精密與超精密切削加工

撰文:常州蘭生公司刀具部            戴軍

精密切削加工

 1 概述

所謂精密加工，是指加工精度和表面質(zhì)量達(dá)到極高程度的加工工藝．不同的發(fā)展時(shí)期，其技術(shù)指標(biāo)有所不同 · 目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，一般工廠能穩(wěn)定掌握的加工精度是 1 um ，而精密切削加工可將加工精度控制在0.1 um 以下，加工表面粗糙度Ra在0.1 ～0.02um范圍內(nèi) · 目前主要有精密車(chē)削、精密銑削和精密鏜削等。

現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)之所以致力于提高零件加工精度，其主要原因在于：

 ① 提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性；

 ② 促進(jìn)產(chǎn)品小型化；

 ③ 增強(qiáng)零件的互換性，提高裝配生產(chǎn)率，促進(jìn)自動(dòng)化裝配應(yīng)用，推動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)等。 2 精密切削的加工機(jī)理

 ( l ）微量切削條件

精密切削與普通切削本質(zhì)是相同的，都是材料在刀具作用下，產(chǎn)生剪切斷裂、摩擦擠壓和滑移的過(guò)程，但在精密切削加工中，采用的是微量切削方法，切削深度小，切屑形成的過(guò)程有其特殊性。

在精密切削過(guò)程中，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圓弧承擔(dān)，能否從加工材料上切下切屑，主要取決于刀具刃口圓弧處被加工材料質(zhì)點(diǎn)受力情況．如圖 2 -28 ，分析正交切削條件下，切削刃口圓弧處任一質(zhì)點(diǎn)試的受力情況．由于是正交切削，質(zhì)點(diǎn)￡僅有兩個(gè)方向的切削力，即水平力凡和垂直力 F 。水平力凡使被切削材料質(zhì)點(diǎn)向前移動(dòng)，經(jīng)過(guò)擠壓形成切屑，而垂直力凡則將被切削材料壓向被切削工件本體，不能構(gòu)成切屑形成條件。最終能否形成切屑，取決于作用在此質(zhì)點(diǎn)上的切削力凡和 F ，的比值。

根據(jù)材料的最大剪切應(yīng)力理論可知，最大剪切應(yīng)力應(yīng)發(fā)生在與切削合力 F 成 45 。的方向上。此時(shí)，若切削合力 F 的方向與切削運(yùn)動(dòng)方向成 45 ”角，則作用在材料質(zhì)點(diǎn)：上的最大剪應(yīng)力與切削運(yùn)動(dòng)方向一致。該質(zhì)點(diǎn)i處材料被刀具推向前方形成切屑，而質(zhì)點(diǎn) i 處位置以下的材料不能形成切屑，只產(chǎn)生彈性、塑性變形點(diǎn)被推向切削運(yùn)動(dòng)方向.

( 2 ）微量切削的碾壓過(guò)程

首先分析刃口圓弧處的碾壓現(xiàn)象。如圖 2-29 所示，在刃口圓弧處，不同的切削深度，刀具的實(shí)際前角是變化的。如果△＜r，則實(shí)際前角變?yōu)樨?fù)前角。當(dāng)切削深度很小時(shí)（如圖△1），實(shí)際前角為較大的負(fù)前角，在刀具刀口圓弧處將產(chǎn)生很大的擠壓摩擦作用，稱之為碾壓效應(yīng)。這時(shí)，被加工表面通常將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力. 另外，再分析刀尖圓弧處的碾壓，如圖 2 . 30所示。在精密車(chē)削加工中，加工余量很小，刀刃的直線部分可能不參加切削，而只是部分圓弧刃參加切削。這時(shí)，刀尖圓弧上各點(diǎn)上的主偏角k1是變化的，且小于其名義值。刀尖圓弧處的副偏角也是如此。另外，在刀尖圓弧上各點(diǎn)的切削厚度也是變化的（ 0 –a0max）。當(dāng)切削厚度逐漸變小，切削深度達(dá)到最小切削深度時(shí)，將不會(huì)產(chǎn)生切削作用，僅有彈性變形和塑性變形，這時(shí)該處僅有碾壓作用。由于圖中有剖面線的部分作為切屑被除去之后，由刀尖圓弧在被加工工件上留下的圓弧形表面并非全部留下形成加工表面，其中大部分將在后續(xù)的加工中被切除，僅在刀頭附近留下的圓弧形輪廓才成為其最終的加工表面。因此，在形成加工表面的刀尖處所對(duì)應(yīng)的切屑有極小的厚度，甚至接近零。由此可見(jiàn)，在被加工表面形成過(guò)程中伴隨的碾壓作用占很大的比重�？梢哉J(rèn)為，被加工表面的質(zhì)量在很大程度上受碾壓效果的影響。

( 3 ）切削力變化

精密切削時(shí)，采用微量切削，各種因素對(duì)切削力的影響與普通切削有所不同．

 l ）切削速度的影響

不考慮積屑瘤的存在，采用硬質(zhì)合金車(chē)刀和采用天然金剛石車(chē)刀進(jìn)行精密切削，切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律是不一樣的。用硬質(zhì)合金車(chē)刀進(jìn)行精密切削時(shí)，切削速度對(duì)切削力的影響不明顯。這是因?yàn)樵谖⒘壳邢鲿r(shí)，前刀面前部切削區(qū)的變形及摩擦在整個(gè)切削中所占比例較小，見(jiàn)圖 2-3l ( a ）。因此當(dāng)切削速度Vc增加時(shí)，這都分變形及摩擦減小很不明顯．同時(shí)由于硬質(zhì)合金車(chē)刀刃口半徑 r · 較大，為口圓弧部分對(duì)加工面的擠壓所占的比例較大 · 切削速度的增加，對(duì)其影響很小 · 因此，用硬碳合金車(chē)刀精密切削時(shí)，切削速度對(duì)切削力的影響不明顯 · 可是用天然金剛石車(chē)刀時(shí)，情況就不一樣，它的刃口圓弧半徑比硬質(zhì)合金小得多雖然切削用量相同，切下的切屑要從前刀面流出，見(jiàn)圖 2.31 的 ( b ）。但因前刀面的切削區(qū)的變形及摩擦所占的比例加大，當(dāng)切削速度增力 n 時(shí)，這部分變形及磨擦要減少，所以用天然金剛石車(chē)刀精密切削時(shí)，切削力隨切削速度的增加而下降。

 若考慮積屑瘤的影響，情況有所不同。如圖 2-32 所示，精密切削鋁合金和紫銅時(shí)，低速時(shí)切削力大,隨著切削速度增加，切削力急劇下降，當(dāng)切削速度達(dá)到 200 -300m / min 后，切削力基本保持不變，這規(guī)律和積屑瘤高度隨切削速度的變化規(guī)律一致．積屑瘤大時(shí)，切削力大，積屑瘤小時(shí)，切削力也小．圖 2.33 是有積屑瘤時(shí)精密切削的切削模型，根據(jù)此模型分析積屑瘤造成切削力增加的原因如下：積屑瘤的存在，使刀具的刃口半徑增大；積屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，這導(dǎo)致實(shí)際切削厚度超過(guò)名義值許多；積屑瘤代替刀具進(jìn)行切削，積屑瘤和切屑及已加工表面之間的摩擦比刀具和它們之間的摩擦耍嚴(yán)重許多。這些因素都將使切削力增加。

2 ）進(jìn)給量的影響

進(jìn)給量和切削深度決定著切削面積的大小，因而是影響切削力的重要因素。圖 2。34 表示的是在精密加工時(shí)切削力隨進(jìn)給量變化的曲線。

從圖 2 . 34 中可以清楚地看出：進(jìn)給量對(duì)切削力有明顯的影響，進(jìn)給量對(duì) Fz 的影響比對(duì)Fy及 Fz 的影響大。另外，由圖 2 . 34 ( b ）可以看出，在用硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)，當(dāng)進(jìn)給量小于一定值時(shí)，F(xiàn)y＞Fz，這是精密切削時(shí)切削力變化的特殊規(guī)律，掌握這一規(guī)律，有利于合理設(shè)計(jì)刀具.

 3 ）切削深度的影響

圖 2.35 表示的是在精密加工時(shí)切削力隨切削深度變化的曲線。由圖可知，切削深度對(duì)切削力有明顯的影響。使用天然金剛石車(chē)刀時(shí)，F(xiàn)z＞Fy；使用硬質(zhì)合金刀具時(shí)，切削深度小于一定值時(shí)，F(xiàn)y＞Fz．

切削用量（ f ，ap）對(duì)切削力影響的原因是切削用量直接影響 Fz 的大小。切削刃口半徑的大小決定后刀面上正壓力大小，直接影響著 Fy 的大小。當(dāng)切削用量減小時(shí)， Fz 隨之減小，由干切削刃口半徑是一固定值，所以當(dāng)切削用量減小到一定值之后，F(xiàn)y才能大于 Fz ；但是由于天然金剛石車(chē)刀可以磨得很鋒利，切削刃口半徑可以比硬質(zhì)合金的小許多倍，因此由刀口圓弧部分產(chǎn)生的擠壓小，后刀面上的正壓力小，從而Fy小，雖然是微量切削，F(xiàn)z仍然大于 Fy 。

由上可知：一般切削時(shí)，F(xiàn)z與 Fy 的比值總是大于 1 。而精密切削時(shí)情況不一定是這樣的，它取決于切削用量同刀具刃口半徑的比值．當(dāng)切削用量同刃口半徑之比值減小到一定數(shù)值時(shí)， Fz 與 Fy 的比值可以小 1.

 另外，在一般切削時(shí)，切削深度ap對(duì)切削力的影響大于進(jìn)給量 f 對(duì)切削力的影響。在精密切削時(shí)，恰恰相反，進(jìn)給量對(duì)切削力的影響大于切削深度的影響。這與精密切削時(shí)通常采用進(jìn)給量F大于切削深度 ap的切削方式有關(guān)．

 4 ）刀具材料的影響

天然金剛石對(duì)金屬的摩擦系數(shù)比其他刀具材料要小得多，而且天然金剛石能刃磨出極小的刃口半徑，所以在精密切削時(shí)，采用天然金剛石刀具所產(chǎn)生的切削力要比其他材料刀具�。�

其他有關(guān)刀具幾何角度、切削液等對(duì)切削力的影響同一般切削相似，故不再敘述。

3 ．精密切削加工的關(guān)健技術(shù)

 ( l ）精密加工機(jī)床

精密加工機(jī)床是實(shí)現(xiàn)精密加工的首要條件，各國(guó)投人了大量的資金對(duì)它進(jìn)行研究。目前主要研究方向是提高機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度，工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)精度以及刀具的微量進(jìn)給精度。機(jī)床主軸軸承要求具有很高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動(dòng)平衡，無(wú)振動(dòng)，其關(guān)鍵技術(shù)在于主軸軸承。早期的精密主軸采用超精密級(jí)的滾動(dòng)軸承，而目前使用的精密主軸軸承是靜、動(dòng)態(tài)性能更加優(yōu)異的液體靜壓軸承和空氣靜壓軸承。工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)精度是由導(dǎo)軌決定的。精密機(jī)床使用的導(dǎo)軌有滾動(dòng)導(dǎo)軌、液體靜壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌和空氣靜壓導(dǎo)軌。為了提高刀具的進(jìn)給精度，必須使用微量進(jìn)給裝置微量進(jìn)給裝置有多種結(jié)構(gòu)形式，多種工作原理，目前只有彈性變形式和電致伸縮式微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)比較實(shí)用，尤其是電致伸縮微量進(jìn)給裝置，可以進(jìn)行自動(dòng)化控制 ，有較好的動(dòng)態(tài)特性，在精密機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

精密切削研究是從金剛石車(chē)削開(kāi)始的及其合金進(jìn)行切削加工，應(yīng)用天然單晶金剛石車(chē)刀對(duì)鋁、銅和其他軟金屬可以得到較高的加工，可以得到較高的加工精度和極低的表面粗糙度，從而產(chǎn)生了金剛石精密車(chē)削加工方法。

( 2 ）精密測(cè)量技術(shù)和誤差補(bǔ)償

精密加工技術(shù)離不開(kāi)精密測(cè)量技術(shù)，精密加工要求測(cè)量精度比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)它應(yīng)包括機(jī)床超精密部件運(yùn)動(dòng)精度的檢測(cè)和加工精度的直接檢測(cè)．要提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，首先要能檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)誤差。

目前，精密加工中所使用的測(cè)量?jī)x器多以干涉法和高靈敏度電動(dòng)測(cè)微技術(shù)為基礎(chǔ)，如激光干涉儀，多次光波干涉顯微鏡及重復(fù)反射干涉儀等。國(guó)外廣泛發(fā)展非接觸式測(cè)量方法并研究原子級(jí)精度的測(cè)量技術(shù)。 Johaness 公司生產(chǎn)的多次光波干涉顯微鏡的分辨率為0.52 mm ，最近出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡的分辨率為0.01nm ，是目前世界上精度最高的測(cè)量?jī)x之一。最新的研究證實(shí)，在隧道掃描顯微鏡下可移動(dòng)原子，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)精密加工。

當(dāng)加工精度高于一定程度后．若仍然采用提高機(jī)床的制造精度，保證加工環(huán)境的穩(wěn)定性等誤差預(yù)防措施提高加工精度，這將會(huì)使所花費(fèi)的成本大幅度增加。這時(shí)應(yīng)采取另一種所謂的誤差補(bǔ)償措施，即是通過(guò)消除或抵消誤差本身的影響，達(dá)到提高加工精度的目的。誤差補(bǔ)償可利用誤差補(bǔ)償裝置對(duì)誤差值進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)補(bǔ)償，以消除誤差本身的影響。使用在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償可以突破超精密加工系統(tǒng)的固有加工精度.

3 超精密加工實(shí)例

( 1 ）金剛石車(chē)削技術(shù)及其應(yīng)用

金剛石車(chē)床與鏡面銑床相比，其機(jī)械結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，技術(shù)要求更為嚴(yán)格。除了必須滿足很高的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性外，還必須具有很高的定位精度和重復(fù)精度，鏡面銑削時(shí)，對(duì)主軸只需很高的軸向運(yùn)動(dòng)精度，而對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)精度要求較低，金剛石車(chē)床則須兼?zhèn)浜芨叩妮S向和徑向運(yùn)動(dòng)精度，才能減少對(duì)工件的形狀精度和表面粗糙度的影響。

目前市場(chǎng)上提供的金剛石車(chē)床的主軸大多采用氣體靜壓軸承，軸向和徑向的運(yùn)動(dòng)誤差在 50 nm 以下，個(gè)別主軸的運(yùn)動(dòng)誤差已低于 25 nm ，金剛石車(chē)床的導(dǎo)軌在 20 世紀(jì) 90 年代以前絕大部分采用氣體靜壓支撐.

金剛石車(chē)削早期主要用來(lái)加工有色金屬如無(wú)氧銅和鋁合金等，其產(chǎn)品主要是各種光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡，如射電望遠(yuǎn)鏡的主鏡面，激光探測(cè)（ LIDA ）系統(tǒng)中的各種鏡面以及激光切割機(jī)床中的反射鏡等。在東西方軍備競(jìng)賽時(shí)期，各種紅外光學(xué)元件的需求量猛增，金剛石車(chē)削可加工各種紅外光學(xué)材料如鍺、硅、 ZnS 和 Znse 等，工件的形狀多為非球面，這樣就可大大減少光學(xué)元件的數(shù)量。減少元件，可提高光學(xué)系統(tǒng)的透光性能，另外還可節(jié)約昂貴的紅外材料。

在日常消費(fèi)品中，金剛石車(chē)削常被用來(lái)加工有機(jī)玻璃和各種塑料，其應(yīng)用實(shí)例有大型投影電視屏幕、照相機(jī)的塑料鏡片以及樹(shù)脂隱形眼鏡鏡片等。

在大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中，光學(xué)元件多采用擠壓成形或壓注成形。成形所用的型腔多采用金剛石車(chē)削來(lái)完成。型腔材料除超高強(qiáng)度鎳鋼外還有工具鋼和陶瓷等。超高強(qiáng)度鎳鋼是模壓成形時(shí)應(yīng)用最廣的材料，因?yàn)樗�既滿足模具的強(qiáng)度要求，又可用金剛石車(chē)削加工出最佳的形狀精度和表面質(zhì)量用金剛石刀具加工工具鋼時(shí)，刀具易產(chǎn)生化學(xué)磨損，這是因?yàn)楣ぞ咪撝刑荚�素與金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)．所以此時(shí)要在刀架上附加一個(gè)超聲振動(dòng)裝置，或者改用立方氮化硼刀具進(jìn)行加工。

用金剛石車(chē)削直徑在 100 mm 以下的工件時(shí)，形狀誤差可控制在0.1um 以下，工件表面粗糙度 Ra 可達(dá)納米級(jí)。表面粗糙度度除與切削參數(shù)及機(jī)床特性有關(guān)外，還取決于材料的特性。絕大多數(shù)可用金剛石車(chē)削的材料的表面粗糙度 Ra 可達(dá)到 1 -5 nm 。

金剛石車(chē)削的刀具參數(shù)與鏡面銑的相似，金屬材料多用零前角刀具加工，紅外材料和脆性材料則多用負(fù)前角刀具加工。

金剛石車(chē)削的切削參數(shù)根據(jù)工件材料和機(jī)床特性而定，通常主軸轉(zhuǎn)速低于 2 000r / min , 個(gè)別可達(dá)  5000r ／min 。隱形眼鏡鏡片車(chē)床較特殊，其轉(zhuǎn)速可達(dá) 10000r / min.

  4 .超精密切削加工發(fā)展前景

美國(guó)國(guó)家科研計(jì)劃中超精密加工的研究，在工件材料方面，從傳統(tǒng)的鋁、銅擴(kuò)展到難切削材料和非金屬硬脆材料；在加工方式方面，從純切削擴(kuò)展到開(kāi)發(fā)帶有檢測(cè)反饋的超精密技術(shù)以及最終表面涂層制備的綜合技術(shù)．

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的實(shí)際情況，參考國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)應(yīng)注意開(kāi)展超精密加工技術(shù)基礎(chǔ)的研究，其主要內(nèi)容包括以下四個(gè)方面：

 ① 超精密切削的基本理論和工藝；

 ② 超精密設(shè)備的精度、動(dòng)態(tài)特性和熱穩(wěn)定性；

 ③ 超精密加工精度檢測(cè)及在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償。

 ④ 超精密加工的環(huán)境條件。