其切削机理、条件和应用范围如下：
1.切削机理：
⏹金刚石刀具的切削刃非常锋利，在切削过程中能够实现“切入式切削”，
使切削力大大减小。
⏹金刚石的硬度极高，切削时不易被工件材料磨损，能够保持良好的切削刃
形状。
⏹金刚石的传热性能极佳，能够快速地将切削热量传递出去，从而降低切削
温度，减少热损伤。
1.切削条件：
⏹刀具刃口半径：为了实现超精密切削，需要将刀具的刃口半径减小到亚微
米级，以提高切削的精度和表面粗糙度。
⏹切削用量：为了减小切削力和热量，需要选择较小的切削深度和进给速度，
以提高切削效率。
⏹工件材料：金刚石刀具适用于加工各种硬材料，如淬火钢、硬质合金等。
但是，对于一些韧性较大的材料，需要进行预处理或选择其他刀具材料。
1.应用范围：
⏹金刚石刀具广泛应用于超精密切削领域，如光学零件、轴承、硬盘磁头、IC
芯片等高精度、高表面质量的零件加工。
⏹在加工过程中，金刚石刀具还可以用于制作各种微细结构，如微孔、微槽
等。
综上所述，金刚石刀具的超精密切削需要满足一定的条件，并具有广泛的应用范围。
精密和超精密加工
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。
2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。
金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。
4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等直接相关。
5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。
6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，（111）晶面有3个波峰和波谷。
以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。
比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。
7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。
推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。
8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最低，最不容易磨。
9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。
现在习惯上把高磨削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。
10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。
11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。
其中激光晶体定向最常用。
12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。
13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超声波振动修整法。
电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。
精密和超精密加工技术
1、通常将加工精度在0.1-1um、加工表面粗糙度R在0.02-0.1um之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1um、加工表面粗糙度R小于0.01um的加工方法称为超精密加工。
2、提高加工精度的原因：提高制造精度后可提高产品的性能和质量，提高其稳定性和可靠性；促进产品的小型化；增强零件的互换性，提高装配生产率，并促进自动化装配。
3、精密和超精密加工目前包含三个领域：超精密切削；精密和超精密磨削研磨‘精密特种加工。
4、金刚石刀具的超精密切削加工技术，主要应用于两个方面：单件的大型超精密零件的切削加工和大量生产的中小型零件的超精密切削加工技术。
5、金刚石刀具有两个比较重要的问题：晶面的选择；切削刃钝圆半径。
6、超稳定环境条件主要是指恒温、防振、超净和恒湿五个方面的条件。
7、我国应开展超精密加工技术基础的研究，其主要内容包括以下四个方面：1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺。
2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性。
3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿。
4）超精密加工的环境条件。
5）超精密加工的材料。
8、超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
9、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境等都直接有关。
10、为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和很高的尺寸耐用度。
2）切削刃钝圆能磨得极其锋锐，切削刃钝圆半径r值极小，能实现超薄切削厚度。
3）切削刃无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，能得到超光滑的镜面。
4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因素低，能得到极好的加工表面完整性。
11、SPDT——金刚石刀具切削和超精密切削。
12、晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于某个平面平整地劈开的现象称为解理现象。
超精密切削加工技术介绍
超精密切削加工技术介绍
超精密加工技术是适应现代高科技的需要而发展起来的先进制造技术, 是高科技尖端产品开发中不可或缺的关键技术, 是一个国家制造业水平重要标志, 是先进制造技术基础和关键, 也是装备现代化不可缺少的关键技术之一, 在军用和民用工业中有着十分广阔的应用前景。
金刚石超精密切削技术, 是超精密加工技术发展最早的、应用最为广泛的技术之一。
超精密切削加工技术
1、超精密切削的历史
60年代初，由于宇航用的陀螺，计算机用的磁鼓、磁盘，光学扫描用的多面棱镜，大功率激光核聚变装置用的大直径非圆曲面镜，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等，各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。
为此，研究、开发了使用高精度、高刚度的机床和金刚石刀具进行切削加工的方法加工。
2、超精密切削加工的应用
（1）平面镜的切削
平面度
金刚石刀具
1、金刚石刀具特点
金刚石刀具拥有很高的高温强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。
金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。
超精切削刀具材料有天然金刚石，人造单晶金刚石。
金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。
机械磨损——机械摩擦、非常微小；破损。
《精密和超精密加工技术(第3版)》第2章超精密切削与金刚石刀具
三、使用切削液减小积屑瘤,减小加工表面粗糙 度值
图2-11 超精密切削时切削速度对加工表面粗糙 度的影响 f=0.0075mm/r ap=0.02mm
加工硬铝时,如将航空汽油作为切削液,可明显减小 加工表面粗糙度值,并且在低速时表面粗糙度值也很 小。这说明使用切削液后,已消除了积屑瘤对加工表 面粗糙度的影响，从污染环境看,应在保证加工表面 质量的条件下,尽量少用切削液。加工黄铜时,切削 液无明显效果,低速时加工表面粗糙度值不大,故加 工黄铜时可不使用切削液。
加的原因如下:
1)鼻形积屑瘤前端的圆弧半径R为2~3μm,较原来金刚 石车刀的切削刃钝圆半径rn(0.2~0.3μm)大得多。
2)积屑瘤存在时,它代替金刚石切削刃进行切削,积屑 瘤和切屑间的摩擦及积屑瘤和已加工表面之间的摩擦 都很严重,摩擦力很大,大大超过金刚石和这些材料之 间的摩擦力,这导致切削力的增加。
超精密切削刀具磨损和寿命
图2-2 磨损的金刚石切削刃
正常刀具磨损情况,一般磨 损主要在后刀面上。
图2-3 剧烈磨损的金刚石切削刃
剧烈磨损情况,从图中可看 到磨损区呈层状,即刀具磨 损为层状微小剥落,这大概 是由金刚石沿(111)晶面有 解理现象产生而造成这样的 磨损形式。
超精密切削刀具磨损和寿命
一、超精密切削时切削参数对积屑瘤生成的影响
图2-8 背吃刀量㊀ap对积屑瘤高度的影响
硬铝v=314m/min f=0.0075mm/r
在实验的切削参数范围内都有积屑瘤产生。
背吃刀量ap<25μm时,积屑瘤的高度h0变化 不大,但ap大于25μm后,积屑瘤高度h0将随 ap值的增加而增加,这种变化的原因大概是
控制机械加工表面质量的工艺途径
控制机械加工表面质量的工艺途径随着科学技术的发展，对零件的表面质量的要求已越来越高。
为了获得合格零件，保证机器的使用性能，人们一直在研究控制和提高零件表面质量的途径。
提高表面质量的工艺途径大致可以分为两类：一类是用低效率、高成本的加工方法，寻求各工艺参数的优化组合，以减小表面粗糙度；另一类是着重改善工件表面的物理力学性能，以提高其表面质量。
一、降低表面粗糙度的加工方法1．超精密切削和低粗糙度磨削加工⑴超精密切削加工超精密切削是指表面粗糙度为R a0.04μm以下的切削加工方法。
超精密切削加工最关键的问题在于要在最后一道工序切削0.1μm的微薄表面层，这就既要求刀具极其锋利，刀具钝圆半径为纳米级尺寸，又要求这样的刀具有足够的耐用度，以维持其锋利。
目前只有金刚石刀具才能达到要求。
超精密切削时，走刀量要小，切削速度要非常高，才能保证工件表面上的残留面积小，从而获得极小的表面粗糙度。
⑵小粗糙度磨削加工为了简化工艺过程，缩短工序周期，有时用小粗糙度磨削替代光整加工。
小粗糙度磨削除要求设备精度高外，磨削用量的选择最为重要。
在选择磨削用量时，参数之间往往会相互矛盾和排斥。
例如，为了减小表面粗糙度，砂轮应修整得细一些，但如此却可能引起磨削烧伤；为了避免烧伤，应将工件转速加快，但这样又会增大表面粗糙度，而且容易引起振动；采用小磨削用量有利于提高工件表面质量，但会降低生产效率而增加生产成本；而且工件材料不同其磨削性能也不一样，一般很难凭手册确定磨削用量，要通过试验不断调整参数，因而表面质量较难准确控制。
近年来，国内外对磨削用量最优化作了不少研究，分析了磨削用量与磨削力、磨削热之间的关系，并用图表表示各参数的最佳组合，加上计算机的运用，通过指令进行过程控制，使得小粗糙度磨削逐步达到了应有的效果。
2．采用超精密加工、珩磨、研磨等方法作为最终工序加工超精密加工、珩磨等都是利用磨条以一定压力压在加工表面上，并作相对运动以降低表面粗糙度和提高精度的方法，一般用于表面粗糙度为R a0.4μm以下的表面加工。
超精密切削加工与金刚石刀具(精密加工
2.5 切削刃锋锐度对切削变形、加工表面质量的影 响
三、切削刃锋锐度对切削变形和切削力的影响
2021/5/1
锋锐车刀切削变形系数明显低于 较钝的车刀。 刀刃锋锐度不同，切削力明显不 同。刃口半径增大，切削力增大， 即切削变形大。背吃刀量很小时， 切削力显著增大。因为背吃刀量很 小时，刃口半径造成的附加切削变 形已占总切削变形的很大比例，刃 口的微小变化将使切削变形产生很 大的变化。所以在背吃刀量很小的 精切时，应采用刃口半径很小的锋 锐金刚石车刀。
(FN ) Ff cos FP sin
A点为极限临界点，极限最小切削厚度 hDmin 应为
hDmin rn(1 cos ) rn1
2021/5/1
第2章 超精密切削与金刚石刀具
2.1超精密切削时刀具的切削速度、磨损和耐用度 2.2超精密切削时积屑瘤的生成规律 2.3切削参数变化对加工表面质量的影响 2.4刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量的影响 2.5超精密切削时的最小切削厚度 2.6金刚石刀具晶面选择对切削变形和加工表面质
2021/5/1
2.2 超精密切削时刀具的磨损和寿命
后刀面 前刀面
2021/5/1
图2-2：切削刃正常磨损；
图 2-3 ： 图 a 是 刀 刃 磨 损 的 正常情况，图b是剧烈磨损 情况，可以看到磨损后成 层状，即刀具磨损为层状 微小剥落；
图2-4：图中所示沿切削速 度方向出现磨损沟槽，由 于金刚石和铁、镍的化学 和物理亲和性而产生的腐 蚀沟槽；
2.3 超精密切削时积屑瘤的生成规律
2、进给量f和背吃刀量 p的影响
• 由图2-7可以看出在进给量很小时，积屑瘤的高度很大，在 f＝5μm/r时，h0值最小，f值再增大时，h0值稍有增加。
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5.1 精密测量的支撑环境
空气环境——洁净度、气流速度、压力、有害气体等； 热环境——温度、湿度、表面热辐射等； 振动环境——频率、加速度、位移、微振动等； 声环境——噪声、频率、声压等； 光环境——照度、眩光、色彩等； 静电环境——微电量、电磁波、放射线等。
2019/12/8
超精密切削加工
姓名：南宫幽夏 学号：*********
机械工程学院
江苏科技大学
目录
1
超精密切削简介
2
超精密切削刀具3 超精密切削机床 Nhomakorabea4
误差补偿技术
5
精密测量技术
1.1 超精密切削加工简介
1.2 超精密切削加工发展的三个阶段
20世纪50年代至80 年代为技术开创期； 20世纪50年代末，出于航天、国防等尖端技术发展的需要，
超光滑的镜面； 与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得
到极好的加工表面完整性； 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。
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目录
1
超精密切削简介
2
超精密切削刀具
3 超精密切削机床
4
误差补偿技术
5
精密测量技术
3.1 国外超精密切削加工机床
2019/12/8
2019/12/8
20世纪80年代至90年代为民间工业应用初期； 20世纪80年代，美国政府推动数家民间公司如Moore Special
Tool和Pneumo Precision公司开始超精密加工设备的商品化，而 日本数家公司也陆续推出产品，但这些设备开始面向一般民间 工业光学组件。20世纪80年代末，美国通过能源部“激光核聚 变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”对超精 密金刚石切削机床的开发研究，投入了巨额资金和大量人力， 实现了大型零件的微尺寸超精密加工。美国LLDL国家实验室研 制出的大型光学金刚石车床LODTM成为超精密加工史上的经典 之作。
4.1 误差补偿介绍
误差补偿：在机械加工中出现的误差采用修正、抵消、均化、 “钝化”等措施使误差减小。 侠义的角度：误差补偿是对一尺寸、形状、位置差值的补足。
2019/12/8
4.2 误差补偿的类型
实时与非实时误差补偿：加工过程中，实时进行误差检测， 并紧接着进行误差补偿，不仅可以补偿系统误差，且可以补 偿随机误差；非实时误差补偿只能补偿系统误差。
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美国LLNL实验室研制的LODTM车床
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非球面复合加工系统
2019/12/8
2019/12/8
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3.2 国内超精密切削加工机床
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目录
1
超精密切削简介
2
超精密切削刀具
3 超精密切削机床
4
误差补偿技术
5
精密测量技术
美国率先发展了超精密加工技术，开发了金刚石刀具超精密切 削——单点金刚石切削技术（SPDT），用于加工激光核聚变反 射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件等。从 1966年起，美国Union Carbide公司、荷兰Philips公司和美国 Lawrence Livermore Laboratories陆续推出各自的超精密金刚石 车床，但其应用限于少数大公司与研究单位的试验研究，并以 国防用途或科学研究用途的产品加工为主。
软件与硬件误差补偿：通过计算机对所建立的数学模型进行 运算后，发出运动指令，由数控随动系统完成误差补偿动作。 软件与硬件补偿的区分是看补偿信息是由软件还是硬件产生。
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单项与综合误差补偿：综合误差补偿是同时补偿几项误差， 比单项误差补偿要复杂，但效率高、效果好。
单维语多维误差补偿：多维误差补偿是在多坐标上进行误差 补偿，难度和工作量都比较大，是近几年来发展起来的误差 补偿技术。
20世纪90年代至今为民间工业应用成熟期； 从1990年起，由于汽车、能源、医疗器材、信息、光电和通
信等产业的蓬勃发展，超精密加工的需求急剧增加，在工业界 的应用包括非球面光学镜片、超精密模具、磁盘驱动器磁头、 半导体晶片切割等。在这一时期，超精密加工设备的相关技术 如控制器、激光干涉仪等也逐渐成熟，许多公司纷纷推出量产 型设备。
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4.3 误差补偿的过程
反复检测出现的误差并分析，找出规律，找出影响误差的主 要因素，确定误差项目；
进行误差信号的处理，去除干扰信号，分离不需要的误差信 号，找出工件加工误差与在补偿点的补偿量之间的关系，建 立相应的数学模型；
选择或设计合适的误差补偿控制系统和执行机构，以便在补 偿点实现补偿运动；
目录
1
超精密切削简介
2
超精密切削刀具
3 超精密切削机床
4
误差补偿技术
5
精密测量技术
2.1 超精密切削加工刀具
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2.2 超精密切削加工对刀具的要求
极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量； 刃口能磨得极其锋利，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚
度； 刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到
验证误差补偿的效果，进行必要的调试，保证达到预期要求。
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4.4 误差补偿的组成
误差信号的检测； 误差信号的处理； 误差信号的建模； 补偿控制； 补偿执行机构。
2019/12/8
目录
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超精密切削简介
2
超精密切削刀具
3 超精密切削机床
4
误差补偿技术
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精密测量技术
5.2 精密测量的仪器
千分表
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激光全息光栅尺
2019/12/8
激光扫描千分尺
2019/12/8
视像测量系统