超精密切削加工

10.3.2　超精密切削加工

超精密切削加工主要指金刚石刀具超精密车削，主要用于加工铜、铝等非铁金属及其合金，以及光学玻璃、大理石和碳素纤维等非金属材料。目前，使用单晶天然金刚石刀具加工上述材料时，一般可直接切出表面粗糙度R_a值在0.01～0.05μm、尺寸误差在0.1μm以下的镜面，因此可以替代手工研磨等光整加工工序。这样不仅可节约工时，同时可提高加工质量。目前金刚石刀具超精密切削加工技术已在陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、计算机磁盘等精度和表面质量要求均极高的零件生产中发挥着巨大的作用。

1．金刚石刀具

广义地讲，金刚石刀具超精密切削也是金属切削的一种，因此，金属切削过程中的一些普遍规律对它仍是适用的。但由于超精密切削时的切削层极薄（一般在0.1μm以下），而且金刚石刀具本身具有极为特殊的物理化学性能，因此，其切削过程具有相当的特殊性。

（1）超精密切削对刀具的要求。为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：

1）极高的硬度、耐磨性和弹性模量，以保证刀具具有极长的使用寿命和尺寸耐用度。

2）刃口应能刃磨得极其锋利，以满足超微薄切削的要求。

3）切削刃应没有缺陷，以得到超光滑镜面。

4）与工件材料的抗黏结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，以得到极好的加工表面质量。

目前在超精密切削中一般都使用单晶金刚石刀具，特别是天然单晶金刚石刀具。这主要是由于天然单晶金刚石具有极高的硬度和耐磨性，较高的热导率，与有色金属间的摩擦因数小、亲和力差，开始氧化时的温度较高。单晶金刚石刀具可以刃磨得极其锋利，目前已经可以磨出刃口半径为5nm的金刚石刀尖。在放大400倍的显微镜下观察，其切削刃没有缺口、崩刃等现象，而且切削刃的直线度可达0.1～0.01μm，还没有其他任何材料可以磨到如此锋利的程度，且能长期切削而磨损极小。因此，单晶金刚石已成为目前最为理想的超精密切削加工的刀具材料。

（2）金刚石车刀的结构与几何要素。金刚石车刀通常是将金刚石刀头采用机械夹持或黏结方式固定在刀杆上的。

1）刀头形式。金刚石刀具一般不采用主切削刃和副切削刃相交于一点的尖锐刀尖，因为这样的刀尖不仅容易崩刃和磨损，而且易在加工表面留下加工痕迹而使加工表面的表面糙度值增大。为获得好的加工表面质量，目前金刚石刀具的主切削刃与副切削刃之间通常用过渡刃对加工表面进行修光，常见的修光刃形式有直线修光刃和圆弧修光刃等。

2）前角和后角。由于金刚石较脆，在保证获得较小的表面粗糙度R_a值的前提下，为增加切削刃的强度，应采用较大的刀具楔角β，故刀具的前角和后角一般都取得较小。

增加金刚石刀具的后角α，可减少刀具后刀面与加工表面的摩擦，进而降低表面粗糙值。试验表明，当α 增加到15º时，加工表面质量有明显提高，但为了保证切削刃强度，一般取α=5°～8°。

（3）金刚石刀具的刃磨。金刚石刀具的刃磨是超精密切削中的一个极其重要的内容，刀具的刃磨质量主要包括以下两方面的内容：

1）晶面的选择。由于单晶金刚石是各向异性的，其不同方向的性能（如硬度和耐磨性、微观强度和解理破碎的或然率、研磨加工的难易程度等）相差很大。因此，一颗单晶金刚石毛坯要制成精密金刚石刀具，首先要经过精确的晶体定向，以确定所制成刀具的前、后刀面的空间位置及需要磨去的部分。晶面选择的正确与否将直接影响刀具的使用寿命。目前，使用的金刚石晶体定向方法主要有人工目测定向、X射线晶体定向和激光定向等。

2）刀具刃口的刃磨。在金刚石刀具超精密切削中，超微量切除的好坏主要取决于刀具刃口的锋利程度。由于金刚石是目前所发现的最硬的材料，因此对它的精密刃磨是比较困难的。目前仍然主要采用研磨机来刃磨金刚石刀具。研磨盘一般用优质铸铁制造，要求其表面平整、无砂眼等缺陷，盘的直径一般为300mm，转速为2000～3 000r／min。刃磨时，金刚石刀头装在夹具中，按要求的角度调整好并加一定的压力压在研磨盘上，再加上研磨剂就可以进行刀具的刃磨了。

2．超精密切削加工的微量进给装置

（1）超精密切削对微量进给装置的要求。为实现超精密切削加工，加工机床除应具有高精度的主轴组件和导轨部件外，还必须具有高精度的微量进给系统，这是实现超微量切削和达到高精度尺寸加工的重要保证。在超精密切削加工中，刀具的超微量进给是由精确、稳定、可靠的微量进给装置来实现的，因此，一个好的微量进给装置应具有如下性能：

1）微量进给与粗进给分开，以提高微量进给的精度和稳定性，同时保证加工效率。

2）运动副必须是低摩擦和高稳定性的，以保证进给速度均匀、进给平稳、无爬行现象，从而使进给装置达到较高的重复定位精度。

3）装置内部各连接处必须可靠接触，接触间隙极小，接触刚度极高。

4）末级传动件（即刀具夹持处）必须具有很高的刚度，以保证刀具进给的可靠性。

5）在要求快速微量位移（如用于随机误差补偿）时，微量进给装置应具有好的动态特性，即极高的频率响应特性。

6）工艺性好，容易制造。

（2）常见的微量进给装置。为满足微量进给的上述要求，除应提高进给装置零部件的制造和安装精度外，目前已出现了多种利用不同材料在磁场、电场、温度场和负荷作用下所产生的物理现象来实现微量位移的微量进给装置。下面简介在超精密加工机床上应用较为成熟的压电陶瓷微量进给装置。

压电陶瓷具有电致伸缩效应。电致伸缩效应的变形量与电场强度的平方成正比。用压电陶瓷制造微量进给装置具有很多优点，如：能实现高刚度、无间隙位移；能实现极精细的微量位移（分辨率可达1.0～2.5nm）；变形系数大，频响特性好，其响应时间可达100μs；无空耗电流发热问题等。

如图10-10所示为压电陶瓷微量进给装置。压电陶瓷器件3在预压应力状态下与弹性变形载体刀夹1和后垫块4黏结安装。在电场作用下，陶瓷伸长，推动刀夹作微量位移。位移量可由电感测头5测出，作为位移量的校准或监控之用。此装置的最大位移量可达15～16μm，分辨率为0.01μm，静刚度为60N／μm。

图10-10　压电陶瓷微量进给装置

1—刀夹　2—主体　3—压电陶瓷器件4—后垫块　5—电感测头　6—弹性支承