超微细切削加工的技术难点及对策

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1、超微细切削加工的技术难点及对策发布日期：2008-11-258:31:00信息来源：中国刀具商务网评论：0条进入商圈       1引言　　微细加工技术是指微小尺寸零件的制造加工技术。随着航空航天、国防工业、现代医学以及生物工程技术的发展，出现了越来越多的小型化、微型化设备和微小尺寸零件，利用微细加工技术制造的各种微机械如微型电动机、微型传感器、微型泵等有着日益广阔的应用前景。　　现代制造技术对微细加工的要求也越来越高，已发展到超微细加工；向现有制造技术的加工极限挑战，发展超精密加工、超微细加工和纳米加工技术，已成为现代制造技术的一个发展方向。　　微细加工技术不仅

2、包含各种传统的精密机械加工方法，同时还包含如电子束加工、离子束加工、化学加工等特种加工方法。这些特种加工方法目前在微细加工领域都得到了很好的应用，而微细、超微细领域的切削加工却存在着一些技术难点，限制了它的广泛应用。因为即使是传统的机械加工，对微小尺寸与普通尺寸的加工机理和方法也不相同。本文通过研究超微细加工的机理，分析超微细加工中的技术难点及其对加工过程的影响，并提出了解决措施。 　　2超微细切削加工的机理　　普通切削和微细切削在加工机理上各不相同。在普通切削时，由于工件尺寸较大，允许的切削深度、进给量均较大；而在微细切削时，由于工件尺寸微小，从强度、刚度上都不

3、允许采用较大的切削深度和进给量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切削用量必须很小。　　一般的金属材料是由直径为数微米到数百微米的晶粒构成。由于微细切削的切削深度非常小，特别是亚微米和纳米级的超微细切削，通常切削深度小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，所以微细切削是一种断续切削。由于材料存在微观缺陷以及材质分布的不均匀性，使刀具在切削时的切削力变化较大，且切削刃将受到较大的冲击和振动。　　2微细切削的切削力特征　　微细切削加工是一种超微量分离技术，切削时金刚石刀具刃口附

4、近的切削力为亚牛顿级甚至更小。切削力能清晰地反映切屑的去除过程，因此研究切削力模型有助于了解切屑的切削特性。微细切削时的切削力特征为：切削力微小，单位切削力大，且切深抗力大于主切削力；切削力随切削深度的减小而增大，且在切深很小时切削力会急剧增大。这就是切削力的尺寸效应。　　微细切削时切削力的物理模型与刀具刃口的亚微米结构关系密切。由于切削刃刃口圆弧半径的存在，切削刃在纳米量级切削时有一个很大的负前角，使切削变形增大，故切削时的单位切削力大；同时，由于微细切削往往在晶粒内部进行，切削力必须大于晶体内部的分子、原子结合力，因而使单位切削面积上的切削力急剧增大。　　与普

5、通切削时切削力随切削深度的增大而增大不同，微细切削时的切削深度和进给量都很小。由于刀具刀尖圆弧半径和刃口圆弧半径的存在，使切削变形明显增大。切削深度很小时，刀尖圆弧半径造成的附加变形占总切削变形的比例很大。由于切削力的尺寸效应，所以切削深度越小，切削力越大(微细切削时切削深度对切削力的影响如图1所示)。　　图1切削深度对切削力的影响　　微细切削的最小切削厚度　　在机床条件最佳时，采用极锋利的金刚石刀具可以实现纳米级的连续稳定的切削。能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度，微细切削可以达到的最小切削厚度与金刚石刀具刃口的圆弧半径、被切材料的物理力学性能相关。　

6、　图2最小切削厚度对刀刃圆弧半径的影响　　如图2所示，工件上A点处受主切削力Fc及其垂直力Fd的作用，形成合力F(合力F也可分解为A点处的法向力N和摩擦力µN)，合力F的方向即为A点处所受的正应力方向。　　当A点的正应力方向与切削速度方向的夹角w约为45°时(对于不同的加工材料，所要求的夹角大小也不同，用金刚石刀具加工铝合金时，夹角约为38°～45°)，A点以上被加工材料堆积形成切屑，而A点以下被加工材料经弹性、塑性变形，形成加工表面，此时A点即为最小切削厚度的极限临界点。极限最小切削厚度hDmin可通过下式求得：　　hDmin=r(1-cosq)　　　　　　　　

7、(1)　　式中：r——切削刃刃口圆弧半径　　由图2可知，q+w+b=90°，即　　q=90°-(w+b)　　　　　　　　(2)　　式中：b——刀具与工件材料的摩擦角，tgb=µ(摩擦系数)，用金刚石刀具切削铝合金时摩擦系数约为0.12～0.26　　w——正应力方向与切削速度方向的夹角，w值与工件材料的强度、延伸率、摩擦系数以及A点位置的高低有关，根据经验w=38°～45°　　将式(2)代入式(1)化简得：　　当w=45°时，上式可简化为：　　由上式可见，极限最小切削厚度hDmin与刃口圆弧半径r、材料本身的物理力学性能及刀具—工件间的摩擦系数有关。hdmin值与r

8、值的关系见