精细切削加工主要是指零件尺寸在1mm以下,加工精度在0.01~0.001mm的精细尺寸零件的加工,微细切削加工是指尺寸在1μm以下的精细零件的加工,超细切削加工是指微细1nm以下的零件的加工。
1.影响超细切削加工的主要因素:
(1)对单位切削力的影响:实现超细加工的物理本质是切断材料分子、原子之间的结合,实现原子或分子的去除,因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子的结合力。背吃刀量和进料量极小时,单位切削面积上的切削力急剧增大,单位切削力非常大,同时产生大热量,提高刀尖部分地区的温度,直接影响切削加工的正常进行。
(2)材料微量加工特性的影响:材料去除过程不仅仅是切削工具,还严格控制在被加工材料本身。超细切削加工材料的选择以纳米级表面质量为前提,被称为材料的微量加工性(可以用表面粗糙度和某个加工距离定义工具磨损的可忽视性)。.影响材料微量加工性的因素包括被切割材料对钻石工具的内部吻合性(具有化学反应)、材料本身的晶体结构、缺陷、分布和热处理状态等(多晶体材料的各向异性对零件加工表面的完整性有很大影响)。
(3)刃口圆弧半径对超微切削厚度的限制:刃口半径限制其最小切削厚度,刃口半径越小,允许的最小切削厚度也越小。官方hmin=(0.16~0.246)一般给予超细切削中刀刃半径和可加工最小切削厚度的关系,目前常用的金刚石刀刃锐度约为0.2~0.5μm,最小切削厚度达到0.03~0.15m的特殊刀刃磨削工具达到=0.1m,最小切削厚度达到0.014~0.026m
(4)刀具磨损和破损:钻石刀具有微磨损,切削一段时间后,刀具磨损逐渐加剧,有时突然恶化。钻石工具的故障有崩溃刃和磨损两种形式。钻石刀具的机械磨损和微崩刀是由刀片处的微观解理引起的,其磨损的本质是微观解理的积累。累积的钻石刀具磨损主要发生在刀具的前后刀面,经过几十万米的切削长度后,该磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用,钻石工具也会产生热化学磨损。崩刀是刀刃上的应力超过钻石刀具局部受力时发生的,最难预测和控制的损伤,对加工表面质量的影响大于前后刀刃磨损的影响。降低切削温度可有效减少刀具磨损。另外,在饱和碳气体中切削也能抑制钻石工具的碳化作用。
(5)切削过程中的微振动:工件表面的形状由于工具的轮廓反映在工件上,加工表面的粗糙度由工具和工件之间相对运动的精度和工具的刀刃形状决定。微切削时,背食刀的量比材料的晶粒直径小,相当于切削不连续体。这种微观断断续续的切削和机床的动作特性会导致切削过程中的微振动。微切削中的微振动对加工表面质量的影响也不容忽视。
(6)积屑瘤对加工过程的影响超:微切削时,积屑瘤的影响不容忽视。积屑瘤影响切削力和切削变形,冷焊在刀刃上的积屑瘤也影响加工表面的粗糙度。除了刀刃的微观缺陷直接影响积屑瘤的发生外,切削速度和进给量对积屑瘤的影响也很明显。微切时,所有切割速度范围内都存在积屑瘤,但切割速度的大小影响积屑瘤的高度,切割速度越低,进给量越小,积屑瘤也越高。
二、解决办法:
解决上述因素对超细切削加工的影响,加工时可采取以下解决办法:
(1)正确选择工具材料:超细加工部门的切削力非常大,产生大量热量,刀尖区域温度高的特征,加工时必须选择符合要求的工具,选择的工具材料具有耐磨性、耐热性、高温硬度、高温强度好的特性,超细加工中最常用的是金刚石工具。
(2)合理选择工件材料:为了提高超细加工表面的质量,必须合理选择工件材料。选择微量加工性好的工件材料(例如非晶体材料具有精细晶粒结构的材料),可以获得加工表面完整性好的工件表面。
(3)减小刃口圆弧半径:用钻石刀具超精密切削加工有色金属和金属材料,得到Ra=0.02~0.002μm的镜面,细磨刀具后可切出厚度达到1nm的碎片。目前,钻石刀具的刀刃质量主要是在旋转的铸铁盘上精细研磨、研磨钻石刀具的刀刃,采用离子束加工和化学研磨加工可以使加工刀具具有亚微米级的形状精度。
(4)采用斜角切削斜角切削:实际切削前角,减小切削刃圆弧半径和极限最小切削厚度,实现超薄切削和微细切削。微切削时,刃倾角的选择应综合考虑钻石刀具晶面的选择和刃磨。
(5)选择合适的刀具前后刀面:天然钻石具有硬度高、耐磨性强、高温强度高、热传导性好、与有色金属之间摩擦系数低、能磨出极锐利的刀具等一系列优良特性。因此,天然钻石虽然价格昂贵,但仍然是不可替代的超细切削工具材料。
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