微切削去除机理研究

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1、前言：随着微机电系统和微机械的多样化发展，对拥冇不同机械性能与电了特性的微元件的需求也显得越来越迫切。微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如牛•物、医疗装备、光学以及微电子（包括移动通倍和电脑组件）等都有大量的需求。然而,并非每种应用在微机电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术生产出来，因此新的材料和新的微制造技术以及微切削技术陆续被研究发展出来。1微切削机理微切削机理的研究对于合理选择切削参数、保证微切削加工质量、降低生产成本、提高生产率冇着

2、・分重要的意义。微切削时，由于工件尺寸微小，从强度、刚度上來说都不允许采

3、用较人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具精度值，因此切削用量必须很小，如切削深度有吋小于材料的品粒直径，使得切削只能在品粒内进行，这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，切削的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除，因而传统的以连续介质力学为基础的切削理论已不适于微切削，所以，微切削机理的研究需要采用与传统塑性理论不同的方法进行研究。应变梯度塑性理论是传统塑性理论的推广和完善，是连接经典犁性力学理论与原了模拟Z间的必要桥梁。采用应变梯度理论，町以预测出尺度效应和位错影响，获得与试验相吻合的结果

4、，在微机械与微构件领域已成功分析了微米压痕、裂纹尖端场、界面裂纹、细丝扭转与微薄梁弯曲等问题，并开始在微成型研究屮得到应丿IJ,釆川应变梯度塑性理论研究微切削变形将是微切削机理研究的方向。另外，微切削时的主轴转速一般都非常高，加工精度要求非常精密，因此微切削具有高速精密切削的特征，将高速精密切削机理的研究成果应用到微切削领域也是微切削研究的趋势。1.1最小切削厚度能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度。微切削中的切屑形态、切削力、切削稳定性、工件材料的微最加工性、切削用虽的合理选择、加工表而质赧等都受最小切削厚度的影响，因此最小切削厚度的研究对于微切削意义重人

5、。微切削可以达到的最小切削厚度与刀具刃11的圆弧半径、工件材料的物理力学性能、微观组织结构及第三变形区刀具一工件间的摩擦系数等有关。山于最小切削厚度的影响因素较多，较难确定最小切削厚度，在牛产实际中一般根据刀具刃口圆弧半径的大小來确定最小切削厚度。研究表明：最小切削厚度与刀具刃口圆弧半径成正比关系，比例系数与刀具和工件材料副冇关，一般为0.165〜0.246,如刀具刃口半径为50nm,要实现切削厚度极小的超薄微切削，此时的最小切削厚度约为10nmo1・2切屑形态只有当微切削的切削深度大于最小切削厚度时才能产住切屑。与普通切削相似，微切削的切屑有三种形态：连续状切屑、

6、非连续状切屑和伴随积屑瘤的切屑。切屑的形态与工件材料的性能、切削速度、切削变形等有关。1.3微切削力微切削时的切削力较小，但单位切削力较大，且切深抗力大丁•主切削力。切削力随切削深度的减小而增大，J1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。切削力尺寸效应的存在使得普通切削的切削力模型己不适合于微切削。切削力的尺寸效应与刀具刃11半径关系密切，由于刃口圆弧半径的存在，切削刃在微量切削时形成一个较人的负前角，使切削变形增人，切削时的单位切削力增大。如切削深度进一步减小时，切削冇可能在晶粒内部进行，此时，切削力必须大于晶体内部的分了、原了结合力，因而使单位切

7、削面积上的切削力急剧增大。微切削时的切削力述与晶向和晶界有关。1.4切削温度市于微切削的切削川量较小，因此与传统切削相比，微切削的切削温度较低。对于精度要求较高的微加工來说，加工温度的变化对加工精度的影响是不能忽略的，同时切削温度对微切削刀具磨损的影响也不能忽视。2切削力机理微切削过程中，由于切削厚度值微小，必须考虑刀具切削刃饨圆半径的影响。如图1所示,切削时切削层沿加线与金属基体分离形成切微切削加工吋的切削力来源于两方面，一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形及塑性变形所引起的抗力;二是刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦阻力。微切削加工

8、较常规切削（假设刀具切削刃钝圆半径Q二0）加工的切削力平衡关系不同，微切削中，用偏光弹性法测量切削刃钝圆半径及其附近的应力分布状态的实验表明，0点处的剪应丿Jrt=of正应力ot为最尢而且Tt,Ot是关于连线刃对称的，Fr在C'O方向上。假定切削合力丹通过切屑分界点0和刀具切削刃钝圆中心点以刃为对称轴，按轴对称问题来处理切削作用力的平衡关系。在0点以上，刀具作用于切們的合力为FL/2，•在。点以卜；刀具作用于工件的合力为/2,并且此二力相对于C0连线对称，乂与0连线平行，因此只考虑0点以上部分即可。取切屑作为自由隔离体，可得出前刀而上的平均摩擦系数为―UmQ二F