2 试验条件

1. 刀具几何参数


超精切削加工为微细加工，切削区集中于刃口附近的微小区域，刀具的锋利程度对工件已加工表面质量具有举足轻重的影响。因此，对于超精切削刀具，除宏观几何参数外，反映刀具锋利度的刃口圆弧半径是最重要的关键参数。图1 所示为试验所用PCD刀具刃口的SEM 照片，其刃口半径约为0.5µm；试验所用SPD刀具的刃口半径也约为0.5µm。试验用刀具的几何参数如图2所示。






图2 试验用刀具的几何参数



2. 切削条件
   
   试验机床：MSG-325 超精密车床
   
   试验刀具：PCD刀具，SPD刀具(超精加工用刀具)
   
   工件材料：无氧铜
   
   切削速度：v=1000r/min
   
   进给量：(分别取不同值)
   
   切削深度：ap=5µm
   
   环境温度控制：20 ± 0.1℃
   
   冷却方式：烃基冷却液喷雾冷却

3 测试结果

1. 工件表面粗糙度


采用英国Taylor-Hobson 公司生产的Form Talaysurf表面轮廓仪测量工件已加工表面粗糙度，该仪器采用激光干涉传感器和天然单晶金刚石探头，测量精度较高。在不同进给量条件下切削无氧铜工件得到的表面粗糙度测量结果如图3所示。










图3 工件表面粗糙度测量值

图4 工件表面显微硬度测量值

图5 工件表面残余应力测量值



2. 工件表面显微硬度
   
   采用HX-200型显微硬度计，在加载50g条件下对采用不同进给量切削时的工件表面显微硬度进行测量。图4所示为用PCD刀具和SPD刀具切削加工得到的表面显微硬度值随进给量的变化曲线。
   
   
3. 工件表面残余应力
   
   表面残余应力测试条件：设备：RIGAKU数控X射线应力仪；电压：20kV；电流：0.6mA；X射线照射面积：4×8mm²；应力常数：- 9.4；Ø角：0°，15°，30°，45°；步长：0.5°；(2q)_min=145°；(2q)_max=165°。采用PCD刀具和SPD刀具加工的工件表面残余应力测试结果如图5 所示。

4 测试结果分析

1. 由图3所示工件表面粗糙度试验曲线可知，当进给量f≤4µm/r时，PCD刀具和SPD刀具加工出的工件表面粗糙度均可达到超精加工表面质量要求(Ra≤0.01um)；
   
2. 图4所示表面显微硬度测试结果表明，两种刀具获得的工件表面显微硬度比较接近，都在HV105～HV125之间；
   
3. 图5所示工件表面残余应力曲线表明PCD刀具和SPD刀具获得的工件表面残余应力均为压应力，SPD刀具的加工表面残余应力变化比较平稳。

5 结论

1. 在采用金刚石刀具的超精切削加工中，工件表面粗糙度、冷作硬化程度、表面残余应力等表面质量指标是保证超精密零件高稳定性和高可靠性的前提，应予以充分重视。
   
2. PCD刀具在超精加工无氧铜(f≤4µm/r)时获得的表面粗糙度、表面显微硬度和表面残余应力均非常接近。因此在超精切削加工中PCD刀具可在一定程度上替代SPD刀具。