微细切削

微细切削

微细切削 篇1

近几年,随着光学、微电子学等领域的发展,产品的小型化已经成为一种全球化的趋势。产品和设备的小型化不仅能够大大降低材料与能源的消耗,还能提高空间利用率,减轻自身质量等[1]。由于这些优点,小型化产品及设备在生物医学、精密钟表、医疗器械、陀螺仪、光学仪器、航空航天、国防以及高科技电子产品等领域有着广阔的应用前景,微纳加工技术逐渐引起各个领域的重视,并日益成为研究及关注的焦点。

1 微纳尺度

目前,为满足微型机械零件的应用及需求,小型化产品的零件尺寸一般为几毫米,零件几何特征尺寸只有几十至几百微米,属于微纳尺度加工范围[2,3]。在机械加工领域,关于微纳尺度普遍认可的定义是指介于宏观尺度和微观尺度之间,零件尺寸范围为0.1mm~10mm,几何特征尺寸范围为0.01mm~1mm的零件[4,5]。

伴随着对于小型化产品要求的提高,现有装备、制造水平与迫切的产品需求之间的矛盾日益凸现,小型化产品的制造成为制约产品小型化趋势的瓶颈,如何实现适用于多种材料、结构复杂的小型化零件和几何特征的高精度、低成本的加工成为小型化制造技术的关键。微纳尺度加工属于微观力学研究的范畴,既不同于宏观机械加工过程也不同于微观原子级纳米加工,具有很强的尺度效应。

2 微细切削影响因素

由于微纳加工技术自身的优势以及各个领域对于微细元器件迫切的应用需求,使得越来越多的学者致力于微纳加工技术的研究,在过去的10年中微纳加工技术的发展尤为突出。通过对以往10年的中外学者研究成果的分析和比对,将微纳加工技术和超精密加工技术等共性数据进行归纳,并得出对微纳加工技术发展有利的结论。

2.1 尺寸效应

与宏观切削不同,对于微细切削来讲,切削力与切削能量都会随着材料的去处量的减少而减少,中外很多学者都对此进行了大量的实验验证,此外当微切削进给量减少到微米级别时,切削力会出现急剧增大的现象,此类现象归结为微纳尺度切削中的尺寸效应。

与常规尺度切削相比,微细切削时,刀具前刀面参与切削的面积减小,刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作,此时刀具刃口半径对于切削变形和材料去除的影响不容忽视;Vogler与Kim等人[6,7]通过实验验证了最小切削厚度对切削厚度堆积的影响,他们发现在微细加工中,当进给量小于切削厚度时,刀具经过工件,工件表面仅发生弹性变形,而不是常规的切削,随着切削进给量的增加,当刀具刀刃半径与切削进给量大小相当时刀具在工件表面产生耕切现象,此时工件产生弹塑性变形;当进给量增大到远大于刀具刀刃半径时,此时刀具在切削中可视为锋利。微细切削模型如图1所示。

在微切削加工机理方面最主要的问题就是尺寸效应问题,因此引入比值λ,λ是最小切削厚度与刀具刀刃半径的比值,Yazhou Sun,Haitao Liu,Qingxin Meng,李洪涛、倪军、刘汉良、王西彬等人[8,9,10]对微铣削做出大量的实验。实验均采用硬质合金刀具,切削材料力学性能与铝2A12类似,主轴转速100000r/min~120000r/min;通过对微米级刀具的最小切削厚度与刀具刃口半径的比值、切削速度、刀具半径相关数据进行归纳、统计得到切削参数,如表1所示。

通过几组不同的实验数据可以看出,最小切削厚度与刀刃半径的比值λ随着切削速度的增加而增加,当刀具半径较小时,λ对于低切削速度的变化较为敏感;刀具半径增大时,切削速度在较高范围变化时会对λ产生较大影响;同样的切削速度下,刀具半径越大,λ也会相应的增加,当切削速度在251m/min时,刀具半径与λ呈线性关系,当切削速度大于或者小于这一切削速度时,λ均会随着刀具半径的增加而趋于平缓,即呈现出非线性特性;随着切削速度、刀具半径的增加,λ是增加的,即刀具进行切削时,最小切削厚度也是增加的,从而会影响工件在微细切削过程中的加工精度以及表面粗糙度,因此在微切削工艺过程中对于切削速度的选择大小要适当。

2.2 微切削力

微切削加工时的切削力来源于两方面,一是切削层金属、切屑及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[11]。微切削加工较传统加工来说不仅要考虑尺度效应的影响,更应该考虑切削力的变化对切削过程产生的影响,下面分别从切削速度、主轴转速等几个因素进行阐述。

2.2.1切削速度

很多学者都在微细切削实验中采用高速钢、硬质合金或者金刚石材料刀具对工件进行切削,硬质合金刀具硬度高,切削力较小,但成本较高速钢高出很多,较前两者来说金刚石刀具切削最为锋利。除去切削液消除积屑瘤对微细切削的影响,这几种刀具在不同切削速度下反应出切削力的规律也是不一样的。

G.Bissacco等人[12]通过大量实验发现由于前刀面的切削区域的变形及摩擦在整个切削中所占的比例较小,导致硬质合金刀具与高速钢刀具在切削时,切削速度对切削力影响并不明显;同时由于两种材料的刀具刀刃半径较金刚石刀具大,刃口圆弧部分对加工面所产生的挤压所占的比例较大,从而使得切削速度对切削力的影响更小,所以高速钢与硬质合金刀具用于微细切削时,切削速度对切削力的影响并不明显。

金刚石刀具刀刃半径较硬质合金和高速钢刀具小很多,S.S.Joshi等人[13]通过实验发现金刚石刀具随着切削速度的增加切削力下降,且切削速度对于切削力的影响取决于最小切削厚度与刀具刀刃半径的比值λ。

2.2.2主轴转速

微细加工中,主轴转速对于微切削的影响也是不可忽视的。Yazhou Sun,Qingxin,Meng等人[8]通过大量实验,发现在微细切削中主轴转速对于切削力的影响是有一定规律的。

实验条件:对材料为铝合金2A12工件铣削沟槽,切削深度20μm,刀具直径为0.5mm,每齿进给量0.25μm[8],铣削沟槽采用空气冷却,图2为根据实验数据绘制的曲线。

由图2可知,x方向的切削力最大,y方向切削力稍小,z方向切削力最小。在微观切削时,材料视为各向异性的力学特性,随着主轴转速增加可以惊奇的发现,x,y,z轴切削力均出现先增大后减小的趋势,在低转速区域,切削力急剧增加,当转速进一步增大时切削力缓慢变小并渐渐趋于一定值,因此,在微细切削工艺过程中对于主轴转速的选择大小要适当。

3 结论

介绍了微切削的早期应用,并针对以往加工方法展开研究,得到以下结论:

1) 在微细加工中硬质合金刀具硬度高,切削力较小,但成本较高速钢高出很多,较前两者来说金刚石刀具刀刃半径最小,但成本较前两者最高。

2) 刀具直径较小时,低速切削尺度效应较高速明显;刀具直径较大,在高速切削时尺度效应较明显。

3) 高速钢与硬质合金刀具用于微细切削时,切削速度对切削力的影响并不明显,用金刚石刀具进行切削时切削速度对于切削力的影响取决于最小切削厚度与刀具刀刃半径的比值λ。

4) 微细切削时材料呈现出各向异性的力学特性,当主轴转速由低向高增加时,三向切削力均出现先剧增而后缓慢变小并渐渐趋于一定值;因此,在微细切削工艺过程中对于主轴转速的选择大小要适当。

微细切削 篇2

以形状及尺度微小为特征的微小型化技术在航空航天、精密仪器、生物医疗、汽车和电子等领域有巨大的应用潜力[1,2,3]。微机电系统作为当今最具革命性的新科学, 受到各国科学家、政府和军队的高度重视, 被许多国家列为21 世纪重点发展的关键技术之一[4,5]。

微小型化技术的发展离不开微小型零件的制造技术, 而微细切削技术是微小型机械加工技术中的一种, 其加工方式决定它具有如下优点: 利用微细刀具切削去除材料, 相比于微细电加工, 无需考虑材料的导电性能、熔点, 因此材料适应性广, 可加工常见的金属 ( 铜及铜合金、铝及铝合金、各种钢材、钛合金、钨合金、镍基合金等) 和非金属 ( 塑料、陶瓷、玻璃等) 以及复合材料 ( 碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强树脂复合材料等) [6]; 以微小型机床为加工平台, 制造加工柔性高, 对不同零件的加工只需对应更改数控程序, 无需重新更换工艺体系或制作新的模具、掩模板即可完成不同形状和特征尺寸的加工[7]; 应用先进的多轴联动数控系统, 能完成复杂的三维特征及曲面的加工, 大大拓展了微细制造的可加工结构及特征范围, 因此可以适应更复杂、更多变的微小型零件的加工要求; 材料的去除速率高, 加工效率明显优于微细电加工、化学加工、激光加工等; 无需专用模具, 去除率较高, 加工效率较高, 对单件、小批量生产的要求适应性高, 因此微细切削的加工成本要低于其他微细加工手段的成本, 且设备投入也较小[8]。正是由于微细切削加工具有上述优点, 它在微小型零件加工中的比重日益提高, 因此对微细切削技术进行研究对推动微小型化技术的发展有重要作用。

常用微细切削刀具的制作材料主要有硬质合金、高速钢、立方氮化硼陶瓷、聚晶金刚石、天然单晶金刚石等, 除单晶金刚石刀具刃口极其锋利 ( 刃口钝圆半径rn约为0. 01 ~0. 05 μm) 以外, 其他材料的刀具刃口半径均为微米至十微米的数量级, 磨损后的刀具刃口钝圆半径还会大一些, 与微细切削参数在同一数量级上, 因此, 忽略刃口钝圆只考虑刀具的设计前角和后角的传统切削模型不再适用微细切削。微细切削中主切削刃切除材料时, 参与切削的刀具几何形状是由侧刃前刀面、刃口、后刀面组成的圆角三角形, 刃口钝圆替代一部分前角参与切削并去除材料。随着正交切削厚度a0和刃口钝圆半径rn比值a0/ rn的减小, 刃口钝圆代替前刀面去除的材料比例增大, 刃口钝圆对工件表面的滑擦、耕犁作用更明显, 由此导致工件粗糙度变大, 单位切削力增大[9,10,11], 因此必须深入研究钝圆尺寸效应, 以揭示微细切削的切削机理。

1 试验设备及方法

试验在本课题组自主研制的微细车削机床 ( 图1) 上完成, 该机床采用气浮导轨支承结合直线电机驱动的方式, 重复定位精度为±1 μm。工件材料为紫铜棒材, 车刀刀具材料为PCD, 切削速度为100 mm/s, 刀具结构参数如表1 所示。试验使用的测力仪为Kistler 9265C2 型测力仪, 匹配的电荷放大器为5019 型电荷放大器, 测力仪测量三方向力信号的测量精度可达10 mN。

本文的试验工件材料均为无氧铜。由于微细车削加工参数基本处于微米级别, 因此对加工棒材的处理十分关键, 极小的圆度误差和表面粗糙度误差均会对试验结果产生较大的影响, 为此, 在试验设计中进行了特殊的处理步骤: 首先采用原位加工的方法去除圆度误差, 具体做法是, 将直径6 mm、长度60 mm的紫铜圆棒装夹于机床上, 并同时装夹试验车刀, 先进行棒材的车圆加工, 此后, 并不更换刀具与夹具, 直接在原位进行车削试验和数据测量, 从而有效避免圆度误差造成的试验结果误差; 然后, 每次测量切削力和表面质量前, 均采用相同的切削参数对圆棒进行车削加工, 试验中使用的切深为10 μm, 每转进给为5 μm, 通过Marh表面粗糙度测量仪在线检测, 多次测量棒材表面粗糙度Ra在0. 1 ~ 0. 3 μm范围内, 相对于试验切深10 μm小了3 个数量级, 因此可有效避免表面粗糙度对试验结果的影响。

2 钝圆尺寸效应对切削力的影响

切削力的信号是研究切削过程特征的重要参数, 通过切削力可以分析刀具与工件的切削状态, 以揭示钝圆尺寸效应下的切削机理。

2. 1 不同比值a0/ rn对切削力的影响

车削中的每转进给量即为正交直角切削模型中的切厚a0, 一般用f表示。试验中固定切深ap为10 μm ( 换算成正交直角切削的切宽aw为14μm) , 通过改变f ( f的变化范围为1 ~ 20 μm , 对应的切厚变化范围为1 ~ 14 μm) 来测量切削力。图2 为切削力信号特征图, 刀具切入工件后进入稳定切削阶段, 切削力为准静态力, 该阶段的切削力信号平均值即为切削力; 三方向的切削力中, 主切削力Fz最大, 参数改变时变化也最明显, 也是体现钝圆尺寸效应的切削力表征; 切深抗力Fy也较大, 而进给抗力Fx较小, 这主要是因为带刀尖圆角的刀具对总切削抗力在x、y方向上的分量不同, 圆角越大, 切深越小, 则两个抗力的差距越大, 如没有刀尖圆角的车刀, 在其主偏角为45°情况下, 这两个抗力是大小相同的。

图3 所示为不同切厚下主切削力试验结果, 拟合切削力的经验公式为F = 0. 1878a00.6347, 该公式的幂指数小于传统切削经验公式的指数范围0. 7 ~ 0. 9, 微细切削时切削力与切厚的非线性现象较为明显, 说明刀具钝圆相对于切厚不能忽略时, 切削力在a0/ rn较小时会发生更大的变化速

率, 这是钝圆尺寸效应对切削力影响的特点。观察拟合曲线发现, 主切削力与a0成幂指数关系。其中, a0/ rn小于0. 3时, 切削力与拟合曲线有一定误差, 主要原因是, 当切厚小于临界成屑厚度 ( 最小切削厚度) 时, 工件每次旋转一圈并不一定切除材料, 而只是造成材料的弹性变形或是侧向挤压, 工件继续旋转一圈后切除的材料为两次旋转切除材料的累积, 只有切厚大于临界成屑厚度时刀具才开始去除材料, 而切削力的测量结果为平均值, 因此不仅测量了第二次旋转切除两倍切厚时的切削力, 同时还测量了第一次旋转时的摩擦力、挤压力, 导致切削力数值偏大。

车削主切削力的切削比能符合大多数文献的描述, a0/ rn很小时切削比能很大, 随着该比值的逐渐增大, 切削比能迅速减小, 最后逐渐趋向一个稳定值, 可近似认为该稳定值是理论锋利刀具切削时的切削比能。在a0/ rn较小的情况下, 工件表面与钝圆底部相接触的材料有较大的应力和应变, 而剪切滑移区应力、应变值较小, 说明此时钝圆对工件表面的挤压作用大于切削作用; 同时, 此时工件-刀具接触面的应变速率最大的区域分布在后刀面与工件相接触的区域, 且应变速率较小, 说明此时刀具挤压工件的效果大于切除材料的效果, 因此, 较小的a0/ rn条件下, 工件受刀具挤压作用的切削力占总切削力的比例较大, 只有少部分力起到了切除材料的作用。此时, 切削比能通过公式来计算, 随着a0/ rn的减小, 摩擦挤压力所占的比例更大, 因此导致钝圆半径大小与切厚大小相近时, 微细切削的切削比能曲线形成图4 所示的特征, 这种特征也是钝圆尺寸效应在切削比能上的表现。

上述试验说明, 以切削力和切削比能的非线性为度量标准, a0/ rn越小时, 钝圆尺寸效应就越明显。

2. 2 切深对切削力的影响

本节试验是通过测量切深改变时切削力的变化情况来研究切深对刃口钝圆尺寸效应的影响, 同时为避免切厚变化对试验结果的影响, 特选取a0/ rn为44%和89% 两种情况进行试验, 以更全面地获得切深变化时的切削力变化情况。

试验设计如下: 先将工件加工成锥形, 如图5所示, 棒材直径约6 mm, 长度L=0. 2 mm, 最大切深为0. 02 mm。由于试验中多次进行测量前的预处理车削, 因此棒材具体直径不确定, 然而, 由于每次材料去除量很小, 因此直径不会发生明显变化, 不会导致试验结果出现误差, 同时也不至于影响切削速度。通过固定进给速度来测量车削变直径工件材料时的切削力, 可以直观地获得切深对切削力的影响趋势。

试验结果如图6 所示, 车削中的切深ap与正交直角切削的切宽aw概念相同。由图6 可以看出, 在a0/ rn为44%、89% 时, 随着刀具切入工件的长度的增大, 切深从0 逐渐增大至20 μm, 三方向的切削力变化趋势均呈线性, 说明切削力与ap成线性关系, 而并没有表现出尺寸效应应有的非线性变化, 因此由试验结果可知, 切宽对钝圆尺寸效应的切削力表征没有显著影响。

在切深的试验中还发现, 刀具刚切入工件即ap很小时, 切削力与ap的关系存在很小范围的非线性, 这是因为, 在实际车削试验中, 车刀的刀尖圆角也不是理论为0, 因此在切削抗力的方向上也会产生钝圆尺寸效应, 即在极小的ap下, 即使a0/ rn不在严重的钝圆尺寸效应范围内, 沿ap方向也会产生因ap/ rn过小而引起的钝圆尺寸效应。

3钝圆尺寸效应对车削表面粗糙度及轮廓的影响

传统切削中, 一般以表面粗糙度的大小来评价加工表面的加工质量, 然而, 在微细切削中, 因其相对较高的加工精度和较小的加工特征, 不仅应以表面粗糙度来评价表面质量, 同时也应根据微细切削钝圆和刀具切削刃口的微观形状来评价不同切削参数下的工件表面形貌和轮廓曲线, 这样才能全面地评价尺寸效应下的微细切削表面加工质量。

为了提高测量的通用性 ( 如测量斜面、曲面) , 常用粗糙度测量设备 ( 如本文所用的Marh粗糙度计) 一般将测头检测到的实际波形通过高通滤波将被测材料表面轮廓形状对粗糙度的影响去除掉, 再计算粗糙度, 因此在用粗糙度测量仪器测量Ra、Rz的同时, 对表面质量的研究必须同时参照工件的表面轮廓形状。

本文试验通过测量不同a0/ rn下车削表面粗糙度和表面轮廓, 以研究钝圆的存在对微细切削过程表面形成的影响。

3. 1表面粗糙度

首先对表面粗糙度数值进行研究。Ra为轮廓算术平均偏差, Rz为轮廓最大高度, 图7 所示为试验结果。由图7 可以看出, 随着a0/ rn由小变大, 粗糙度数值先减小后增大, 其中Ra的极小值出现在a0/ rn= 30% 附近, Rz极小值出现在a0/ rn= 85%附近, 说明在钝圆尺寸效应影响下, 并不是越小的a0/ rn越能加工出低粗糙度的表面, a0/ rn太小反而会导致表面质量下降。发生该现象的原因是, 切厚过小时, 刀具严重挤压工件, 且当切厚小于临界成屑厚度时, 刀具每转切除的材料量不均, 这两个因素的同时作用导致了上述结果。由图7 还可以看出, 极小值点以后, 随着a0/ rn的增大, 粗糙度又出现增大的现象, 这与传统切削类似, 说明此时钝圆尺寸效应对粗糙度的影响逐渐减弱, 加工参数越大, 表面残留面积就越多, 导致粗糙度数值增大。

3. 2表面轮廓形成

图8 为不同a0/ rn下的工件表面轮廓图, 可看出, a0/ rn= 9% ( 图8a) 时, 钝圆尺寸效应引起工件表面材料被严重推挤, 最小切厚现象也使得工件每旋转一次刀具切除的材料大小不一, 导致工件表面轮廓时高时低, 与传统切削理论中加工参数越小工件表面越平整的结论不同; a0/ rn增大至36% ( 图8b) 时工件表面极为平整, 说明此时钝圆尺寸效应对表面质量的影响变小, 加工表面质量提高;随着a0/rn继续增大, 钝圆尺寸效应对轮廓的影响完全被车削每转进给量增大引起的工件表面残余高度增大带来的影响所替代, 轮廓几乎等于刀具尖端在工件表面上的复印。

上述试验结果表明, 微细切削的表面质量受钝圆尺寸效应和刀具形状复刻的影响, 尺寸效应的作用是, 当a0/ rn很小时, 刀具每转切除材料不均且刀具严重挤压工件, 使得减小a0/ rn并不能使表面粗糙度更小; 刀具形状复刻对粗糙度的影响趋势是, 随着a0/ rn的增大, 刀具复刻现象更严重, 导致已加工表面残留高度增大, 最终使得表面粗糙度增大。上述两个因素同时影响微细切削的表面形成, 当a0/ rn较小时 ( 图8a) , 尺寸效应占主导地位; 当a0/ rn较大时 ( 图8d ~ 图8f) , 刀具形状复刻占主导地位。因此, 在尺寸效应和刀具形状复刻的共同作用下, 必定存在一组加工参数, 使得微细切削表面粗糙度最小 ( 图8b) 。

根据试验结果可知, a0/ rn较小时, 钝圆尺寸效应对车削工件表面质量起主导作用, 影响表面粗糙度和轮廓形状, 微细切削表面质量随着切削参数减小反而变差, 这与传统切削截然不同, 是钝圆尺寸效应对表面质量影响的体现。

4结语

本文通过微细车削试验对钝圆尺寸效应影响下的微细切削机理进行研究, 发现在a0/ rn减小至40% 以下时, 钝圆尺寸效应影响作用明显, 切削力和切削比能在切厚变化时呈现明显的非线性关系;测量车削表面粗糙度和观察车削表面轮廓发现, 随着a0/rn减小至一定范围 (36%) 后, 车削表面粗糙度反而减小, 而车削表面轮廓也变得凹凸不平, 这与传统切削理论不符, 此时车削表面质量也凸显出明显的尺寸效应现象。因此, 微细切削加工的切削工艺参数选择应遵循尺寸效应影响下的微细切削机理, 使用过小的切削参数不仅不能获得更好的表面质量, 而且会使刀具单位面积上所受的切削力增大, 严重时甚至会导致刀具过快磨损。

摘要：通过微细车削试验, 研究了微细切削加工参数对切削力、表面质量、切屑形成的影响, 发现切削厚度与刃口半径的比值是影响微细切削的关键因素, 当该比值过小时, 刃口尺寸效应作用极其显著, 导致切削比能迅速增大, 表面质量恶化, 切屑形成困难。根据这一结论可确定微细切削加工参数选择的下限范围, 从而为微细切削加工参数选择提供理论依据。

关键词：微细切削,尺寸效应,切削机理,表面质量

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