1、超精密切削加工摘 要：超精密切削加工主要是用高精度的機床和單晶金剛石刀具進行的加工。故一般稱為金剛石刀具切削。超精密切削實際上是刀具刀尖部分與工件的相互作用,分析了金剛石刀具刀尖幾何形狀和切削刃的鋒利度對超精密切削加工質量的影響“認為正確地選擇刀尖部分幾何形狀和修光刃鈍圓半徑是獲得高質量加工表面的有力保證”。本文介紹超精密切削的歷史以及應用，金剛石刀具超精密切削，超精密加工機床的關鍵部件技術以及影響切削表面粗糙度的因素及發展趨勢等方面。關鍵詞：超精密; 金剛石;切削; 刀具Abstract: The ultra precision cutting with high precision mac

2、hine tool is mainly single crystal of diamond tools and machining. So generally called diamond cutting. The ultra precision cutting tool tip is actually part of the mutual function, analyzed the diamond tool tip geometry shape and the cutting edge of the ultra precision machining sharpness the influ

3、ence on the quality of think correct choice of the tip of the geometric shape and light blade obtuse radius is get high quality processing surface is a powerful guarantee. This paper introduces the ultra precision cutting the history and applications of, the diamond tool super precision cutting, the

4、 ultra precision machine tools key components of the technology as well as the influence factors of cutting surface roughness and development trends etc.Key words: the ultra precision; diamond; cutting; tool0 引言超精密加工技術是適應現代高科技的需要而發展起來的先進制造技術, 是高科技尖端產品開發中不可或缺的關鍵技術, 是一個國家制造業水平重要標志, 是先進制造技術基礎和關鍵, 是新技術的

5、生長點, 也是裝備現代化不可缺少的關鍵技術之一, 在軍用和民用工業中有著十分廣闊的應用前景。金剛石超精密切削技術, 是超精密加工技術發展最早的、應用最為廣泛的技術之一。實現超精密切削加工主要應滿足三個條件,即超高精度的機床,超穩定的加工條件和超精密級的刀具。1.超精密切削加工簡介1.1超精密切削的歷史60年代初，由于宇航用的陀螺，計算機用的磁鼓、磁盤，光學掃描用的多面棱鏡，大功率激光核聚變裝置用的大直徑非圓曲面鏡，以及各種復雜形狀的紅外光用的立體鏡等等，各種反射鏡和多面棱鏡精度要求極高，使用磨削、研磨、拋光等方法進行加工，不但加工成本很高，而且很難滿足精度和表面粗糙度的要求。為此，研究、開發了

6、使用高精度、高剛度的機床和金剛石刀具進行切削加工的方法加工。1.2.精密、超精密加工的范疇 精密加工和超精密加工是一個相對的概念，是隨著加工技術的進步不斷變化的。 目前，一般認為精密加工是指加工精度為 10.1m，表面粗糙度為 Ra 小于 0.10.01m 的加工技術；超精密加工是指加工精度高于 01m，表面粗糙度 Ra 小于 0025m 的加工技術。 當前，超精密加工的水平已達到了納米級，形成了納米加工技術。2金剛石刀具超精密切削2.1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

7、Turning)。金剛石刀具的超精密切削加工雖有很多優點，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。2.2金剛石刀具特點金剛石刀具擁有很高的高溫強度和硬度，而且材質細密，經過精細研磨，切削刃可磨得極為鋒利，表面粗糙度值很小，因此可進行鏡面切削。金剛石刀具超精密切削主要用于加工銅、鋁等有色金屬，如高密度硬磁盤的鋁合金基片、激光器的反射鏡、復印機的硒鼓、光學平面鏡，凹凸鏡、拋物面鏡等。超精切削刀具材料有天然金剛石，人造單晶金剛石。金剛石刀具磨損的常見形式為機械磨損和破損。機械磨損機械摩擦、非常微小；破損本身裂紋、沖擊和振動。刀具磨損直接影響到加工質量（具體視

8、加工材料而定）。金剛石刀具只能安裝在機床主軸轉動非常平穩的高精度機床上使用（不能有振動）。2.3金剛石刀具切削的優點（1）平面鏡的表面粗糙度可達Ry5m，曲面鏡的表面粗糙度可達Ry10m，形狀精度可達30m，而且沒有塌邊現象。（2）用SPDT加工的表面對光線的反射率很高，例如對波長為10.6m的激光，經SPDT切削加工的去氧銅表面的反射率為9999.4%。在去氧銅表面鍍金、銀、銅層，經SPDT切削加工后表面的反射率為96.799.3%。（3）經SPDT加工的表面，對激光具有很高的耐熱損傷性能，故它是大功率激光用的反射鏡終精加工的最好方法。（4）金剛石刀具超精密切削與一般切削加工相比，精度要高1

9、2個量級。（5）從成本上看，用去氧銅經SPDT進行加工的光學反射鏡、棱鏡等與過去用鍍鉻經磨料加工的產品相比，成本大約為后者的一半或數分之一。（6）在SPDT加工過程中可采用數控進行批量生產，這樣不僅可以縮短加工時間，而且可以很容易地加工非球面及其他形狀復雜的表面，故相對而言，雖然加工設備最初的投資較高，但與效益相比，成本還是低的。2.4刀尖幾何形狀對加工質量的影響常用天然金剛石刀具的刀尖幾何形狀有尖刃多棱刃、直線切削刃及曲線切削刃(主要是圓弧切削刃)等幾種是用于超精密切削的幾種不同金剛石刀具刀尖部分的幾何形狀。一般不用在超精密切削時直線切削刃就是直線修光刃,圓弧切削刃就是圓弧修光刃在這幾種不同

10、刀尖幾何形狀的金剛石刀具中,尖刃刀具、多棱刃刀具難以加工出超精密表面;圓弧切削刃刀具雖然加工殘留面積較小,但刃磨困難(目前,除哈爾濱工業大學外,我國圓弧切削刃金剛石刀具刃磨技術的總體水平都不高)，而在精確安裝的前提下,直線切削刃刀具的加工殘留面積最小,加工表面質量最高。直線切削刃比圓弧切削刃的切削阻力小,易于進行尺寸精度及表面粗糙度控制,并且制造容易、研磨方便,其用于高品質!高精度加工方面的優勢是其它切削刃難以替代的，其不足之處是安裝調整比較困難。直線切削刃不能太長(一般取0.050.20mm),否則會增加徑向切削力,且切削刃和工件表面過多。的摩擦會使加工表面粗糙度值增大,并且加速刀具磨損。由

11、于普通直線切削刃刀具在安裝調整時較為費事,其安裝關鍵就是調整切削刃與進給方向的夾角,要求直線切削刃應嚴格與進給方向一致。因此,為了安裝調整方便,可將直線切削刃做成如下形式:直線切削刃的兩邊帶有圓弧角,安裝時只需將直線切削刃調整到與進給方向大致平行即可。用這種刀具可以進行零切削,易于獲得優良的超精密表面質量。所示刀具直線切削刃部分由三個前刀面構成(也就是直線切削刃不在一條直線上),使前端直線切削刃的兩邊形成零點幾毫米長的切削刃。該兩小段切削刃相對前端直線切削刃形成一個微小角度,這兩小段切削刃在切削過程中除具有切削作用外還具有擠壓作用。2.5圓弧切削刃圓弧切削刃金剛石刀具對刀容易,使用方便,但刀具

12、制造、研磨困難,價格較高。國外金剛石刀具較多地采用圓弧切削刃,推薦的切削刃刀尖圓弧半徑為Re=0.53mm或更小。超精密切削時進給量甚小,一般情況下進給量f0.02mm/r。在切削深度相同的條件下,隨著刀尖圓弧半徑的減小,工件的表面粗糙度增大,這是因為圓弧切削刃加工時留下的殘留面積隨著刀尖圓弧半徑的變化而變化:當刀尖圓弧半徑減小時切削刃變得越來越小,工件上切削的殘留面積就越來越大。根據粗糙度理論計算公式,Ra=f8r式中 Ra-理論粗糙度f-進給量r-刀尖圓弧半徑 由上式可知,刀尖圓弧半徑越小,工件的粗糙度值越大所以從加工表面的粗糙度方面考慮,應該選擇盡可能大的刀尖圓弧半徑。但隨著刀尖圓弧半徑

13、的繼續增大,刀具將變得越來越鈍,對工件產生很大的擠壓力和摩擦力同時,由于工件安裝等情況的影響,在工件不同位置會產生不同的變形,使得切削層不再均勻,造成工件平面度降低。因此刀尖圓弧半徑的選擇要兼顧加工表面粗糙度和平面度。3超精密加工機床的關鍵部件技術3.1主軸系統超精密加工機床的主軸在加工過程中直接支持工件或刀具的運動，故主軸的回轉精度直接影響到工件的加工精度。因此可以說主軸是超精密加工機床中最重要的一個部件，通過機床主軸的精度和特性可以評價機床本身的精度。目前研制開發的超精密加工機床的主軸中精度最高的是靜壓空氣軸承主軸(磁懸浮軸承主軸也越來越受到人們的重視，其精度在迅速得到提高)。空氣軸承主軸

14、具有良好的振擺回轉精度。主軸振擺回轉精度是除去軸的圓度誤差和加工粗糙度影響之外的軸心線振擺，即非重復徑向振擺，屬于靜態精度。目前高精度空氣軸承主軸回轉精度可達0.05m，最高可達0.03m，由于軸承中支承回轉軸的壓力膜的均化作用，空氣軸承主軸能夠得到高于軸承零件本身的精度。例如主軸的回轉精度大約可以達到軸和軸套等軸承部件圓度的1/151/20。日本學者研究表明，當軸和軸套的圓度達到0.150.2m的精度時，可以得到10nm的回轉精度，并通過FFT測定其所制造的精度最高的空氣軸承主軸的回轉精度為8nm。HCM-超精密加工機床的密玉石空氣軸承主軸的圓度誤差0.1m。表1 國內外典型超精密車床性能指

15、標匯總型號(生產廠家)HCM-(中國哈工大)M-18AG(莫爾特殊機床,美國)Ultraprecision CNC machine(東芝,日本)Ultraprecision Lathe(IPT，德國)主軸徑向跳動(m)0.0750.05(500r/min)0.048軸向跳動(m)0.050.05(500r/min)徑向剛度(N/m)220100軸向剛度(N/m)160200導軌Z向(主軸)直線度0.2m/100mm0.5m/230mm0.044m/80mmX向(刀架)直線度0.2m/100mm0.5m/410mm0.044m/80mmX、Z向垂直度()11重復定位精度(m)1(全程)0.5(2

16、5.4mm)加工工件精度形面精度(m)圓度：0.1平面度：0.30.1(P-V值)0.1表面粗糙度(m)Ra0.00420.0075(P-V值)Ra0.0020.0020.005RMS位置反饋系統分辨率(m)252.510溫控精度()0.0040.0060.1隔振系統固有頻率(Hz)22加工范圍(mm)320356650250另外，空氣軸承主軸還具有動特性良好、精度壽命長、不產生振動、剛性/載荷量具有與使用條件相稱的值等優點。但是在主軸剛度、發熱量與維護等方面需要做細致的工作。要做到納米級回轉精度的空氣軸承主軸，除空氣軸承的軸及軸套的形狀精度達到0.150.2m，再通過空氣膜的均化作用來實現外

17、，還需要保持供氣孔流出氣體的均勻性。供氣孔數量、分布精度、對軸心的傾角、軸承的凸凹、圓柱度、表面粗糙度等的不同，均會影響軸承面空氣流動的均勻性。而氣流的不均勻是產生微小振動的直接原因，從而影響回轉精度。要改善供氣系統的狀況，軸承材料宜選用多孔質材料。這是因為多孔質軸承是通過無數小孔供氣的，能夠改善壓力分布，在提高承載能力的同時，改善空氣流動的均勻性。多孔質材料的均勻性是很重要的。因為多孔質供氣軸承材料內部的空洞會形成氣腔，如不加以控制會引起氣錘振動，為此必須對表面進行堵塞加工。3.2直線導軌作為刀具和工件相對定位機構的直線導軌，是僅次于主軸的重要部件。對超精密加工機床的直線導軌的基本要求是：動

18、作靈活、無爬行等不連續動作；直線精度好；在實用中應具有與使用條件相適應的剛性；高速運動時發熱量少；維修保養容易。超精密加工機床中的常用導軌有V-V型滑動導軌和滾動導軌、液體靜壓導軌和氣體靜壓導軌。傳統的V-V型滑動導軌和滾動導軌在美國和德國的應用都取得了良好的效果。后兩種都屬于非接觸式導軌，所以完全不必擔心爬行的產生。從精度方面來考慮后兩種也是最適宜的導軌。液體靜壓導軌由于油的粘性剪切阻力而發熱量比較大，因此必須對液壓油采取冷卻措施。另外液壓裝置比較大，而且油路的維修保養也麻煩。氣體靜壓導軌由于支承部是平面，可獲得較大的支承剛度，它幾乎不存在發熱問題，如果最初的設計合理，則在后續的維修保養方面

19、幾乎不會發生什么問題。但必須注意導軌面的防塵?？諝鈱к壍拈g隙僅為十幾微米，而對如此大小的塵埃肉眼是看不到的，這樣的塵埃即使是潔凈室也不能完全消除，塵埃落入空氣導軌面內會引起導軌面的損傷。總體看來，空氣靜壓導軌是目前最好的導軌，但若不能保證防塵條件，則須改用液體靜壓導軌。目前空氣靜壓直線導軌的直線度可達0.10.2m/250mm。3.3環境條件超精密加工的環境條件有三。其一是污染，超精密加工機床必須置于潔凈的超凈室內才能充分發揮其優勢。室內的潔凈度以一立方英尺中0.5m以上的灰塵的數量表示。作為超精密加工機床的工作環境應為200003000級以下。其二是振動。環境振動的干擾不僅會引起機床本體的振

20、動，更主要的是會引起切削刀具與被加工零件間的相對振動位移，后者將直接反映到被加工零件的精度和表面質量上。因此超精密加工機床必須設置性能優異的隔振裝置。目前國外超精密加工機床中，大多數采用以空氣彈簧為隔振元件的隔振系統，并取得了較好的隔振效果。這主要是因為空氣彈簧在具有較大承載能力的同時，具有較低的剛度。彈簧的低剛度可使隔振系統獲得較低的固有頻率，遠離環境干擾頻率，提高隔振效果。經理論分析研究和計算比較，HCM-超精密加工機床采用了直筒約束膜式結構，并取內、外變角均為0。這樣不僅彈簧剛度的線性度好，而且結構簡單，便于模具的制造以及裝置的安裝和調整。其三是溫度。超精密加工機床的加工必須在恒溫室內進

21、行，加工過程中溫度的變化，會造成機床運動精度下降，不能獲得所定的加工精度。為了解決這一問題，通常從兩個方面入手，一是選擇合適的部件材料，超精密加工機床中使用的和候選的材料有氧化鋁陶瓷、鑄鐵、鋼、殷鋼、花崗巖、樹脂混凝土和零膨脹玻璃。從實際出發，HCM-超精密加工機床幾乎全部采用花崗巖。二是保持溫度的恒定控制。在總結國內外經驗之后，哈爾濱工業大學提出了“有效冷流速率”的概念，在此基礎上進行的超精密恒溫供油系統的溫控精度達到了世界先進水平。4. 超精密的對刀及微量進給機構： 要獲得高精度的尺寸，必須在加工前作好高精度的對刀工作，也就是必須要將刀具首先調整到與零件表面接觸但又沒有切削到金屬層的臨界狀

22、態，利用傳感器來對刀是比較快和穩定的辦法，如 LVDT 傳感器等。另外還需要微量進給裝置，以保證微量進給。相應機構有機械類的，如凸輪、斜面、精密絲杠螺母副以及薄壁彈性元件等。電動類的，如電熱變形、電磁效應、機電耦合效應等器件以及液壓類的，如彈性薄膜等。一般機械結構件微位移裝置結構復雜，制造難度大，精度也不能太高，但性能穩定，價格便宜，使用方便，應用十分廣泛。而機電耦合效應的微位移裝置是利用電致伸縮、壓電效應制作的器件來實現微位移的，應用最為廣泛。5.超精密的測量檢測技術 : 精密和超精密加工必須具備相應的檢測技術和手段，不僅要檢測零件的精度和表面粗糙度，而且要檢測加工設備及基礎元、部件的精度。

23、目前，超精密加工的精度已能穩定地達到 0.1m 級甚至 0.01m 級， 這就要求測量精度能達到納米級水平。目前，在超精密加工中除廣泛采用基于光學原理的測微技術和高靈敏度的電氣測微技術外，超精密測量儀正向高分辨率、高精度和高可靠性的方向發展，而且測量結果的分析軟件功能也越來越強。目前應用的隧道掃描顯微鏡的分辨率已經達到了 0.01nm， 可用于測量金屬和半導體零件的原子分布的形貌。 我國也自主開發、研制了納米測長儀和量塊快速檢測儀，將長度通用量具提高到了納米量級，并從靜態人工讀數發展到數字化自動顯示，其數顯分辨率也已達到了 lnm。6.影響切削表面粗糙度的因素及發展趨勢6.1超精密切削時的刀具

24、磨損和壽命用天然單晶金剛石刀具對有色金屬進行超精密切削，如切削條件正常，刀具無意外損傷，刀具磨損甚慢，刀具耐用度極高。天然單晶金剛石刀具用于超精密切削，破損或磨損而不能繼續使用的標志為加工表面粗糙度超過規定值。金剛石刀具的壽命平時以其切削路徑的長度計。如切削條件正常，金剛石刀具的壽命可達數百公里。 實際使用中金剛石刀具常達不到上述的耐用度，常常是由于切削刃產生微小崩刃而不能繼續使用，這主要是由于切削時的振動或刀刃的碰撞引起的。 6.2影響切削表面粗糙度的因素（1）切削刃的粗糙度的影響（2）切削刃的復映性的影響（3）鱗刺與加工變質層的影響6.3超精密切削加工發展及趨勢超精密切削加工發展：20世紀

25、60年代發展起來的新技術，在國防和尖端技術領域具有重要地位。服從金屬切削的普遍規律，但由于切削層極薄，所以又具有一定的特殊性。發展趨勢：1、基本理論和工藝；2、設備的精度、動態性及熱穩定性；3、精度檢測和誤差補償；4、環境控制技術；5、加工材料。7.結語近幾年來，切削加工技術得到了突飛猛進的發展，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。金剛石刀具是超精密切削的理想刀具。在其它加工條件具備時,金剛石刀具的刀尖幾何形狀和切削刃的鋒利度對超精密加工有很大影響。正確地選擇刀尖部分幾何形狀和切削刃鈍圓半徑是獲得高質量加工表面的有力保證，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袁哲俊,王先逵.精密和超精密加工技術.北京:機械工業出版社,19992NationalNanotechnologyInitiative.AbouttheNNIEB/OL.http：/ml/about/home_about.html.2006.3WANG Y, ZHOU X J