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。
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) (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值的关系见右表。
根据经验，可取w=42°，当µ=0.12～0.26时，hDmin=(0.165～0.246)r。
由此可见，若要实现切削厚度为纳米级的超薄切削，此时所用金刚石刀具的刃口圆弧半径应为4～6nm，这是刃口半径极小且极为锋利的刀具。
切削温度的影响
由于微细切削的切削用量极小以及金刚石刀具和工件材料具有高导热性，因此，与传统切削相比，微细切削的切削温度相当低。但对于精度极高的超微细加工来说，加工温度的微小变化对加工精度的影响也是不可忽略的。同时，切削温度对刀具磨损影响较大，切削温度在金刚石刀具的化学磨损中的影响也极为显着。
微细切削过程的复杂化
极小的切削深度(纳米级)、有限的刃口半径、切削厚度相对于刃口半径的低比率、切削刃质量以及发生在后刀面上的少量刀具磨损都会使超微细加工过程复杂化。三个变形区的变形，尤其是第三变形区的刀具—工件间的摩擦以及由于被加工表面的弹性恢复会引起刀具磨损，从而产生切削热，影响加工表面的完整性，并引起亚表面损伤。当切削厚度与刃口半径处在同一数量级的时候，由于刀具前角的改变(负前角)而产生的滑擦、耕犁现象对于切削过程的影响也是显而易见的。淘宝特卖网推荐去黑头最有效的产品瘦腿厂房出租减肥体膜工具哪种好很好眼部滋润哪个好
上一页 1 2 下一页
