第二章精密和超精密加工技術精密與超精密加工加工精度表面粗糙度精密加工0.1-1μm0.02-0.1μm超精密加工>0.1μm<0.01μm超精密切削-金剛石刀具切削用高精度機床和單晶金剛石刀具進行的精密、超精密切削

稱為金剛石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金剛石刀具切削主要用于有色金屬（銅、鋁及其合金）、非金屬材料的精密加工利用超精密金剛石切削的菲涅爾透鏡，更薄、性能更好金剛石切削機理

切削在晶粒內進行切削力＞原子結合力（剪切應力達13000N/mm2）刀尖處溫度極高，應力極大，普通刀具難以承受高速切削（與傳統精密切削相反），工件變形小，表層高溫不會波及工件內層，可獲得高精度和好表面質量

刀尖附近二維切削模型金剛石切削機理金剛石切削刀尖的切削模型OMF金屬切削模型彈性變形→剪切應力增大，達到屈服點→產生塑性變形，沿OM線滑移→剪切應力與滑移量繼續增大，達到斷裂強度→切屑與母體脫離。M刀具切屑OA終滑移線始滑移線：τ=τsΦ剪切角

切削表面形成模型金剛石切削機理t0－變質層深度；t1－給定切深；t2－實際切深；Δ－毛刺產生的粗糙度增量切削表面的輪廓是在垂直于切削方向的平面內工具輪廓的復映

切削表面形成模型金剛石切削機理理想刀具切削刃在工件表面的復印輪廓

切削刃的粗糙度切削刃口的復映性毛刺與加工變質層

影響表面形成的因素金剛石切削刀具

超精密切削刀具應具備的條件：

刀具刃口的鋒利性好。刃口半徑值極小，能實現超薄切削厚度。

切削刃的粗糙度低。切削時刃形將復制在被加工表面上，從而得到超光滑的鏡面。

刀具與被切削材料的親和性低。以得到極好的加工表面完整性。

切削刃強度高、耐磨損不可替代的超精密切削刀具材料：單晶金剛石金剛石的性能金剛石刀具對超精密切削的適應性硬度最高，各向異性，不同晶向的物理性能相差很大。優質天然單晶金剛石：多數為規整的8面體或菱形12面體，少數為6面立方體或其他形狀，淺色透明，無雜質、無缺陷。大顆粒人造金剛石在超高壓、高溫下由子晶生長而成，并且要求很長的晶體生長時間。人造單晶金剛石已用于制造超精密切削的刀具。金剛石刀具刃口的鋒利性－最小圓弧半徑可以達到2nm金剛石刀具刃口的粗糙度

－可達到Ry10nm金剛石刀具切削刃有良好的復印性金剛石刀具的熱化學性能

－有較高的熱導率和比熱容，低的摩擦系數

－高溫時易氧化和石墨化金剛石刀具對超精密切削的適應性材料晶界圓弧半徑/nm金剛石TICFeCuAl2.01.12.93.75.7最小圓弧半徑的計算值金剛石刀具的分類

天然單晶金剛石刀具

人工合成金剛石刀具(如美國GE公司生產的COMPAX牌金剛石刀具)

－聚晶金剛石(PCD)（切割后焊在刀片上）

－金剛石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂層涂覆在超硬刀具基體上）刀具切削刃比較金剛石粉燒結體立方氮化硼燒結體（CBN）單晶金剛石單晶金剛石刀具金剛石的晶體結構和刃磨單晶金剛石研磨后的刀刃多晶金剛石研磨后的刀刃立方體八面體十二面體單晶金剛石刀具單晶金剛石的硬度（努氏硬度）單晶金剛石刀具單晶金剛石的熱穩定性金剛石的熱穩定性與周圍介質、硬度等有關金剛石在不同介質條件下受熱升溫時所發生的狀態單晶金剛石刀具單晶金剛石的熱穩定性MBD6型金剛石在不同溫度下保溫1小時的抗壓強度曲線MBD6型金剛石在800℃加熱不同時間的抗壓強度曲線單晶金剛石刀具

CBN和單晶金剛石的熱穩定性比較金剛石刀具可切削材料可切削材料Al（鋁）、Cu（銅）、Au（金）、Ag（銀）、Pb（鉛）、Pt（白金）、黃銅、Ge（鍺）、ZnS（硫化鋅）、各種塑膠要求高精度、高剛度、良好穩定性、抗振性及數控功能等金剛石切削機床型號(生產廠家)HCM-Ⅰ

(中國哈工大)M-18AG

(莫爾特殊機床,美國)UltraprecisionCNCmachine

(東芝,日本)UltraprecisionLathe

(IPT，德國)主軸徑向跳動(μm)≤0.075≤0.05(500r/min)≤0.048軸向跳動(μm)≤0.05≤0.05(500r/min)徑向剛度(N/μm)220100軸向剛度(N/μm)160200導軌Z向(主軸)直線度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/230mm0.044μm/80mmX向(刀架)直線度＜0.2μm/100mm≤0.5μm/410mm0.044μm/80mmX、Z向垂直度(")≤11重復定位精度(μm)1(全程)、0.5(25.4mm)加工

工件

精度形面精度(μm)圓度：0.1平面度：0.3＜0.1(P-V值)0.1表面粗糙度(μm)Ra0.00420.0075(P-V值)Ra0.0020.002～0.005RMS位置反饋系統分辨率(μm)252.510溫控精度(℃)≤0.004±0.006±0.1隔振系統固有頻率(Hz)≤22加工范圍(mm)320356650×2502主軸系統國內外典型超精密車床性能指標Moore金剛石車床回轉工作臺工件刀具主軸傳動帶主軸電機空氣墊刀具夾持器美國Moore公司M-18AG金剛石車床主軸采用空氣靜壓軸承，轉速5000轉/分，徑跳＜0.1μm；液體靜壓導軌，直線度達0.05μm/100mm；數控系統分辨率0.01μm。典型金剛石切削機床典型金剛石切削機床T形布局的金剛石車床車床主軸裝在橫向滑臺（X軸）上，刀架裝在縱向滑臺（Z軸）上。可解決兩滑臺的相互影響問題，而且縱、橫兩移動軸的垂直度可以通過裝配調整保證，生產成本較低，已成為當前金剛石車床的主流布局。

T形布局

金剛石車床主要性能指標數控系統分辯率/μm400×2005000～1000050000.1～0.01≤0.2/100≤0.1≤0.1≤1/150≤2/100徑向1140軸向1020640720最大車削直徑和長度/mm最高轉速r/mm最大進給速度mm/min重復精度(±2σ)/μm主軸徑向圓跳動/μm滑臺運動的直線度/μm主軸前靜壓軸承（φ100mm）的剛度/（N/μm）主軸后靜壓軸承（φ80mm）的剛度/（N/μm）縱橫滑臺的靜壓支承剛度/（N/μm）主軸軸向圓跳動/μm橫滑臺對主軸的垂直度/μm金剛石車床加工4.5mm陶瓷球金剛石車床及其加工照片

用于銅、鋁及其合金精密切削（切鐵金屬，由于親合作用，產生“碳化磨損”，影響刀具壽命和加工質量）

加工各種紅外光學材料如鍺、硅、ZnS和ZnSe等

加工有機玻璃和各種塑料

典型產品：光學反射鏡、射電望遠鏡主鏡面、大型投影電視屏幕、照像機塑料鏡片、樹脂隱形眼鏡鏡片等金剛石切削的應用精密和超精密磨削：通常是指加工精度1～0.1μm，表面粗糙度低于Ra0.2～0.025μm的表面磨削方法。精密和超精密磨削精密、超精密磨削、鏡面磨削形成的零散刻痕鏡面磨削：一般是指加工表面粗糙度達到Ra0.02～0.01μm，磨削表面光澤如鏡的磨削方法。鏡面磨削對加工精度要求不很明確，主要強調表面粗糙度要求。精密和超精密磨削分類精密和超精密磨削分類固結磨料加工將磨料或微粉與結合劑粘合在一起，形成一定的形狀并具有一定強度，再采用燒結、粘接、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。精密和超精密砂輪磨削精密砂輪磨削：砂輪的粒度60＃～80＃，加工精度1μm，Ra0.025μm；超精密砂輪磨削：砂輪的粒度W40～W50，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密砂帶磨削精密砂帶磨削：砂帶粒度W63～W28，加工精度1μm，Ra0.025;超精密砂帶磨削：砂帶粒度W28～W3，加工精度0.1μm，Ra0.025～0.008μm。精密和超精密磨削分類游離磨料加工磨料或微粉不是固結在一起，而是成游離狀態。傳統方法：研磨和拋光新方法：磁性研磨、彈性發射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。超精密磨削砂輪磨料磨具超精密磨削涂覆磨具1－基底；2－粘接膜；3－粘接劑（底膠）；4－粘接劑（覆膠），5－磨粒(a)砂輪(b)磨粒

(c)微刃(銳利、半鈍化、鈍化)磨粒具有微刃性和等高性

微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑擠、摩擦、拋光作用精密磨削機理v=27m/s6420-2-4-604681012彈性區塑性區切削區工件切入角α實際磨削軌跡理想磨削軌跡彈性區塑性區切削區塑性區彈性區接觸終點2α=6.8°切入角/（）接觸長度/mm超精密磨削的單顆磨粒切入模型超精密磨削機理磨?？梢钥醋骶哂袕椥灾С械暮痛筘撉敖乔邢魅械膹椥泽w，彈性支承為結合劑，磨粒雖有相當硬度，本身受力變形極小，實際上仍屬于彈性體。磨粒切削刃的切入深度由零開始逐漸增加，到達最大值后又逐漸減小到零。整個磨粒與工件的接觸過程依次為彈性區、塑性區、切削區、塑性區和彈性區。超精密磨削中，微切削作用、塑性流動、彈性破壞作用和滑擦作用依切削條件的變化而順序出現。超精密磨削機理砂輪1）砂輪磨料2）砂輪粒度3）砂輪結合劑砂輪修整：整形與修銳（去除結合劑，露出磨粒）常用方法—①用碳化硅砂輪（或金剛石筆）修整，獲得所需形狀；②電解修銳（適用于金屬結合劑砂輪），效果好，并可在線修整。砂輪及砂輪的修整進給＋－ELID磨削原理電源金剛石砂輪（鐵纖維結合劑）冷卻液冷卻液電刷

ELID（ElectrolyticIn-ProcessDressing）(砂輪在線電解修整)原理：砂輪采用鑄鐵基金剛石砂輪。利用電解原理，在磨削過程中，不斷對結合劑進行電解，使已磨損的金剛石磨粒脫落，從而使金剛石砂輪始終處于鋒利狀態。鑄鐵基砂輪：“+”極；石墨電極：“–”極；兩電極間隙：0.1mm（1）磨削過程具有良好的穩定性；（2）該修整法使金剛石砂輪不會過快的磨耗，提高了貴重磨料的利用率；（3）ELID修整法使磨削過程具有良好的可控性；（4）采用ELID磨削法，容易實現鏡面磨削，并可大幅度減少超硬材料被磨零件的殘留裂紋。ELID磨削的特點

電子材料，磁性材料的鏡面磨削硅片；鐵金氧磁頭光學材料的鏡面磨削記錄用光學材料，光學鏡片研磨拋光前陶瓷材料的鏡面磨削高精度鋼鐵材料及復合材料，硬質合金ELID應用范圍砂帶磨削示意圖接觸輪硬磁盤——裝在主軸真空吸盤上V砂帶砂帶輪卷帶輪F-徑向進給f-徑向振動砂帶精密磨削砂帶：帶基材料為聚碳酸脂薄膜，其上植有細微砂粒。砂帶在一定工作壓力下與工件接觸并作相對運動，進行磨削或拋光。有開式和閉式兩種形式，可磨削平面、內外圓表面、曲面等。砂帶精密磨削用于磨削管件的砂帶磨床（帶有行星系統）幾種砂帶磨削形式砂帶精密磨削磨削參數閉式磨削開式磨削粗磨精磨砂帶速度/(ms-1)12～3025～30速度很低工件速度/(mmin-1)20～3020以下10～12縱向進給量/(mmr-1)0.17～3.000.40～2.00——磨削深度(mm)0.05～0.0100.01～0.05——接觸壓力(N)接觸壓力直接影響磨削效率和砂帶壽命，可根據工件材料、砂帶、磨削余量和表面粗糙度的要求來選擇，有時很難控制，一般選取50～300N。砂帶磨削用量砂帶精密磨削砂帶精密磨削砂帶磨削特點1）砂帶與工件柔性接觸，磨粒載荷小，且均勻，工件受力、熱作用小，加工質量好（Ra

值可達0.02μm）。3）強力砂帶磨削，磨削比（切除工件重量與砂輪磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之稱。4）制作簡單，價格低廉，使用方便。5）可用于內外表面及成形表面加工。磨粒規格涂層粘接劑基帶靜電植砂砂帶結構2）靜電植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生熱小，磨屑不易堵塞砂輪，磨削性能好。

塑性（延性）磨削(a)初始加載:接觸區產生—永久塑性變形區，沒有任何裂紋破壞。變形區尺寸隨載荷增加而變大。(b)臨界區:載荷增加到某一數值時，在壓頭正下方應力集中處產生中介裂紋(MedianCrack)。(c)裂紋增長區:載荷增加,中介裂紋也隨之增長。(d)初始卸載階段:中介裂紋開始閉合，但不愈合。(e)側向裂紋產生:進一步卸載，由于接觸區彈塑性應力不匹配，產生一個拉應力疊加在應力場中，產生系列向側邊擴展的橫向裂紋(LateralCrack)。(f)完全卸載:側向裂紋繼續擴展，若裂紋延伸到表面則形成破壞的碎屑。尖銳壓頭下的材料變形過程

塑性（延性）磨削由圖可以看出，即使是脆性材料，在很小載荷的作用下仍然會產生一定的塑性變形。當載荷增加時，材料將由塑性變形方式向脆性破壞發生轉變，在材料的內部和表面上產生脆性裂紋。臨界載荷：在材料將由塑性變形方式向脆性破壞發生轉變轉變過程中，當裂紋剛好產生時所施加的垂直載荷；臨界壓深：材料將由塑性變形方式向脆性破壞發生轉變轉變時，壓頭壓入的深度。尖銳壓頭下的材料變形過程脆性材料裂紋長度塑性磨削的機理至今仍不十分清楚，主要有兩種看法：臨界切削深度——當磨粒的切削深度小到一定程度（臨界切削深度）時，切屑就由脆斷轉變為塑斷。切削深度和磨削溫度是切屑由脆性向塑性轉變的關鍵——當磨粒與工件的接觸點的溫度高到一定程度時，工件材料的局部物理特性會發生變化，導致了切屑形成機理的變化。（已有試驗作支持）

塑性（延性）磨削

磨削脆性材料時，在一定工藝條件下，切屑形成與塑性材料相似，即通過剪切形式被磨粒從基體上切除下來。磨削后工件表面呈有規則紋理，無脆性斷裂凹凸不平，也無裂紋。

塑性（延性）磨削

塑性磨削

磨粒作用下的脆性裂紋超精密磨削的臨界切削厚度E－材料的彈性模量，H－材料硬度，

K

c－材料的斷裂韌性日本學者研究表明，金剛石砂輪磨粒粒度的大小也會影響到臨界切削厚度

塑性（延性）磨削

塑性磨削

日本學者研究表明，金剛石砂輪磨粒粒度的大小也會影響到臨界切削厚度平均磨粒尺寸低于20μm（1）切削深度小于臨界切削深度，它與工件材料特性和磨粒的幾何形狀有關。一般臨界切削深度＜1μm。為此對機床要求：①高的定位精度和運動精度。以免因磨粒切削深度超過1μm時，導致轉變為脆性磨削。②高的剛性。因為塑性磨削切削力遠超過脆性磨削的水平，機床剛性低，會因切削力引起的變形而破壞塑性切屑形成的條件。

（2）磨粒與工件的接觸點的切削溫度應高到一定程度，使工件材料的局部物理特性發生變化。

塑性（延性）磨削

塑性磨削工藝條件超精密研磨和拋光研磨是在研具與工件之間置以研磨劑，對工件表面進行光整加工的方法。研磨原理超精密研磨和拋光拋光是在高速旋轉的拋光輪上涂以磨膏，對工件表面進行光整加工的