精密与超精密切削加工

撰文:常州兰生公司刀具部            戴军

精密切削加工

 1 概述

所谓精密加工，是指加工精度和表面质量达到极高程度的加工工艺．不同的发展时期，其技术指标有所不同 · 目前，在工业发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是 1 um ，而精密切削加工可将加工精度控制在0.1 um 以下，加工表面粗糙度Ra在0.1 ～0.02um范围内 · 目前主要有精密车削、精密铣削和精密镗削等。

现代机械工业之所以致力于提高零件加工精度，其主要原因在于：

 ① 提高产品性能和质量，提高产品稳定性和可靠性；

 ② 促进产品小型化；

 ③ 增强零件的互换性，提高装配生产率，促进自动化装配应用，推动自动化生产等。 2 精密切削的加工机理

 ( l ）微量切削条件

精密切削与普通切削本质是相同的，都是材料在刀具作用下，产生剪切断裂、摩擦挤压和滑移的过程，但在精密切削加工中，采用的是微量切削方法，切削深度小，切屑形成的过程有其特殊性。

在精密切削过程中，切削功能主要由刀具切削刃的刃口圆弧承担，能否从加工材料上切下切屑，主要取决于刀具刃口圆弧处被加工材料质点受力情况．如图 2 -28 ，分析正交切削条件下，切削刃口圆弧处任一质点试的受力情况．由于是正交切削，质点￡仅有两个方向的切削力，即水平力凡和垂直力 F 。水平力凡使被切削材料质点向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直力凡则将被切削材料压向被切削工件本体，不能构成切屑形成条件。最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的切削力凡和 F ，的比值。

根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生在与切削合力 F 成 45 。的方向上。此时，若切削合力 F 的方向与切削运动方向成 45 ”角，则作用在材料质点：上的最大剪应力与切削运动方向一致。该质点i处材料被刀具推向前方形成切屑，而质点 i 处位置以下的材料不能形成切屑，只产生弹性、塑性变形点被推向切削运动方向.

( 2 ）微量切削的碾压过程

首先分析刃口圆弧处的碾压现象。如图 2-29 所示，在刃口圆弧处，不同的切削深度，刀具的实际前角是变化的。如果△＜r，则实际前角变为负前角。当切削深度很小时（如图△1），实际前角为较大的负前角，在刀具刀口圆弧处将产生很大的挤压摩擦作用，称之为碾压效应。这时，被加工表面通常将产生残余压应力. 另外，再分析刀尖圆弧处的碾压，如图 2 . 30所示。在精密车削加工中，加工余量很小，刀刃的直线部分可能不参加切削，而只是部分圆弧刃参加切削。这时，刀尖圆弧上各点上的主偏角k1是变化的，且小于其名义值。刀尖圆弧处的副偏角也是如此。另外，在刀尖圆弧上各点的切削厚度也是变化的（ 0 –a0max）。当切削厚度逐渐变小，切削深度达到最小切削深度时，将不会产生切削作用，仅有弹性变形和塑性变形，这时该处仅有碾压作用。由于图中有剖面线的部分作为切屑被除去之后，由刀尖圆弧在被加工工件上留下的圆弧形表面并非全部留下形成加工表面，其中大部分将在后续的加工中被切除，仅在刀头附近留下的圆弧形轮廓才成为其最终的加工表面。因此，在形成加工表面的刀尖处所对应的切屑有极小的厚度，甚至接近零。由此可见，在被加工表面形成过程中伴随的碾压作用占很大的比重。可以认为，被加工表面的质量在很大程度上受碾压效果的影响。

( 3 ）切削力变化

精密切削时，采用微量切削，各种因素对切削力的影响与普通切削有所不同．

 l ）切削速度的影响

不考虑积屑瘤的存在，采用硬质合金车刀和采用天然金刚石车刀进行精密切削，切削速度对切削力的影响规律是不一样的。用硬质合金车刀进行精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显。这是因为在微量切削时，前刀面前部切削区的变形及摩擦在整个切削中所占比例较小，见图 2-3l ( a ）。因此当切削速度Vc增加时，这都分变形及摩擦减小很不明显．同时由于硬质合金车刀刃口半径 r · 较大，为口圆弧部分对加工面的挤压所占的比例较大 · 切削速度的增加，对其影响很小 · 因此，用硬碳合金车刀精密切削时，切削速度对切削力的影响不明显 · 可是用天然金刚石车刀时，情况就不一样，它的刃口圆弧半径比硬质合金小得多虽然切削用量相同，切下的切屑要从前刀面流出，见图 2.31 的 ( b ）。但因前刀面的切削区的变形及摩擦所占的比例加大，当切削速度增力 n 时，这部分变形及磨擦要减少，所以用天然金刚石车刀精密切削时，切削力随切削速度的增加而下降。

 若考虑积屑瘤的影响，情况有所不同。如图 2-32 所示，精密切削铝合金和紫铜时，低速时切削力大,随着切削速度增加，切削力急剧下降，当切削速度达到 200 -300m / min 后，切削力基本保持不变，这规律和积屑瘤高度随切削速度的变化规律一致．积屑瘤大时，切削力大，积屑瘤小时，切削力也小．图 2.33 是有积屑瘤时精密切削的切削模型，根据此模型分析积屑瘤造成切削力增加的原因如下：积屑瘤的存在，使刀具的刃口半径增大；积屑瘤呈鼻形并自刀刃前伸出，这导致实际切削厚度超过名义值许多；积屑瘤代替刀具进行切削，积屑瘤和切屑及已加工表面之间的摩擦比刀具和它们之间的摩擦耍严重许多。这些因素都将使切削力增加。

2 ）进给量的影响

进给量和切削深度决定着切削面积的大小，因而是影响切削力的重要因素。图 2。34 表示的是在精密加工时切削力随进给量变化的曲线。

从图 2 . 34 中可以清楚地看出：进给量对切削力有明显的影响，进给量对 Fz 的影响比对Fy及 Fz 的影响大。另外，由图 2 . 34 ( b ）可以看出，在用硬质合金刀具切削时，当进给量小于一定值时，Fy＞Fz，这是精密切削时切削力变化的特殊规律，掌握这一规律，有利于合理设计刀具.

 3 ）切削深度的影响

图 2.35 表示的是在精密加工时切削力随切削深度变化的曲线。由图可知，切削深度对切削力有明显的影响。使用天然金刚石车刀时，Fz＞Fy；使用硬质合金刀具时，切削深度小于一定值时，Fy＞Fz．

切削用量（ f ，ap）对切削力影响的原因是切削用量直接影响 Fz 的大小。切削刃口半径的大小决定后刀面上正压力大小，直接影响着 Fy 的大小。当切削用量减小时， Fz 随之减小，由干切削刃口半径是一固定值，所以当切削用量减小到一定值之后，Fy才能大于 Fz ；但是由于天然金刚石车刀可以磨得很锋利，切削刃口半径可以比硬质合金的小许多倍，因此由刀口圆弧部分产生的挤压小，后刀面上的正压力小，从而Fy小，虽然是微量切削，Fz仍然大于 Fy 。

由上可知：一般切削时，Fz与 Fy 的比值总是大于 1 。而精密切削时情况不一定是这样的，它取决于切削用量同刀具刃口半径的比值．当切削用量同刃口半径之比值减小到一定数值时， Fz 与 Fy 的比值可以小 1.

 另外，在一般切削时，切削深度ap对切削力的影响大于进给量 f 对切削力的影响。在精密切削时，恰恰相反，进给量对切削力的影响大于切削深度的影响。这与精密切削时通常采用进给量F大于切削深度 ap的切削方式有关．

 4 ）刀具材料的影响

天然金刚石对金属的摩擦系数比其他刀具材料要小得多，而且天然金刚石能刃磨出极小的刃口半径，所以在精密切削时，采用天然金刚石刀具所产生的切削力要比其他材料刀具小．

其他有关刀具几何角度、切削液等对切削力的影响同一般切削相似，故不再叙述。

3 ．精密切削加工的关健技术

 ( l ）精密加工机床

精密加工机床是实现精密加工的首要条件，各国投人了大量的资金对它进行研究。目前主要研究方向是提高机床主轴的回转精度，工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。机床主轴轴承要求具有很高的回转精度，转动平衡，无振动，其关键技术在于主轴轴承。早期的精密主轴采用超精密级的滚动轴承，而目前使用的精密主轴轴承是静、动态性能更加优异的液体静压轴承和空气静压轴承。工作台的直线运动精度是由导轨决定的。精密机床使用的导轨有滚动导轨、液体静压导轨、气浮导轨和空气静压导轨。为了提高刀具的进给精度，必须使用微量进给装置微量进给装置有多种结构形式，多种工作原理，目前只有弹性变形式和电致伸缩式微量进给机构比较实用，尤其是电致伸缩微量进给装置，可以进行自动化控制 ，有较好的动态特性，在精密机床进给系统中得到广泛的应用。

精密切削研究是从金刚石车削开始的及其合金进行切削加工，应用天然单晶金刚石车刀对铝、铜和其他软金属可以得到较高的加工，可以得到较高的加工精度和极低的表面粗糙度，从而产生了金刚石精密车削加工方法。

( 2 ）精密测量技术和误差补偿

精密加工技术离不开精密测量技术，精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级它应包括机床超精密部件运动精度的检测和加工精度的直接检测．要提高机床的运动精度，首先要能检测出运动误差。

目前，精密加工中所使用的测量仪器多以干涉法和高灵敏度电动测微技术为基础，如激光干涉仪，多次光波干涉显微镜及重复反射干涉仪等。国外广泛发展非接触式测量方法并研究原子级精度的测量技术。 Johaness 公司生产的多次光波干涉显微镜的分辨率为0.52 mm ，最近出现的扫描隧道显微镜的分辨率为0.01nm ，是目前世界上精度最高的测量仪之一。最新的研究证实，在隧道扫描显微镜下可移动原子，实现原子级精密加工。

当加工精度高于一定程度后．若仍然采用提高机床的制造精度，保证加工环境的稳定性等误差预防措施提高加工精度，这将会使所花费的成本大幅度增加。这时应采取另一种所谓的误差补偿措施，即是通过消除或抵消误差本身的影响，达到提高加工精度的目的。误差补偿可利用误差补偿装置对误差值进行动静态补偿，以消除误差本身的影响。使用在线检测和误差补偿可以突破超精密加工系统的固有加工精度.

3 超精密加工实例

( 1 ）金刚石车削技术及其应用

金刚石车床与镜面铣床相比，其机械结构更为复杂，技术要求更为严格。除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高的定位精度和重复精度，镜面铣削时，对主轴只需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较低，金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影响。

目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静压轴承，轴向和径向的运动误差在 50 nm 以下，个别主轴的运动误差已低于 25 nm ，金刚石车床的导轨在 20 世纪 90 年代以前绝大部分采用气体静压支撑.

金刚石车削早期主要用来加工有色金属如无氧铜和铝合金等，其产品主要是各种光学系统中的反射镜，如射电望远镜的主镜面，激光探测（ LIDA ）系统中的各种镜面以及激光切割机床中的反射镜等。在东西方军备竞赛时期，各种红外光学元件的需求量猛增，金刚石车削可加工各种红外光学材料如锗、硅、 ZnS 和 Znse 等，工件的形状多为非球面，这样就可大大减少光学元件的数量。减少元件，可提高光学系统的透光性能，另外还可节约昂贵的红外材料。

在日常消费品中，金刚石车削常被用来加工有机玻璃和各种塑料，其应用实例有大型投影电视屏幕、照相机的塑料镜片以及树脂隐形眼镜镜片等。

在大批量生产的产品中，光学元件多采用挤压成形或压注成形。成形所用的型腔多采用金刚石车削来完成。型腔材料除超高强度镍钢外还有工具钢和陶瓷等。超高强度镍钢是模压成形时应用最广的材料，因为它既满足模具的强度要求，又可用金刚石车削加工出最佳的形状精度和表面质量用金刚石刀具加工工具钢时，刀具易产生化学磨损，这是因为工具钢中碳元素与金刚石发生化学反应．所以此时要在刀架上附加一个超声振动装置，或者改用立方氮化硼刀具进行加工。

用金刚石车削直径在 100 mm 以下的工件时，形状误差可控制在0.1um 以下，工件表面粗糙度 Ra 可达纳米级。表面粗糙度度除与切削参数及机床特性有关外，还取决于材料的特性。绝大多数可用金刚石车削的材料的表面粗糙度 Ra 可达到 1 -5 nm 。

金刚石车削的刀具参数与镜面铣的相似，金属材料多用零前角刀具加工，红外材料和脆性材料则多用负前角刀具加工。

金刚石车削的切削参数根据工件材料和机床特性而定，通常主轴转速低于 2 000r / min , 个别可达  5000r ／min 。隐形眼镜镜片车床较特殊，其转速可达 10000r / min.

  4 .超精密切削加工发展前景

美国国家科研计划中超精密加工的研究，在工件材料方面，从传统的铝、铜扩展到难切削材料和非金属硬脆材料；在加工方式方面，从纯切削扩展到开发带有检测反馈的超精密技术以及最终表面涂层制备的综合技术．

根据我国当前的实际情况，参考国外的发展趋势，我国应注意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 超精密切削的基本理论和工艺；

 ② 超精密设备的精度、动态特性和热稳定性；

 ③ 超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿。

 ④ 超精密加工的环境条件。