下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
金刚石刀具的精密与超精密切削原理与一般金属的切削原理有较大的差别。当采用金刚石刀具切削时，其切削深度（背吃刀量）、进给量都很小，切削厚度一般在1μm以下，因此其精密与超精密切削加工属于微量切削加工。由于切削深度小于被加工材料的晶粒尺寸，因此精密与超精密切削是在晶粒内进行的。
从切削力和切削热方面来看，切削力要超过分子或原子间巨大的结合力，从而使刀刃承受很大的剪切应力，并产生很大的热量，造成刀刃在局部区域处于高应力、高温的工作状态，因此要求刀刃要有很高的高温强度和高温硬度。而这对于普通的刀具材料是无法承受的，因为其在高温、高压下会快速磨损和软化，使切削无法继续进行。
从刀刃锐利度方面来看，普通材料刀具的切削刃不可能被磨得非常锐利，平刃性也难保证。事实上，无论刃磨条件如何改善，对于给定的刀具材料和刀具角度，所能获得的刀刃圆弧半径具有一定的最小极限值。例如，当刀具楔角为70°时，一般硬质合金刀具的刃口圆弧半径只能达到18～24μm，高速钢刀具的刃口圆弧半径可达到12～15μm，而金刚石刀具的刃口圆弧半径则可达到0.005～0.01μm。同时，因为金刚石材料本身质地细密，经过仔细修磨，刀刃的几何形状很好，其直线度误差极小（0.01～0.1μm）。
在金刚石刀具超精密切削过程中，虽然刀刃处于高应力和高温环境，但由于其切削速度很高、进给量和切削深度极小，故工件的温升不高，塑性变形量小，可以获得高精度、极小表面粗糙度值的加工表面。
在超精密切削加工中，各种因素对金刚石刀具磨损、最小切削厚度、积屑瘤的生成等的影响有一定的特殊性。研究这些问题对提高切削加工表面质量、减小变质层厚度和减小表面残留应力等有直接影响。
近年来，对超精密切削原理的研究有了不少进展。目前采用计算机仿真和分子动力学模拟等方法对超精密切削过程及原理的研究获得了很好效果，一方面深化了对极薄层材料切削原理的认知，同时可以对超精密切削效果做出比较准确的预报。例如用计算机仿真预测超精密切削单晶铝不同晶面时的切削力，以及利用计算机仿真对超精密切削过程进行分子动力学模拟，以此对超精密切削极薄层材料的动态切除过程进行观察和分析。
金刚石刀具超精密切削所能切除金属层的厚度标志其加工水平。当前，最小切削深度可达到0.1 µm以下，其主要影响因素是刀具的锋利程度，一般以刀具的切削刃钝圆半径 r ρ 来表示。超精密切削所用金刚石刀具的切削刃钝圆半径一般小于0.5 µm。由于切削时的切削深度 a p 和进给量 f 都很小，在一定的切削刃钝圆半径下，若切削深度太小，则不可能形成切屑。在超精密切削加工过程中，切屑能否形成，主要取决于切削刃钝圆圆弧上各个质点的受力情况。在正交切削条件下，切削刃钝圆圆弧上某一质点 i 的受力分析如图2-1所示。质点 i 仅承受两个方向的切削力，即垂直切削力 P Yi 和水平切削力 P Zi ，水平切削力 P Zi 使被切削质点 i 向前移动，经过挤压形成切屑，而垂直切削力 P Yi 则将被切削材料压向被切削零件本体，不能构成切屑形成条件。最终能否形成切屑，取决于作用在此质点上的垂直切削力 P Yi 和水平切削力 P Zi 的比值。
图2-1 切削刃钝圆圆弧上某一质点 i 的受力分析
根据材料的最大剪切应力理论可知，最大剪切应力应发生在与切削合力 P i 成45 ° 的方向上。此时，若切削合力 P i 的方向与切削运动方向成45 ° ，即 P Yi = P Zi ，作用在质点 i 上的最大剪应力方向与切削运动方向一致，质点 i 处的材料被刀具推向前方，形成切屑，而质点 i 处以下的材料不能形成切屑，只产生弹性/塑性变形。因此，当 P Zi ＞ P Yi 时，质点 i 被推向切削运动方向，形成切屑；当 P Zi ＜ P Yi 时，质点 i 被压向零件本体，被加工材料表面形成挤压过程，无切屑产生。当 P Zi = P Yi 时，所对应的切削深度（图2-1中所示的 Δ ）便是最小切削深度。这时，质点 i 对应的角度为
ϕ =45 ° -φ =45 ° -arctan（ F i / N i ）
对应的最小切削深度 a pmin 可表示为
a pmin = r ρ -h = r ρ （1-cos ϕ ）
式中， φ ——金刚石刀具切削时产生的摩擦角；
F i ——金刚石刀具切削时产生的摩擦力；
N i ——金刚石刀具切削时产生的正压力。
可见，影响最小切削深度的主要因素是金刚石刀具的锋利性，锋利性由金刚石刀具的切削刃钝圆半径决定。一般情况下，刀具材料的表面结合能决定刀具的锋利性，用表面结合能较大的材料制作的刀具可以刃磨出锋利的刃口，在使用过程中能够持久地保持其锋利性，即保持其较小的切削刃钝圆半径。
使用金刚石刀具进行超精密切削加工时，切削刃钝圆半径小，切薄能力强，可形成流动的切屑，因此切削作用是主要的。但实际切削刃钝圆半径不可能为零，以及修光刃等的作用，还伴随着挤压作用，由此可以判断，使用金刚石刀具进行精密与超精密切削加工得到的表面是由微量切削和微量挤压形成的，以微量切削为主。
在用金刚石刀具进行精密与超精密切削加工过程中，加工表面的形成主要取决于几何特性、塑性变形和振动等。
几何特性主要指金刚石刀具的形状、几何角度、刀刃的表面粗糙度和进给量等，几何特性主要影响与切削运动方向相垂直的横向表面粗糙度。在切削时，刀具的主偏角 κ r 、副偏角 κ ′ r 和进给量 f 对残留高度的影响如图2-2（a）所示。其中， a p 为切削深度， R y 为表面粗糙度的轮廓最大高度。由几何关系可知：
R y = f /（cot κ r +cot κ r ′）
在切削时，切削刃钝圆半径 r ρ 和进给量 f 对残留高度的影响如图2-2（b）所示，其几何关系如下：
R y = f 2 /8 r ρ
塑性变形不仅影响横向表面粗糙度，而且影响与切削运动方向平行的纵向表面粗糙度。加工中的振动对纵向表面粗糙度有影响，因此，在超精密切削加工中，振动是不允许的。
图2-2 加工表面的形成
用金刚石刀具进行精密与超精密切削加工时，虽然切削深度和进给量都很小，但是在切削软金属时会在被加工工件的表面留下较深的破坏层，产生较高的应力，使工件表层产生塑性变形，内层产生弹性变形。切削后，一方面，内层弹性变形恢复，受到表层阻碍，从而使表层产生残余压应力；另一方面，由于微量挤压作用，也使工件表层产生残余压应力。