金刚石刀具精密切削加工.ppt

德州职业技术学院 机械工程系,精密与特种加工,第二章 金刚石刀具精密切削加工,*,精 密 加 工 与 特 种 加 工,第二章 金刚石刀具精密切削加工,超精密切削加工主要是用,高精度的机床,和,单晶金刚石刀具,进行的加工。故一般称为金刚石刀具切削,(Simple Point Diamond Turming,，,SPDT),。,:,超精密切削的历史,60,年代初，由于宇航用的,陀螺,，计算机用的,磁鼓、磁盘,，光学扫描用的,多面棱镜,，大功率激光核聚变装置用的大直径,非圆曲面镜,，以及各种复杂形状的红外光用的立体镜等等各种反射镜和多面棱镜精度要求极高，使用磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工,成本很高,，而且很难满足精度和表面粗糙度的要求。为此，研究、开发了使用,高精度、高刚度的机床和金刚石刀具,进行切削加工的方法加工。,金刚石车床,加工,4.5mm,陶瓷球,金刚石车床及其加工照片,金刚石车床及刀具,平面镜的切削,平面度,0.06,m,表面粗糙度,Rmax0.02,m,玻璃镜的切削,钻头和钻削,铣刀与铣削,铣刀与铣削,镗刀与镗削,一、切削刀具的种类,3.,按刀具材料的成分可分为：,金刚石刀具（,Diamond）,立方氮化硼刀具(,Cubic Born Nitride,),陶瓷刀具 (,Ceramic Tools),硬质合金刀具（,Cemented Carbide Tools）,高速钢刀具(,High Speed Steel),碳素和合金工具钢(,Alloy Steel),传统切削加工,18世纪后期，,碳素工具钢刀具,，耐热温度为,200,，切削速度,6-10,m/min，,加工瓦特蒸汽机气缸孔和端面，,需要大约,1个月,时间,。,1861年英国人首先制备出,合金工具钢刀具,，耐热温度达到,300,左右，切削速度,20,m/min,。,1898年美国人研制成功,高速钢刀具,，耐热温度达到,500,左右，切削速度,30-40,m/min,。,高速钢刀具的出现，引起了金属切削加工的,第一次革命,，新型高速机床随之出现。,二、切削刀具的发展简史,1925年德国人首先发明了,硬质合金刀具,，耐热温度达到,600-800,左右，切削速度,40-200,m/min,。,硬质合金刀具,的出现，引起了金属切削加工的,又一次革命。,20世纪30年代，出现陶瓷刀具，但并未得到广泛应用，50年代以后，逐步发展，目前，耐热温度达到,1100-1400,，切削速度,500-1000,m/min。,20世纪50年代美国,GE,公司首先合成,人造金刚石和,CBN,，CBN,硬度接近金刚石，耐热温度达到,1400-1500,。,自20世纪70年代初美国,GE,公司研制成功,聚晶金刚石(,PCD),刀片，目前，在很多场合下已经替代了天然金刚石。,实例：,加工直径为100,mm，,长度500,mm,的碳钢棒,。,1890,年，用碳素工具钢刀具，需要,100,min,。,1910,年，用高速钢刀具，需要,26,min。,现在,，用硬质合金刀具，需要,1.5,min,。,现在,，用陶瓷或,PCBN,刀具，小于,1.0,min,。,三、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（,普通刀具,530,m,，金刚石刀具,10nm,）,刃口半径,刃口半径越小（刀刃越锋利），加工表面粗糙度、切削力、切削变形越小及残余应力、加工硬化小。,三、超精密切削对刀具的要求,3.,刀刃无缺陷,，切削时刃形将复印在加工表面上，从而得到超光滑的镜面,4.,与工件材料的抗粘结性好,、化学亲和性小、摩擦系数低，以得到极好的加工表面完整性,5).,切削刃的粗糙度,，切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度。普通刀刃的粗糙度,Ry0.35 m,，金刚石刀具刀刃的粗糙度,Ry0.10.2 m,，特殊情况,Ry1,nm,。,四、金刚石刀具对超精密切削的适应性,（,1,）金刚石的顔色和硬度,有,红色,和,绿色,等多种颜色。,硬度随颜色不同而不同。茶色最硬、无色和黄色次之。,金刚石还有很高的韧性（与矿物相比较）：黄色天然金刚石的韧性更好，不易崩刃。,无杂质、无缺陷,。,结论：在难切削材料镜面加工中，几乎都是采用的,茶色,的金刚石刀头。,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,.,（,2,）金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,金刚石的晶体结构,规整的单晶金刚石晶体有,八面体、十二面体和六面体,，,不同表面、不同方向的摩擦系数差别明显，,不同晶面耐磨性能不同,。,a,）,4,次对称轴和（,100,）晶面,L4,（,100,）,（,110,）,L2,L3,（,111,）,b,）,2,次对称轴和（,110,）晶面,c,）,3,次对称轴和（,111,）晶面,八面体的晶轴和镜晶面,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,。,（,2,）金刚石晶体特点,天然单晶金刚石 人造大颗粒单晶金刚石,人造金刚石,（,3,）金刚石刀具的性能特点,硬度极高，耐磨性好,。自然界最硬的材料，,金刚石的显微硬度达,HV10000,。具有极高的耐磨性，天然金刚石的耐磨性为硬质合金的80-120倍，人造金刚石的耐磨性为硬质合金的60-80倍。加工高硬度材料时，寿命为硬质合金刀具的,10-100,倍，甚至高达几百倍。,摩擦系数低。除黑色金属外，与其它物质的亲和力小,。,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（,0.1-0.3,）。摩擦系数低可减小切削温度和切削力,。,能磨出极锋锐的刀刃。,最小刃口半径,15nm,。,导热性能好，热膨胀系数小，刀具热变形小。,金刚石是由碳原子的共价结合而成的，其热传导率在矿物中是最大的。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5-9倍，为铜的,2-6,倍，由于导热系数高，切削热容易散出，切削温度低,。,不适宜切黑色金属。,很脆，避免振动（高精度的机床设备）。,价格昂贵，刃磨困难。,（,3,）金刚石刀具的性能特点,（,4,）金刚石刀具刃口的锋锐性,物理学计算值：最小极限圆弧半径,2nm,；,目前没有可靠的测量方法，究竟最小可达到什么程度还没有定论；,试验推断目前,10nm,；,一般情况下，经过精密研磨成形的金刚石刀具刃口半径：,0.20.5,m,。特殊精心研磨可达到,0.1,m,。,刀具刃口最小半径观测,通过扫描电镜对刀具刃口的观察和对最小切屑厚度的测量，推断目前刃口半径最小可,10nm,。,目前国内外金刚石刀具刀刃钝圆半径可以达到的状况：,美国可磨到,5nm,日本可磨到,10,20nm,，,日本大阪大学和美国,LLL,实验室（,Lawrence Livermore Labor-atory,）合作研究超精密切削厚度的最小极限，成功地实现了纳米级切削厚度的稳定切削，使超精密切削水平达到新的高度。,我国可磨到,100nm,，即,0.1m,。,最小切削厚度与金刚石刀具的锋锐度、超精密机床的性能状态、环境条件等有关。,1986,年日本大阪大学和美国,LLL,实验室开展合作研究。在切削厚度极小时（,1nm,），仍能得到连续稳定的切屑。,天然单晶金刚石具有极高的,硬度和耐磨性，摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低等特点,。是精密和超精密加工的一种最佳的切削刀具材料。虽然价格昂贵，但,仍被一致公认为理想、不可替代的超精密切削刀具。,金刚石刀具的种类,金刚石刀具,单晶金刚石刀具,天然单晶金刚石刀具,人造单晶金刚石刀具,多晶金刚石刀具,PCD,刀具,（聚晶）,CVD,金刚石刀具,（化学气相沉积）,CVD,金刚石涂层刀具,金刚石厚度膜焊接刀具,特性,聚晶金刚石刀具,(,PCD),金刚石膜刀具,单晶金刚石刀具,材质结构,含粘结剂,纯金刚石,纯金刚石,耐磨性,随金刚石颗粒大小而变,高于,PCD2,10,倍,高于,PCD,和金刚石膜,韧性,优,良,差,化学稳定性,较低,高,高,可加工性,优,差,差,可焊性,优,差,差,刃口质量,良,优,优,适用性,粗加工、精加工,精加工,超精密加工,各种金刚石刀具的性能比较,PCD,刀具,1,聚晶金刚石（,PCD,）刀具概述,1.1 PCD,刀具的发展,二十世纪五十年代，瑞典和美国分别合成出人造金刚石，切削刀具从此步入以超硬材料为代表的时期。,二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了,聚晶金刚石（,PCD,）,，解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域,。,1.2 PCD,刀具的应用,近年来,PCD,刀具主要应用于以下两方面：,难加工有色金属材料的加工,：用普通刀具加工难加工有色金属材料时，往往产生刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而,PCD,刀具则可表现出良好的加工性能。如用,PCD,刀具可有效加工新型发动机活塞材料,过共晶硅铝合金（对该材料加工机理的研究已取得突破）。,难加工非金属材料的加工,：,PCD,刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维增强塑料（,CFRP,）、人造板材等难加工非金属材料的加工。如加工玻璃；强化复合地板及其它木基板材等可有效避免刀具易磨损等缺陷。,普通刀具前刀面,磨损,普通刀具前刀面的破损,普通刀具后刀面,磨损,普通刀具粘结磨损,PCD,是通过金属结合剂(如,Co、Ni,等)将金刚石微粉聚合而成的多晶体材料。,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0.7,mm,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。,1.2 PCD,刀具的特点,1,、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,0.005,0.02m,）,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，进行晶向定位（各向异性）；,确定刀具结构和,金刚石在刀具上,的固定方法。,五、金刚石刀具的结构设计,前角,后角,副偏角,主偏角,刃倾角,2,、切削部分的几何形状,普通刀具的切削角度,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,。,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=0.53mm,。,金刚石刀具的,主偏角，平时采用,30,90,度，用得较多的是,45,度。,刀头形式,金刚石刀具的不同刀头形式,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,1,1,2,3,3,4,金刚石刀具必须解决的两个重要问题,：,一是金刚石晶体的,晶面选择,。,选择正确与否直接影响着各向异性的单晶金刚石刀具的使用寿命,;,由于金刚石各向异性，因此，刀具前、后刀面选择,什么晶面,最佳十分重要。,国内外均是秘密,，一般不会公布刀具前、后刀面选择的资料,。一般选用（,100,）面或（,110,）面，但是不选择,(111),晶面。因为,(111),晶面硬度太高，很难研磨。,二是金刚石刀具的刃口的锋利性，即刀尖圆弧半径,影响切削加工的,最小切削深度,影响到,微量切除能力,和,加工质量,。,3.,金刚石刀具的制造,3.,金刚石刀具的制造,由于形状千差万别，金刚石刀头很难加工，天然矿石的加工成形多采用,研磨加工,方法，对研磨位置，研磨方向有严格的限制，刀头通常由平面组合成形。,金刚石刀具刃磨,通常在铸铁研磨盘上进行研磨,晶向选择应使晶向与主切削刃平行,圆角半径越小越好（理论可达到,1nm,）,（,1,）研磨方法,金刚石刀具的研磨，采用普通的顶尖式研磨机很难达到理想的要求，一般用,空气轴承的研磨机,。研磨盘多采用低压烧结工艺而制成的镶嵌的,铸铁研磨盘,。由于振动小，可达到很低的粗糙度和极小的刃口半径。,（,2,）特殊刀头的形状,小型刀头和全,R,刀头是属于特殊形状的刀头。另外，还有直线拟合曲线形状的特殊用途的刀头，要求复杂形状时，可采用几个刀片组合而成。,近几年来，专用,天然金刚石超精密研磨机,的发展，使得加工各种形状的刀形的刀头变得十分简单。,直线刃刀头,安装很难，需要有高超的安装技术，有,10,角度误差就会影响精加工表面的质量，但是这种刀头的加工表面精度最好。,圆弧刃刀头,安装容易，但加工表面精度稍差一点，,因此最好采用能微调安装角度的直线刃刀刀头。,但是加工曲率半径小的聚光反射镜等则必须采用四圆弧刃刀头。,4,、金刚石刀具结构与固定方法,机械加固,需要大颗粒金刚石，使用较少,。,粉末冶金,将金刚石放在合金粉末中，经加压在真空中烧结，使金刚石固定在小刀头内，国内外使用较多，但需要热压真空烧结炉。,粘结或钎焊,使用无机粘结剂或其他粘结剂固定金刚石，结合强度不高；使用,钎焊，但是国外,高度保密。,六、金刚石刀具的应用,金刚石刀具,主要用于加工有色金属及其合金,。其中80以上的,PCD,刀具用于加工汽车和摩托车行业的硅铝合金零部件，如各种铝合金活塞、发动机的汽缸体、缸盖、变速箱等。,由于这些零件材料含硅量较高(12%以上)，且为大批量生产，对刀具的寿命要求较高，硬质合金刀具难以胜任，而,PCD,刀具的寿命远高于硬质合金刀具，是硬质合金刀具寿命的几十甚至几百倍。,在加工硅含量较高的铝合金时，除,PCD,刀具外，其它所有的刀具都在很短的时间内产生严重的磨损而不能继续切削。,PCD,刀具还非常适合对,难加工非金属材料,(如：木材、人造板材、强化复合地板、碳纤维增强塑料、石墨、陶瓷、石材等)进行加工。,采用单晶金刚石刀具，在超精密车床上可实现镜面加工，目前，,金刚石刀具可以实现切削厚度为纳米级的连续稳定切削,。,金刚石的热稳定性比较差，,切削温度达到800时，就会失去其硬度，金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料,，因为，金刚石与铁有很强的化学亲合力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，,产生“碳化磨损”，影响刀具寿命和加工质量。,（8）世界主要,PCD,刀片商标牌号,公司名称,国别,牌号,平均粒径尺寸(,m),GE,美国,COMPAX1600,COMPAX1300,5,10,De Beers,英国,SYNDITE 002,SYNDITE 010,2,10,住友电工,日本,DA200,DA150,0.5,5,东名,日本,TDC-FM,TDC-SM,0.3,8,京磁电子,日本,KPD002,KPD010,2,10,三菱,日本,MD230,MD220,微粒,中粒+微粒,东芝,日本,T-DLA DX120,T-DLA DX140,细粒,中粒,Megadiamond,美国,MEGAPAX100,MEGAPAX300,2,8,人造金刚石的制备工艺,(a),人造单晶金刚石的制备,(b),聚晶金刚石的制备,石墨,+,触媒剂,金刚石单晶粉,高温高压,金刚石单晶粉,+,结合剂,PCD,聚晶,高温高压,精密与超精密机床设备简介,精密与超精密机床是,精密与超精密加工水平,的标志，它应满足以下要求,：,1,、高精密；,2,、高刚度；,3,、高稳定性；,4,、高自动化。,一 超精密加工机床设备的发展概况,超精密机床是实现超精密加工的关键。,利用零件与刀具之间产生的具在,严格约束的相对运动,，对材料进行微切削，而获得极高的尺寸精度和极小的表面粗糙度,。,最早的超精密加工机床是,19,世纪投入使用的各种,天文望远镜和光学仪器,的加工机床。,到第二次世界大战前后精密机床发展逐渐成熟。,国防尖端技术、计算机技术、自动化技术,的广泛应用使精密机床的发展经历一个质的飞跃,。,具体表现为：手动到自动；驱动电机闭环控制；高精密和重复精密大大提高；计算机数控技术使各种复杂曲面加工成为可能；各种误差补偿机械，使机床动、静态精密大大提高。,目前，超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有,美国、英国和日本,等西方发达国家。,美国是开展超精密加工技术研究最早的国家。早在,50,年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为,“,SPDT”,（,Single Point Diamond Truning,），并发展了相应的,空气轴承主轴,的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。,美国超精密加工技术水平最高，不仅开发出小型超精密机床，而且发展大型超精密机床。,美国有著名的,POMA,（,Point One Micrometer Accuracy,）计划,，目标精密,0.01,m,。,日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。,日本在用,于声、光、图像、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面,，是更加先进和具有优势的，在,中小型超精密机床,方面，已基本与美国并驾齐驱，甚至超过了美国。,日本提出“超精密机床”规划。以,纳米级,精密作为目标。,欧洲国家，如德国、英国、瑞士、法国、意大利等国的超精密机床水平也很高。,我国的超精密机床方面与国外差距很大。,超精密加工机床技术在,70,年代末期有了长足进步，,80,年代中期出现了具有接近世界水平的超精密机床和部件。,北京机床研究所,是国内进行超精密加工机床技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件，如,JCS-027,超精密车床、,JCS-031,超精密铣床、,JCS-035,超精密车床、超精密车床数控系统,达到了国内领先、接近国际先进水平。,航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。,哈尔滨工业大学,在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。,清华大学,在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。,中科院长春光学精密机械研究所、,华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究。,总的来说，我国在超精密加工的,效率、精密可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性,方面与国外、与生产实际要求比，还有相当大的差距。,Union Carbide,公司的半球机床,1962,年,研制成功。,采用,空气静压轴承,，立式结构。,能加工直径,100mm,的半球，尺寸精,度,0.6m,，,表面粗糙度,0.025m,。,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。,用金刚石刀具可实现镜面切削。,二 典型的超精密加工机床,美国,Moore,金刚石车床,1968,年研制成功，主轴采,用,空气静压轴承,，卧式结构，,转速,5000,转,/,分，径跳,0.1,；,液体静压（气浮）导轨；,精密数控系统分辨率,0.01,m,，,激光测量、精度高，刚度高、,稳定性好、抗振性好,Moore,金刚石车床,回转工作台,工件,刀具,主轴,传动带,主轴电机,空气垫,刀具夹持器,如：美国,LLL,实验室和,Y,12,工厂在美国能源部支持下，于,1983,年,7,月研制成功,大型超精密金刚石车床,DTM,3,型，,该机床可加工最大零件,2100mm,、重量,4500kg,的激光核聚变用的各种,金属反射镜,、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括,X,光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为,28nm,（半径），圆度和平面度为,12.5nm,，加工表面粗糙度为,Ra4.2nm,。,大型超精密加工机床,DTM,3,大型超精密加工机床,激光测量：,分辨率,2.5nm,。,驱动：,刀具微位移机构。,导轨：,液体和空气静压导轨。,温度：,流体温度（,200.0006,），空气温度（,200.005,）。,机床各部件用,大量恒温液体淋浇,。,底座：,花岗石（,5,万美元）,。,该机床的加工精度可达到形状误差为,28nm(,半径,),，圆度和平面度为,12.5nm,，加工表面粗糙度为,Ra4.2nm,。,美国,LLL,实验室的大型超精密车床,DTM,主轴,(,空气轴承,),美国,LLL,实验室于,1984,年研制成功,大型超精密金刚石车床,LODTM,大型光学金刚石车床，,该机床可加工最大零件,1625500mm,、重量,1360,kg,的大型金属反射镜。,DTM-3,与,LODTM,大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。,LODTM,大型光学金刚石车床,可加工,1625500,、重量,1360Kg,的大型金属反射镜等大型零件。,采用,立式结构和空气轴承,刀具可以实现,纳米级微位移。,采用,7,路高分辨力双频激光测量,系统，分辨力达到,0.625nm,，采用了,误差补偿技术。,为减小热变形的影响，机床各发热部件用,大量恒温水冷却,，水温度控制极其严格。,整台机床用,4,个大空气弹簧,支撑。,LODTM,加工实例,NASA,的,2,轴反射镜,材料,:,铜基上镍涂层，误差,150 nm,LODTM,加工实例,单晶金刚石飞铣加工的激光系统用,KDP,晶体,(,长宽,42cm,厚,1cm,粗糙度,2nm),英国克兰菲尔德技术学院,所属的克兰菲尔德精密工程研究所享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如生产的,Nano centre,（纳米加工中心）既可进行超精密车削,，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的表面粗糙度,Ra10nm,。,OAGM2500,大型超精密加工机床,OAGM2500,大型超精密机床,用于精密磨削,X,射线天体望远镜的大型曲面反射镜还可用于车削和坐标测量。,最大加工尺寸为：,2500,2500610,有,2500,的高精度回转工作台。,采用,卧式,结构。,采用激光双频测量器，分辨力达到,2.5nm,。,磨头和测量头采用,空气轴承。,工作台用,人造花岗石。,用大量恒温水冷却。,机床有,X,Z,C,B,四个轴,在,B,轴上增加,A,轴转台后,可实现,5,轴控制,数控最小设定单位为,1nm.,可进行车,铣,磨和电火花加工。,旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。,为降低摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力和径向轴承均采用气体静压结构。,FANUC,微型超精密加工机床,新型超精密加工机床,新型超精密加工机床,新型超精密加工机床,新型超精密加工机床,超精密磨削机床,金刚石车床,我国超精密车床,我国超精密车床,三 超精密加工机床主轴系统,主轴是超精密加工机床的核心和保证,能高速旋转,高回转精度、高刚度、高稳定性、寿命长,主轴本身及其驱动系统振动极小,发热少，且热平衡性能好,维护保养方便,主轴关键是轴承,早期用滚动轴承,液体静压轴承,空气静压轴承,滚动轴承电主轴,角接触陶瓷球轴承,陶瓷轴承高速主轴,陶瓷球轴承,密封圈,旋转变压器,电主轴,陶瓷球轴承,冷却水出口,冷却水入口,陶瓷轴承高速主轴结构,采用,C,或,B,级精度角接触球轴承，轴承布置与传统磨床主轴结构相类似；,采用“小珠密球”结构，滚珠材料,Si,3,N,4,(,氮化硅,),；,与钢球相比，陶瓷轴承的优点是：,陶瓷球密度减小,60%,，可大大降低离心力；,陶瓷弹性模量比钢高,50%,，轴承刚度更高；,摩擦系数低，可减小轴承发热、磨损和功率损失；,陶瓷耐磨性好，轴承寿命长。,陶瓷轴承高速主轴结构特征,依靠液压,/,气压系统供给压力油，压力油在轴承腔内强制形成压力油膜,/,空气膜，以隔开摩擦表面。,静压轴承,油腔,回油槽,节流装置,F,R,液体静压轴承,特点：,回转精度高、转动平稳、,承载能力高。,主要用于大型超精密加工机床。,缺点：,高速下，油温升高，造成热变形，影响主轴精度。,回油时，将空气带入油源，降低轴承刚度和动态特性,。,措施：,提高油压，控制油温。,液体静压轴承,空气静压轴承,特点：,回转精度高、转速高，可达,100,000r/min,。,转动平稳、几乎没有振动，因为完全空气润滑。,不发热、即使在高速下，温升很小，变形小。,摩擦阻力小、寿命长，,因为几乎没有摩擦。,因为不使用油，不存在密封和泄露问题。,可靠性高、维护保养方便。,空气静压轴承,缺点：,刚度低，承载能力不如液体静压轴承高，主要用于中、小型超精密加工机床。,双半球空气静压轴承,前部球形、后部径向空气静压轴承,主轴和轴承材料,要求：,不易磨损、不生锈、热膨胀系数小、材料稳定性能好,。,主要材料：,1.,氮化钢（,38CrMoAl,），表面经氮化和低温稳定处理,2.,不锈钢,3.,轴承钢等。也有用多孔石墨、陶瓷、花岗石的报道。,主轴驱动方式,1,电机通过带传递驱动,早期,超精密加工机床采用这种驱动方式,电动机轴和机床,主轴平行,。,电动机采用直流电动机或交流变频电动机，,电动机可无级调速,，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。,电动机可采用,单独地基,，以免振动影响机床加工精度。,2,电机通过柔性联轴器驱动机床主轴,这种驱动方式在超精密机床中应用较多。,电动机和机床主轴在同一轴线上,。用,柔性联轴器连接，,直接驱动。,电动机采用直流电动机或交流变频电动机，,电动机可无级调速,，没有齿轮调速，取消齿轮变速箱。,3,采用内装式同轴电动机驱动机床主轴,将,机床主轴与电机轴合二为一,，即将电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，其间不再使用皮带或齿轮传动副，,也称电主轴。,陶瓷球轴承,密封圈,旋转变压器,电主轴,陶瓷球轴承,冷却水出口,冷却水入口,优点,：提高主轴回转精度、主轴箱的轴向长度缩短、主轴箱成为独立机构、移动方便，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等。,缺点,：电机发热，容易使主轴产生热变形。,措施,：电动机采用强制通气冷却，或通过恒温油（水）冷却。,四 超精密加工机床总体布局,主轴箱位置固定、刀架在十字滑板上,要求,十字滑板上下导轨有很高的运动精度、垂直精度，制造困难,下滑板的运动误差将影响上滑板的运动精度,激光测量不方便,优点,：,由于主轴箱固定，电动机可有单独地基,常见的布局。,车床主轴装在横向滑台（,X,轴）上，刀架装在纵向滑台（,Z,轴）上。,解决两滑台的相互影响问题，,有利于提高制造精度和运动精度。,激光测量方便,。,已成为当前金刚石车床的主流布局,T,形布局的金刚石车床,T,形布局,金刚石车床,超精密加工机床床身和导轨材料,优质耐磨铸铁,早期应用较多，工艺性好，可减振、热胀低,花岗岩,尺寸稳定、热胀低、硬度高、可减振、不生锈，,缺点：工艺性差、连接不便、吸潮,人造花岗岩,花岗石碎粒用树脂粘结而成,超精密加工机床床身和导轨材料,导轨的作用和特点,超精密加工机床导轨结构形式,导轨不仅是支承,工作台、主轴箱、头架尾架,等部件的载荷，而且是还保证各部件间的相对位置与相对运动的精度。但是与主轴部件相比，具有以下的特点：,工作速度低。,导轨的刚度差，是机床最薄弱的环节之一。,受力情况比较复杂，这样给计算带来困难。,导轨的加工工作量较大，需配备专用导轨磨床进行加工，甚至需用手工刮研方法以取得较高的导轨精度。,导轨的基本要求,1,导向精度高,导轨在水平面内和垂直面内的直线度,导轨的平行度,导轨间的垂直度,2,足够的刚度,外力作用下导轨本身抵抗变形的能力,3,精度保持性（耐磨性）好,降低导轨面的比压；良好的防护与润滑；,正确选择导轨副的材料和热处理；,选择合理的加工方法。,4,运动的灵敏度,是运动部件从静止到开始移动期间，进给机构刻度盘转过值的大小。刻度值越小，灵敏度越高。,超精密加工机床导轨结构形式,导轨结构形式,V-,平面 双,V,形,滚动导轨 液体静压导轨,气浮导轨 空气静压导轨,V-,平面,V,形和平面导轨磨损不相等，影响加工精度。,导向性不好。,双,V,型,两条道轨磨损均匀，精度高。,导向性好,制造成本高,滚动导轨,摩擦系数低（,0.0020.003,）,液体静压导轨,刚度高、承载能力大、直线运动精度高、平稳、无爬行现象。,由于导轨运动速度低，,导轨温升不高,。,气浮导轨,当导轨上的运动部件很重、且压缩空气压力稳定时，可使用,气浮导轨。,压缩空气使导轨浮起，,摩擦系数接近零，不发热,。,当压缩空气压力高度稳定时，气浮导轨可得到高的直线运动精度。,空气静压导轨,导轨,上下、左右均在静压空气约束下,，因此，和气浮导轨相比刚度和运动精度提高，几乎无摩擦。,空气静压导轨,不发热，没有温升,。,五 超精密加工机床进给驱动系统,能实现准确的微量位移和精确定位,精密数控系统,滚珠丝杠副驱动,液体静压和空气静压丝杠副驱动,摩擦驱动,精密数控系统,要求数控系统的分辨率高（,0.01,m,）。,国外有高分辨率的精密数控系统，对,我国禁运,。,精密数控系统,直流（或交流）伺服电机,，形成闭环控制系统，达到要求的位移精度。,滚珠丝杠副驱动,一般的数控系统是伺服电机通过,滚珠丝杠副,驱动机床滑板或工作台。,目前，大多数超精密加工机床仍采用精密滚珠丝杠副作为,进给系统的驱动原件,。,滚珠在丝杠和螺母的螺纹槽内滚动，摩擦力很小。,丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙,等均影响进给运动的平稳性。,滚珠丝杠副驱动,液体静压和空气静压丝杠副驱动,由于,滚珠丝杠副驱动,丝杠螺距误差、丝杠螺母配合间隙,等会影响进给运动的平稳性。现在有使用,液体静压和空气静压丝杠以提高进给运动平稳性。,效果好，结构复杂、成本高，目前，,应用不多,。,摩擦驱动,为了进一步提高运动平稳性和运动精度，,现在有些超精密机床的导轨驱动使用,摩擦驱动,。经试验证明：效果优于滚珠丝杠副驱动。结构复杂、成本高。,国外已有几台大型超精密机床的导轨驱动使用摩擦驱动，据报道机床导轨的,直线运动非常平稳,，,直线运动精度极高。,六 微量进给装置,高精度微量进给装置,是超精密加工机床的一个重要关键装置，,目前分辨率达到,1 nm,。,作用：,可实现准确、稳定、可靠和快速微量位移。,高精度微量进给。,超薄切削。,在线误差补偿。,精密调整、对准、校正等。,微量进给装置应满足的要求,微量进给和粗进给应分开,，以提高微位移精度、分辨率和稳定性,运动部分应是低摩擦、高稳定,，以实现高的重复精度。,末级传动元件刚度高,，如金刚石刀夹处。,微量进给装置,机构内部连接可靠,，尽量采用整体结构或刚性连接。,工艺性好,，容易制造。,应具有好的动态特性,，高的频率响应。,微量进给装置,能实现自动控制。,微量进给装置的类型（,6,种）,机械式或液压传动式,弹性变形式,热变形,式,流体膜变形式,电致伸缩,式,磁致伸缩,式,等,七 超精密加工机床位移激光检测系统,目前超精密加工机床均,装有位移激光检测,系统,主要用于检测机床坐标运动部件,Z,和,X,方向的位移,位移,激光测量,反馈给数控系统,控制运动部件位移,形成闭环控制系统。,超精密加工机床位移激光检测系统,双频激光测量系统,八 超精密机床稳定性和减振隔振,超精密加工机床要求高稳定的机床结构,即：,各部件尺寸稳定性好、刚度高、变形小、结构抗振减振性能好,。,各部件尺寸稳定性,采用尺寸稳定好的材料制造机床部件，如：陶瓷、花岗石、尺寸稳定性好的钢等,各部件消除残余应力，如：时效处理、冰冷处理等,结构刚度高、变形小,当机床运动,部件位置改变，工件装卸或负荷变化，受力变化等，将产生变形,，要求机床,结构刚度高、变形量极小,，基本不能影响加工精度。,各接触面和联接面接触良好,，接触刚度高、变形小。,提高机床抗振性的措施,各部件必须精密动平衡，消灭或减小机床内部振动源,电机、主轴、导轨、滚珠丝杆、工件偏心等。,提高机床结构抗振性。,合理结构、对称结构、大床身。,在易振动部分，人为加入阻尼，减小振动。,使用抗振动材料制造机床结构。,人造花岗石,花岗石,铸铁。,隔振措施,远离振动源,机床附近的振源，如：空气压缩机、泵等应尽量移走。实在无法移走，应采用单独地基，加隔振材料。,超精密机床采用单独地基,隔振沟、隔振墙,使用隔振垫,(,也称空气弹簧,),九 减小热变形和恒温控制,据统计超精密加工机床热变形和工件温升引起的误差占总误差的,40-70%,。,如：加工,100 m,长铝合金零件，温度每变化,1,，将产生,2.25,m,的误差。,如：磨削,100,零件，温度变化,10,，将产生,11.0,m,的误差。,目前许多超精密加工机床都装有温度控制系统和热误差补偿装置,减小热变形的措施,减小机床热源，,如：空气轴承替代液体静压轴承以减小发热量；使用发热小的电机；将发热量大的器件至于机床床身之外等。,采用热膨胀系数小的材料,，如：陶瓷、花岗石等。,结构合理、对称，使变形最小,。,使机床长期处于热平衡、使变形量恒定,大量恒温液体浇注，使温度保持一致,减小热变形和恒温控制,