第二章 金刚石刀具精密切削加工 第一节 概述 精密与超精密和制造自动化是先进制造技术的两大领域 精密和超精密加工的指标描述： 精密加工:加工精度在0.1～1µm之间，加工表面粗糙度在Ra0.1～0.02µm之间的加工方法称为精密加工； 超精密加工:加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm的加工方法称为超精密加工。 （天然金刚石是基本精密加工刀具，单件大型及大批量中小型精密工件加工，铝铜等有色金属加工，除金刚石外还有立方氮化硼、复方氮化硅和符合陶瓷等新型超硬刀具材料，主要用于黑色金属的精密加工。）

各种加工方法所能达到的精度及其发展趋势 =10-10m 1nm=10-9m 1µm=10-6m 加工精度微米 原子间隔是0.3×10-3µm

一、超精密加工难点 缺陷尺寸大小分布 超精密切削机理：金刚石刀具切削背吃刀量、进给量小，一般切削在1微米下，属于微量切削加工。由于背吃刀量小于材料晶粒尺寸。超精密切削是在晶粒内进行、因此。切削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力、刀刃承受极大的剪切应力。同时由于产生很大的热量，刀刃切削处温度将极高，因此，要求刀刃要有很高的高温强度和高温硬度。 1 加工精度难以控制 加工表面微观的弹性变形和塑性变形随机 2 去除层越薄，加工区切向应力太大 加工要在晶体内进行 3 工艺系统刚度和热变形对加工精度影响大

方法 二、超精密加工方法 加工方式 切削加工 磨削加工 特种加工 复合加工 时间 传统加工 非传统加工 复合加工

二、超精密加工方法 增减材料 切除加工 结合加工 变形加工

三、超精密加工的实现条件 超精密加工机理与工艺方法 超精密加工工艺装备 超精密加工刀具 超精密加工工件材料 精密测量与补偿技术 超精密加工工作环境和条件 扫描隧道显微镜

超精密机床的结构

第二节 超精密机床及其关键部件 与传统机床关键部件的区别

1、高精度（几何精度,定位精度和重复定位精度及分辨率） 2、高的机床刚度 3、高的加工稳定性 4、高的自动化 一、典型超精密机床简介 超精密加工工艺对超精密加工机床的要求 1、高精度（几何精度,定位精度和重复定位精度及分辨率） 2、高的机床刚度 3、高的加工稳定性 4、高的自动化

一、典型超精密机床简介 Union Carbide 公司 的半球机床 能加工直径100mm的半球，达到尺寸精 精密空气轴承主轴采用多孔石墨制成 轴衬，径向空气轴承的外套可以调整 自动定心，可提高前后轴承的同心度， 以提高主轴的回转精度。

Moore 车床 由Moore3型坐标测量机改 造而成。采用卧式主轴， 三坐标精密数控，消振和 防振措施，加强恒温控制等。 M-18AG型超精密非球面车床， 基本结构同Moore3，采用空 气静压轴承主轴、气浮导轨、 双坐标双频激光测量系统、 优质铸铁床身，有恒温油浇 淋机和空气隔振垫支承。

二、典型机床简介 Pneumo 公司的MSG-325超精密车床 采用T形布局，机床空气主轴的径向圆跳动和轴向 双坐标精密数控系统驱动，用HP5501A双频激光干涉仪 精密检测位移。

DTM-3大型超精密车床 采用精密数控伺服方 式，控制部分为内装式 CNC装置和激光干涉测长 仪，精确测量定位，在 DC伺服机构内装有压电 微位移机构，实现纳米 级微位移。

大型光学金刚石车床LODTM 机床采用立式结构，采用止 推轴承，7路高分辨率双频激光 测量系统，4路激光检测横梁上 溜板的运动，3路激光检测刀架 上下运动位置，使用在线测量 和误差补偿，各发热部件用大 量恒温水冷却，用大的地基， 地基周围有防振沟，且整个机 床用4个大空气弹簧支承。

OAGM 2500大型超精密机床 机床的x和y向导轨采用液 体静压，z向的磨轴头和 测量头采用空气轴承。床 身采用型钢焊接结构，用 精密数控驱动，双频激光 测量系统检测运动位置。

AHNIO型高效专用车削、磨削超精密机床 有一个x和y向调整的刀 架及作B轴转动的高精度 转台，借助三轴精密数 控，加工平面、球面和 非球曲面。 采用空气轴承，刀架设 计滑板结构，直线移动 分辨力0.01μm，激光测 量反馈，定位精度全行 程0.03μm。 加工模具形状精度0.05 μm，表面粗糙度0.025μm

主轴回转精度 分为：液体静压和空气静压 三、主轴静压轴承 超精密机床主轴要求：高回转精度、转动平稳、无振动 回转精度——在主轴空载手动或机动低速旋转情况下， 在主轴前端安装工件或刀具的基面上所测得的径向跳动、 端面跳动和轴向窜动的大小。 影响回转精度的因素 （1）轴承精度和间隙的影响。 （2）主轴、支承座等零件中精度的影响。 关键在于精密轴承。 以前用精密滚动轴承，目前普遍采用静压轴承 分为：液体静压和空气静压

供油压力恒定的液体静压轴承 主轴始终悬浮在高压油膜上

液体静压轴承与气压轴承

优点 缺点 1、液体静压轴承主轴 回转运动有温升 回油时有空气进入油源 回转稳定性好 刚度高 无振动 注：空气静压轴承原理与静压相同，温度影响小，但刚度低承载小，由于超精密切削力小所以也可广泛应用。

2、空气静压轴承主轴

3、主轴驱动方式 （1）柔性联轴器 主轴与电动机通过柔性联轴器与电机连接 （2）内装式同轴电动机驱动 转子与主轴连接，定子装主轴箱。依靠无刷电动机无极调速。 主轴和轴承材料见教材P21

四、精密机床导轨及其结构形式 1、导轨常见的布局形式 T形布局（较稳定） 十字布局(动态性差） 极坐标布局 空间三维布局

2、常见导轨结构 导轨的形状有燕尾型、平面型、V型和双V型 1）液体静压导轨（刚度高承载大 直线运动精度高 无爬行现象） 液体静压导轨结构 液体静压导轨布局（平面型 双圆柱型） 液体静压导轨结构

2）空气静压导轨和气浮导轨 静压导轨 气浮导轨

五、常见的床身材料

六、微进给的驱动 T形弹簧微驱动 电致伸缩驱动

第三节 金刚石的结构与性能 一、超精密切削对刀具的要求 1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量。 2）刃口能磨得极其锋锐，刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。 3）刀刃无缺陷，切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。 4）与工件材料的抗粘性好、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性。 常用材料 不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石。

复习晶体结构 晶格模型 面心结构 晶胞 晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式.晶体结构不同，其性能往往相差很大。为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格。

晶胞 c b a 晶格常数 a，b，c Z   Y  X 根据6个参数间的相互关系，可将全部空间晶格归属于7种类型，即7个晶系：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；金刚石属于六方晶系。 X 晶格常数 a，b，c

二、金刚石的晶体结构 硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。 优质天然单晶金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。 大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。 人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。

三、金刚石晶体的晶面（面网）和晶轴 根据晶体学原理，金刚石属于六方晶系，主要有三个主要的晶面（100）、（111）、（110），与（100）垂直的晶轴为4次对称轴，与（111）垂直的晶轴为3次对称轴，与（100）垂直的晶轴为2次对称轴。 规整的单晶金刚石晶体有八面体、十二面体和六面体，八面体、十二面体和六面体中均有3根4次对称轴、4根3次对称轴、6根2次对称轴。 八面体有八个（111）晶面围成的外表面，菱形十二面体有十二个（110）晶面围成外表面，六面立方体有六个（100）晶面围成外表面。

金刚石晶体的密度比 金刚石面网密度P29 此密度决定金刚石硬度和耐磨性 不同方向的体积密度比为： (100):(110):(111)= 1: 1.414: 2.308 (100)网面之间的距离 (110)网面之间的距离 (111)网面之间的距离 ； 窄带面间距

四、金刚石晶体的解理现象 解理现象是某些晶体特有的现象，晶体受到定向的机械力作用时，沿平行于某个平面平整的劈开的现象。 （111）面宽的面间距（0.154nm）是金刚石晶体中所有晶面间距中的最大的一个，并且其中的连接共价键数最少，只需击破一个价键就可使其劈开。金刚石的解理现象即沿解理面（111）平整的劈开两半，且金刚石的破碎和磨损都和解理现象直接有关。

金刚石的力学性能有各项异性

五、金刚石晶体各晶面的耐磨性 好磨难磨方向 高磨削率方向称为“好磨方向”， 低磨削率方向称为“难磨方向”。 不同方向的体积密度比为： (100):(110):(111)= 8: 6.531: 9.237 好磨难磨方向 1) A(100)晶面，磨削率有4个峰值，各相差90度。高磨削方向的磨削率K为：5.8x10－5µm3/(Nms－1)； 2) B(110)晶面，磨削率有2个峰值，各相差180度。高磨削方向的磨削率K为：12.8x10－5µm3/(Nms－1)； 3) C(111)晶面，磨削率有3个峰值，各相差120度。高磨削方向的磨削率K为： 1x10－5µm3/ /(Nms－1)。 可见，都在高磨削率方向时，(110)晶面的磨削率最高，最易磨削； (100)次之， (111)最低。 高磨削率方向称为“好磨方向”， 低磨削率方向称为“难磨方向”。

六、金刚石晶体的定向 1 有人工目测定向 主要根据金刚石的外形来进行定向 (111)面是正三角形； (110)是菱形； (100)是正方形 2 激光衍射定向 3 X射线测定向 (100)面衍射 (111)面衍射 (110)面衍射 利用X射线照射晶体,照在不同的晶面在照相底片上产生不同衍射条纹 激光衍射图像

金刚石刀具 天然单晶金刚石刀具 单晶金刚石刀具 人造单晶金刚石刀具 金刚石刀具 PCD刀具 CVD金刚石薄膜涂层刀具 多晶金刚石刀具 金刚石厚度膜焊接刀具

金刚石刀具的性能特点 极高的硬度和耐磨性：硬度达HV10000，是自然界最硬的物质，具有极高的耐磨性，天然金刚石耐磨性为硬质合金80-120倍，人造金刚石耐磨性为硬质合金60-80倍。 各向异性能：单晶金刚石晶体不同晶面及晶向的硬度、耐磨性能、微观强度、研磨加工的难易程度以及与工件材料之间的摩擦系数等相差很大，因此，设计和制造单晶金刚石刀具时，必须进行晶体定向。

具有很低的摩擦系数：金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数比其它刀具都低，约为硬质合金刀具的一半。 刀刃非常锋利：金刚石切削刃可磨得非常锋利，天然单晶金刚石刀具刀刃钝园半径可达纳米，能进行超薄切削和超精密加工。

具有很高的导热性能：金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的2-6倍。导热系数高，切削热容易散出，切削温度低。 热胀系数低：金刚石热胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。因此，金刚石刀具不会产生很大的热变形，这对尺寸精度要求很高的精密加工刀具来说尤为重要。

聚晶金刚石(PCD)刀具 PCD是通过金属结合剂(如Co、Ni等)将单晶金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。金刚石广泛应用于切削加工还是PCD研制成功以后。 PCD的硬度低于单晶金刚石，但PCD属各向同性材料；PCD具有导电性，便于切割成型，成本远低于天然金刚石。

PCD原料来源丰富，价格只有天然金刚石的十几分之一，PCD应用远比天然金刚石刀具广泛。 大多数PCD刀片都是与硬质合金基体烧结而成的复合刀片，即在硬质合金的基体上烧结一层约0.7mm厚的PCD，这种刀片的强度和硬质合金基本一致，硬度接近整体PCD，可焊性好，重磨容易，成本低 。

CVD金刚石刀具 CVD金刚石刀具是指用化学气相沉积法(CVD)在异质基体(如硬质合金等)上合成金刚石膜制作的刀具。 20世纪70年代末至80年代初， CVD金刚石在日本首先出现，目前，CVD金刚石膜产品直径已超过110mm，厚达毫米级，并日趋成熟。 CVD金刚石刀具不仅直接冲击无涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为PCD刀具强有力的竞争对手，目前已经商品化。

CVD金刚石刀具的种类 CVD金刚石刀具可制成两种形式。 一种是在基体上沉积厚度小于50 m的薄层膜，即：CVD金刚石薄膜涂层刀具。 另一种是沉积厚度达到1 mm的无衬底的金刚石厚膜，即：CVD金刚石厚膜焊接刀具，如果需要它可以钎焊在基体上。

金刚石刀具

第四节 金刚石刀具的结构 衡量金刚石刀具的标准： 一、金刚石刀具的设计 能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm） 第四节 金刚石刀具的结构 一、金刚石刀具的设计 衡量金刚石刀具的标准： 能否加工出高质量的超光滑表面（Ra＝0.005～0.02μm） 能否有较长的切削时间保持刀刃锋锐（切削长度数百千米） 设计的主要问题： 优选切削部分的几何形状； 前、后面选择最佳晶面； 确定刀具结构和金刚石在刀具上的固定方法。

二、金刚石刀具切削部分的几何形状 普通刀具的几何结构 后角 前角 副偏角 主偏角 刃倾角 正交平面参考系

二、金刚石刀具切削部分的几何形状 刀头形式 金刚石刀具的主切削刃和副切削刃之间采用过渡刃对加工表面起修光作用.（尖易崩刃磨损增加表面粗糙镀膜） 国内：多采用直线修光刃，修光刃长度一般取0.1～0.2mm 国外：多采用圆弧修光刃，圆弧半径R=0.5~3mm。 金刚石刀具的主偏角，平时采用30～90度，较多的是45度；前角0～5度；后角5～6度

二、金刚石刀具切削部分的几何形状 金刚石车刀举例 1：主偏角45度 2：前角0度 3：后角5度 4：修光刃0.15mm 4 3 3 1 1

P36 课后习题 1～4、6、12

（一）、滑动轴承的分类 按滑动轴承工作时轴瓦和轴颈表面间呈现的摩擦状态，滑动轴承可分为: 液体动压润滑轴承 液体摩擦轴承 液体静压润滑轴承 非液体摩擦轴承 按滑动轴承承受载荷的方向可分为: 径向滑动轴承（向心） 推力滑动轴承（止推）

根据润滑膜的形成原理不同分为： 动压润滑轴承 静压润滑轴承 　　利用相对运动副表面的相对运动和几何形状，借助流体粘性，把润滑剂带进摩擦面之间，依靠自然建立的流体压力膜，将运动副表面分开的润滑方法为流体动压润滑。 　　在滑动轴承与轴颈表面之间输入高压润滑剂以承受外载荷，使运动副表面分离的润滑方法称为流体静压润滑。

止推轴承（推力轴承） 径向轴承（向心轴承） Fa Fr 止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行 径向轴承的受力Fr 与轴的中心线垂直 轴承座 径向轴瓦 止推轴瓦 止推轴承受力Fa与 轴的中心线平行 径向轴承的受力Fr 与轴的中心线垂直