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超精密加工中刀具参数对脆性材料非球面加工质量的影响

浏览:1082    时间:2017-11-11    来源:

超精密车削加工技术是机械超精密加工技术的一种,随着科学技术的发展,脆性材料如锗单晶在高精密光学零件中的应用越来越广泛。

锗单晶质软传统磨削时金刚石颗粒很容易嵌入锗晶体中,造成零件表面的损失,所以目前最理想的加工方式为单点金刚石切削。


超精密加工技术旨在使加工出来的工件不但具有非常高的形状精度,而且要求加工出来的工件具有非常小的表面粗糙度。由于超精密加工接近微观加工,因而刀具的参数、磨损、机床的几何运动精度和工件材料的变形等因素都会对非球面零件的面形精度有显著影响,其中刀具参数更是一个主要因素。


1、刀具几何形状、刀刃锋锐度对加工表面质量的影响
单点金刚石刀具的切削部分包括:前刀面、后刀面、切削刃的钝圆半径及刀刃半径。在切削过程中,刀具切削部分的形态直接影响着切削过程的稳定性和表面质量。理想状态下,采用圆弧刃金刚石刀具进行超精密车削加工软金属时,在工件表面会形成轮廓峰和轮廓谷,它们之间的距离被称为理论粗糙度(如图1所示)


超精密单点金刚石车削模型如图2所示,由于已加工表面的轮廓是刀具轮廓在切削方向上的反映,因此切削刃的几何精度及其稳定性极大地影响着已加工表面的粗糙度。


在超精密切削中,金刚石刀具一般不采用主切削刃与副切削刃相交为一点的尖锐刀尖,因为那样的刀尖不仅容易崩刃和磨损,而且会在加工表面留下加工痕迹,由于痕迹的划痕不平整使表面粗糙度下降恶化,所以金刚石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。为减小表面粗糙度,通常金刚石刀具都带有过渡刃。

过渡刃有的采用直线修光刃,也有的采用圆弧修光刃。对于直线过渡刃,理论上可以形成无粗糙度表面,但在加工过程中,因为很难实现切削刃与工件轴线的绝对平行,仍然会形成由于对刀误差所引起的粗糙度。所以在实际的超精密切削加工中,金刚石刀具都采用圆弧过渡刃,有利于获得很好的加工表面质量。

实际加工证明,刀刃锋锐度对切削变形和加工表面质量有很大影响,特别是在背吃刀量和进给量较小的时候,刀刃的锋锐度越好,加工零件的表面粗糙度值就越小,切削时的变形系数会越低于使用较钝刀具切削时的切削变形系数,切削表面层的冷硬现象和组织位错现象越少,加工表面所残留的应力越小。


2、X 偏置和刀具半径补偿对加工质量的影响
X偏置是指零件在X轴上偏离非球面或球面回转中心的距离。
在超精密车削加工中,金刚石刀具采用的是圆弧过渡刃在金刚石车削非球面过程中每一时刻刀具和工件的接触点都是变化的。尤其是对于使用过一段时间的金刚石刀具而言,变化就更加明显。这样就导致理论上金刚石刀具中心与球面或者非球面的回转中心重合时,实际车刀与工件接触的那段圆弧的半径并没有达到或者已经超过了球面或非球面的回转中心 ,从而使加工工件的面形误差增大。


3、刃口半径和最小切削厚度对加工表面质量的影响
超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度有关,和被切材料的物理力学性能有关。

切削刃的锋锐度是决定切削深度的主要影响因素。切削刃越锋利,即切削刃半径越小,切削深度就越小,表面粗糙度值就越小。

而要实现超精密加工,必须进行极微量的切除,也就是使最小切削厚度尽可能的小。最小切削厚度是随着刀具的几何形状和切削条件的不同而变化。从实践加工的产品可以看出金刚石刀具的刃口半径ρ对最小切削厚度有显著影响。而锗晶体为脆性材料 ,要实现脆性材料的塑性域加工,必须严格控制实现塑性域加工的最小切削厚度。



结论
随着国内外超精密加工技术特别是单点金刚石车削技术的不断发展,脆性材料的光学非球面零件以其特有的优势,在军用和民用产品中越来越普及。本文所研究的内容,对改进超精密加工方法,研究刀具参数与脆性材料表面质量特性的关系,以及提高加工表面质量和产品性能都具有重要的意义。


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