精密超精密加工论文

微切削加工技术及国内外发展现状李勇 1（1. 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004）摘 要：微型化、精密化已成为目前全球制造技术的一个发展趋势，高效率、高精度化的微细加工方法显得越来越重要。精密微细切削加工是在传统的金属切削理论与技术的基础上，面向微小型系统中各种材料结构件的加工需求而发展起来的一项微细加工方法。关键词：精密微细切削；切削机理；0 引言：当今，现代制造技术正向着两个趋势发展，一方面向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使制造技术形成一个系统，进行设计、工艺、和生产管理的集成，统称为制造系统自动化；另一方面寻求固有制造技术的自身微细加工的极限，即在现代制造技术中，能够加工微小零件的微细尺寸极限是多少，所以微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术1 精密加工和微细加工有着密切的联系，它们都是现在制造技术的前沿，微细加工是属于精密加工范畴的。现在制造技术发展很快，不仅出现了微细加工技术，而且还出现了超微细加工技术，所谓超微细加工技术就是指制造超微小尺寸零件的加工技术。1 微切削加工技术微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC 加工中心可实现 2D、215D 简单特征到复杂 3D 曲面零件的微加工(见图 1)，通过使用此法加工出的微小模具可达到批量生产的目的。随着微机电系统和微机械的多样化发展，对拥有不同机械性能与电子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，例如生物、医疗装备、光学以及微电子 ( 包括移动通信和电脑组件 ) 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以下主要介绍微切削装备、刀具、切削机理。图 1 微切削加工的零件1.1 微切削加工技工尺度对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m10-9m 之间的尺度属于量子力学研究范畴；1 -9m10-6m 之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m10-3m 之间的尺度属于介观力学研究范畴；1-3m10-0m 之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于 10-0m 的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以 10-6m(1m)为加工 误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量 (1 丝=10m)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。1.2 微切削装备零件的尺寸和加工质量(加工精度、表面粗糙度、重复精度) 与其加工机床的性能(如精度、动态特性等)密切相关。机床的性能主要与主轴、工作台和控制系统有关，微切削所用刀具的直径非常小，为了提高加工效率，微切削机床主轴的转速非常快。为满足扭矩要求，通常采用电主轴和混合角接触轴承，这种轴承由于摩擦生热造成热膨胀，最高转速一般不超过 6 万 rPmin。当转速更高时，应采用空气轴承，但空气轴承提供的扭矩较小，目前空气轴承主轴的最高转速可达 20 万 rPmin。为了获得较高的切削速度，主轴的锥度与高速切削刀柄的锥度一致。微切削精密机床的工作台一般是由直线电机驱动的，与普通驱动如滚珠丝杠相比，直线电机驱动系统没有摩擦和电磁耦合产生的累积误差，也没有由于磨损造成的精度损失，不存在间隙，而且能提供较大的加速度，直线电机驱动系统的精度可达1m。微切削精密机床的刚度好，振动小，而且大都带有各种传感器和执行器。但是由于其尺寸较大，对周围环境的控制要求较严格，使得加工微小零件的成本较高。微细切削加工对所用的加工设备要求很高，其所用的加工设备应满足以下要求：（1）高精度。包括高的静态精度和动态精度，其主要的性能指标有几何精度、运动精度（定位精度、重复定位精度）和分辨力等，如主轴的回转精度、导轨运动精度，分度精度等。当前，高水平的超精密机床其主轴的回转精度大多在 0.020.03m，导轨的直线度在 0.025/100000 内，定位精度为 0.013m ，重复定位精度在 0.006m 左右，进给分辨力在 0.003m，分度精度在 0.5 秒内，现在的精密微细机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，精密滚珠丝杠传动，并配有微动工作台、误差补偿装置、实现微位移。对于高速回转的零件、部件都应该进行动平衡。（2）高刚度。其中包括静刚度和动刚度，除零部件本身的刚度外，还应该注意接触刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统的刚度。精密机床虽然受到的切削力并不大，但是机床的受力变形将会造成精度上的很大影响。（3）高稳定性和保持性。加工设备在经过运输、仓储、安装调试后，在规定的工作环境下，使用过程中应能长时间保持精度、抗干扰、稳定地工作。因此，加工设备应具有良好的耐磨性、抗振性以及热稳定性。（4）高度自动化。为了保证加工质量，减少认为因素的影响，现代精密微小型机床应多配置精密数控系统以实现自动控制，或采用计算机控制来适应控制、优化等以保证零件的生产加工要求。另外，微细加工的加工设备与基础元部件关系密切，一方面，只有优良的基础元器件才能有优良的加工设备。因此使劲儿各国均十分重视基础元部件的研究与开发，以便不断提高加工设备的水平，扩展其应用范围；另一方面，优良系列的基础元部件可以快速响应市场需求，缩短精密微小型加工设备的开发周期。当前，主要元部件主要有主轴及轴承、导轨及滚动组合体（滚动直线导轨） 、滚珠丝杠、光栅、激光检测装置、微位移装置、分度转台等。目前市场上可用于微切削的加工中心和数控车床如图 2 所示。由于微小机械产品的加工特征尺寸很小，研究人员正尝试开发微小机床(见图 3)来加工微小零件。微小机床的体积尺寸非常小，可节约大量的原材料，因此，可使用性能较好的材料来制造。另外，由于质量小，微小机床的固有频率比普通机床高，这使得微小机床可以稳定地在较宽的主轴转速范围内使用而不发生颤振。即使发生振动，在同样载荷下微小机床的振幅也小。微小机床的定位精度可达到纳米尺度，加工精度为亚微米。图 2 用于微切削的加工中心和数控车床图 3 微小机床微小机床的发展引入了一个新的概念即“微型化工厂” ，如图 7 所示，微型化工厂占地面积非常小，可放置于任何建筑物内的任何地方，甚至在战场上或空间站内应用，而对于普通机床，这几乎是不可能的。微型化工厂消耗的能源非常少，大大地节约了能源的使用。微型化工厂内有不同的生产单元，如微型车床、微型铣床等装备。微小机床的发展目前面临着一系列挑战，如需开发尺寸足够小的传感器和执行器，以便能安装于微小机床内。微小机床的刚性不如微切削精密机床，另外，为防止外界干扰，微小机床需要加隔振装置来满足加工精度要求。降低微型化工厂的加工成本和开发多功能复合微小机床是未来微切削装备的发展趋势。图 7 微型化工厂1.3 微切削刀具在微切削加工技术领域里，如何将刀具材料晶粒细化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重点所在。微切削的切削深度和进给量都非常小，因此单位切削面积上的切削力较大，同时产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度升高，因此在微切削对刀具材料的性能要求较高，需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的刀具材料，随着回转最小直径的微小化，要求回转刀具的抗弯强度、刚性与断裂韧性均应较高。微切削刀具材料以硬质合金(碳化钨) 、PCBN(立体氮化硼) 和金刚石为主。微米级以下尺寸的铝合金等有色金属加工主要采用单晶金刚石刀具，单晶金刚石刀具可用来切削加工精度达到纳米级的探头或探针。为了提高硬质合金的性能(见表 1)，目前工具厂商正研究使硬质合金晶粒更加微细化，而且已取得可喜的成果，已开发出粒径为 90nm 的超细晶粒硬质合金并试制出粒径为 60nm 的高级超细晶粒硬质合金。除了刀具材料外，刀具的几何形状对于实现微切削加工至关重要。在微切削条件下，精确地切除极薄的材料需要极其锋利的切削刃，也就是极小的刃口半径。不仅如此，刃口锋利度还关系到切削表面质量、微观组织型貌以及晶格位错等。精确测量刀具刃口轮廓是保证刀具刃口研磨和进行微细切削过程质量分析的前提。微钻头或微端铣刀材质硬度高、加工困难，常用的砂轮磨削方法加工效率低，而用 FIB(FocusedIonBeam，聚焦离子束) 、WEDGE(WireElectroDischargeGrinding，线电极电火花磨削 )方法制作硬质合金微钻头或微立铣刀非常方便，容易满足精度要求。铣削时可采用两齿、梯形、半圆、一字形、方形等形状的立铣刀(见图 8)。适合微细切削的硬质合金带柄铣刀在工业上已被广泛采用，高精度制作微型铣刀和钻头的技术要求很高，直径越小，制作越困难，最小直径为 0.1mm 的铣刀和的钻头已能够生产。目前市场上可见到的硬质合金微型钻头中，经过研磨的麻花钻最小直径为 0.03mm，扁钻为 0.01mm。据报道，在实验室里采用电解磨削方式，可制作出0.005mm 的极小直径钻头。图 8 微切削用立铣刀目前市场提供的微型刀具，其尺寸和形状的偏差极不均匀。例如，对同一供应商提供的 31 支直径为 0.02mm 的钻头进行测试，测试结果：直径的平均值为 0.021mm，标准偏差为 0.0015mm；芯厚平均值为 0.0063mm，标准偏差为 0.0017mm，这样的精度显然较差。因此，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解决的问题之一。1.4 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、提高生产率有着十分重要的意义。微切削时，由于工件尺寸微小，从强度、刚度上来说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，如切削深度有时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，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，是连接经典塑性力学理论与原子模拟之间的必要桥梁。近年来已发展起来多种应变梯度塑性理论，较为典型的有CS(couplestress)应变梯度塑性理论、SG(stretch and rotation gradients) 应变梯度塑性理论和MSG(mechanism-basedstraingradient)应变梯度塑性理论。应变梯度理论的最基本的关系 等效应变可描述为式中，e 为传统等效应变；ijk 和 ijk 分别为应变梯度和变形率；lg 和 lR 分别为表征材料伸缩梯度之强度和转动梯度之强度的参量；(1 到 2 之间取值) 为表征几何位错和统计位错的特征。采用应变梯度理论，可以预测出尺度效应和位错影响，获得与试验相吻合的结果，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中得到应用，采用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)微切削机理的模拟仿真主要利用有限元技术和分子动力学方法，有限元技术以连续介质力学为基础，因此分子动力学方法更适用于微切削。采用分子动力学方法对微切削机理的模拟仿真研究在世界范围内已开展了十几年，研究工作主要是建立原子、分子尺度的切削模型，从原子、分子角度去理解切屑和表面形成过程，解释材料性能、刀具几何参数和工艺参数对微切削应力与应变分布、切削力、切削温度和已加工表面质量等的影响。(2)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、工件材料的微量加工性、切削用量的合理选择、加工表面质量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大。微切削可以达到的最小切削厚度与刀具刃口的圆弧半径、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工件间的摩擦系数等有关。由于最小切削厚度的影响因素较多，较难确定最小切削厚度，在生产实际中一般根据刀具刃口圆弧半径的大小来确定最小切削厚度。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有关，一般为 0.1650.246，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 10nm。(3)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生切屑。与普通切削相似，微切削的切屑有三种形态：连续状切屑、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。(4)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。切削力尺寸效应的存在使得普通切削的切削力模型已不适合于微切削。切削力的尺寸效应与刀具刃口半径关系密切，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大的负前角，使切削变形增大，切削时的单位切削力增大。如切削深度进一步减小时，切削有可能在晶粒内部进行，此时，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。微切削时的切削力还与晶向和晶界有关。(5)切削温度由于微切削的切削用量较小，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来说，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。(6)工件材料的微量加工性工件材料的去除过程不仅取决于切削刀具，同时也受制于工件材料本身。微切削工件材料的微量加工性可用纳米级表面粗糙度及在某一加工距离上对刀具磨损的可忽略性来定义。影响工件材料微量加工性的因素包括被工件材料与刀具材料的亲合性(化学反应)、工件材料本身的晶体结构、位错、缺陷分布和热处理状态等 (如多晶体材料的各向异性对零件加工表面完整性具有较大影响)。(7)刀具变形刀具的刚性对微切削加工过程有相当程度的影响，如铣削加工中当刀具刚性不足时，在加工过程中会使加工精度变差，严重时会使微立铣刀断裂。微立铣刀的刀具变形为式中 为立铣刀的径向变形量；F 为径向切削力；L 为刀具伸出长度；E 为刀具材料的弹性模量；I(I= D4/64，D 为立铣刀的等效直径)为刀具的极惯性矩。(8)表面粗糙度与切削稳定性工件表面形貌是由于刀具的轮廓映射到工件上的结果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之间相对运动的精度及刀具刃口形状决定。微切削时，如果切削深度小于工件材料的晶粒直径，相当于对一个个不连续体进行切削，工件材料的微观缺陷以及材质分布的不均匀性等使刀具在微切削时的切削力变化较大，使切削刃受到较大的冲击和振动。微细切削中的振动对加工表面质量的影响不容忽略。(9)毛刺毛刺是切削加工后在工件表面由于塑性变形所产生的微小突出物。毛刺的存在会影响零件的配合，降低工件的尺寸精度和表面质量。使用带毛刺的零件会带来安全隐患，特别是在某些特殊场合，如航空航天等领域。因此，必须增加去毛刺工序，去毛刺的方法有机械法、热能法、化学法、电解法、电化学法、研磨法等。(10)积屑瘤微切削时积屑瘤在加工中的影响不容忽视，冷焊在刀刃上的积屑瘤会造成刀具几何角度发生变化，影响切削力和切削变形，积屑瘤还会影响加工表面粗糙度。积屑瘤的产生受刀刃的微观缺陷、切削速度以及进给量的影响。在微切削时，切削速度越低积屑瘤越高，进给量越小积屑瘤也越高。(11)刀具磨损与普通切削相似，微切削刀具的失效也有两种形式：磨损和崩刃破损。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机械磨损。开始切削时，刀具存在初始微磨损，在切削一段时间后，刀具磨损会逐渐加剧，有时甚至会突然恶化。刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上。由于氧化、扩散等作用，刀具也会产生热化学磨损。崩刃破损是当刀具刃口上的应力超过刀具材料的局部承受力时发生的，是最难预测和控制的损伤，而且对加工表面质量的影响比前、后刀面磨损的影响要大。降低切削温度可有效减少刀具磨损。1.5 微切削 CADPCAM 技术Cimatron E 是适用于微切削的商用 CADPCAM 软件，主要用于微铣削。从 2003 年 4月份开始，欧洲金融共同体开始资助 CRAFT，历时 24 个月对微型塑料组件的注射模具进行了微铣削研究。该项目涉及微型加工技术的整个过程，参加该项目的机构包括Fraunhofer Institute of Production Technology(IPT)、CAD/CAM 软件供应商 CimatronGmbh、铣削机床商 Kern、刀具制造商 Magafor 以及模具制造商 Promolding BV Structoform 和MMTAG)。模具材料的硬度为 53HRC，微型模具铣削的精度5m，曲面粗糙度Ra0.2m。刀具制造商提供的刀具直径最小达 50m，铣削机床商提供的微切削机床主轴最高转速达到 160,000rpm，CAD/CAM 软件供应商提供适用于微切削的 CimatronE 软件。与单纯实体建模不同，CimatronE 的实体曲面混合建模技术利用“为制造而设计”的CAD 功能来修复几何模型，通过各种曲面功能融合缝隙并变成实体，其 ACIS 内核技术提供高达 1nm 的内部精度，以满足微铣削的特殊要求。为了降低风险，防止换刀过程中产生的不连续微型曲面，CimatronE 提供可多种微铣削加工策略。NC 策略中支持斜线或螺旋下刀保证刀具最大限度光滑和连续地进入工件。加工过程中通过应用高速切削(HSC)策略获得均匀一致刀路，并使用毛坯残留知识防止断刀，以对微型型腔进行开粗。CimatronE 的微铣削技术通过识别真实的残留微型毛坯以及具有同样功能的开粗、二次开粗、精加工微和摆线开粗等加工策略保证刀路轨迹高效安全。高硬度材料且加工质量要求高的曲面 5 轴联动切削时需要非常小直径的短锥型刀具进行。为了满足高速微细铣削的要求，CimatronE 采用了多种高速铣削加工策略，如角部圆角连接、零重叠摆线精加工、S 连刀和螺旋下刀、自适应 Z 层精加工和流线加工。CimatronE 也支持样条逼近加工和流线铣削，减少加工时间，降低刀具磨损和破损。图 9所示为利用 CimatronE 微铣削加工的微型模具。图 9 微铣削加工的微型模具 1.6 微切削加工技术的发展展望微型机械是一个重要的发展方向，应用前景很好，国内外都非常关注这一领域的研究，微切削加工技术是微型机械制造领域最活跃的研究方向之一。目前微小型机械加工工艺与设备研究整体上还处于探索阶段，尚未形成完整成熟的技术体系和规模制造的技术能力。预计未来 15 年左右，微小制造工艺与相关设备技术将得到迅速发展，尤其在微小型武器、微小型医用器械、仿生器械、探测器械、航空航天器械等方面将得到广泛应用。在微切削方面今后应重视以下课题的研究，以促进微切削技术的生产应用。(1)微切削应用基础研究 包括微型零件切削加工装备关键技术的研究，主要研究高速主轴系统，精密工作台的定位、运动及控制技术，复合微切削加工设备与技术；微切削刀具材料和刀具制作技术的研究；微切削刀具、工件的快速装夹、测试及微切削加工过程的监控技术。(2)微切削机理的研究 主要研究热力耦合应力作用下的微切削不均匀变形场，研究微尺度下工件材料的本构方程，分析微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响；研究最小切削厚度对切屑形态、已加工表面形成、切削力、切削温度等的影响及工件材料微观组织结构对表面粗糙度和次表面损伤的影响，建立微切削加工理论和技术体系；研究多尺度微细切削模拟仿真技术，奠定微切削加工技术的应用基础。(3)微切削工艺研究 包括各种新材料如钢铁、钛合金、不锈钢、铝合金、陶瓷和其它非金属材料及各种复合材料的微切削加工工艺，微切削 CAD/CAM 技术。(4)微切削加工技术的经济性和可靠性研究。1. 2 国内外当前现状由于微细切削在微制造过程中占有重要地位，对微细切削技术的研究受到极大的重视，美国、日本等发达国家均为微细切削技术的发展制订了长期规划，并投入大量人力、财力对微细切削加工的机理进行研究。我国从上世纪九十年代开始，逐步加大了对微细切削技术的研究力度。目前国内在这一领域的研究异常活跃，其内容主要包括微细切削的加工对象、加工环境、加工方法和加工过程。研究方式主要是通过初步的实验，探索微细切削过程中规律，进一步根据理论分析，建立模型，并加以验证。1.2.1 国内研究情况1、实验研究哈尔滨工业大学的赵清亮等以原子力显微镜（AFM）作为加工工具对单晶硅进行了纳米加工试验，利用金刚石针尖对工件进行切削。通过 SEM 观察，发现在纳米加工区域内部及其边缘都不产生微裂纹及断裂破坏。研究表明在极小的加工载荷下单晶硅是以塑性变形的方式下去除材料的，并形成带状及卷曲状切屑2。华侨大学的傅惠南研究员利用扫描探针显微镜分别对单晶铜和铁系非晶体金属进行了纳米切削实验研究，并对加工的表面形成、切屑变形、力学过程等进行原位观察。在实验过程得到了厚度为 50nm 的规则切屑3，如图 1-1 所示。哈尔滨工业大学与中物院激光聚变研究中心联合进行了微细电极车削实验，研究了切削用量对微细紫铜电极表面粗糙度的影响规律，其中进给量对粗糙度的影响最为明显，在可形成切屑范围内，进给量与粗糙度呈线性关系。通过车削得到了 7m的微细电极4。图 1-1 纳米屑形成过程（Pa =50nm）四川大学的张明君等研究大长径比微细轴的车削工艺，在保证工件成形的条件下，在不同加工参数条件下完成了极限实例切削加工。加工完成了长径比约为 55 的微细长轴（该轴的平均直径 19m ，长 1030m ）和微细螺纹（长度为 150m，小径为36.6m，齿高为 6.7m，螺距为 10m）5，如图 1-2、图 1-3 所示。图 1-2 微细长轴 SEM 照片 图 1-3 微细螺纹 SEM 照片哈尔滨工业大学王洪祥等研究了车削切屑形成过程，提出了一种研究切屑形成过程新的试验方法，对不同材料种类和切削条件在切屑形成过程中的影响规律进行了分析。当背吃刀量与刀具的切削刃钝圆半径相比较大时，工件的材料被用传统切削方式去除，生成的切屑和表面完整性在很大程度上受每一个晶粒晶向和结构影响；当背吃刀量与刀具的切削刃钝圆半径接近时，刀具刃部的磨光和挤压而产生的塑性变形在切削过程中占主导作用6。哈尔滨工业大学的董申等研究了材料的微观性能对纳米加工表面质量的影响。通过理论分析与实验结果表明，切削力和已加工表面粗糙度随晶体切削方向的不同而发生变化。工件材料的微观弹、塑性各向异性是造成上述变化的根源7。2、理论研究清华大学的方刚等对微尺度下的塑性材料铜和脆性材料硅的加工过程进行了 MD模拟，讨论了脆性材料在加工过程中发生脆塑转变的刀具条件，即应具有较大负前角，以保证在切削区有足够的压应力8。北京科技大学的李忠吉博士进行了位错发射、运动以及裂纹扩展的分子动力学模拟，研究了环境因素对位错运动的影响，结果表明当 Ga 吸附在纯 Al 裂纹表面后，使裂纹解理扩展的临界应力强度因子、发射位错的临界应力强度、位错运动的临界应力下降 1025%9 。天津大学的林滨博士应用分子动力学研究超精密磨削过程。作者通过建立磨粒和工件的原子模型，从分子和原子空间角度观察微量磨削过程的磨削能量消耗、应力状态、磨削力和磨削温度等现象，解释了微观材料去除和表面形成机理。研究表明：晶格重构原子与一部分非晶层原子堆积在磨粒的前上方，由于磨粒不断前移最终形成磨屑而实现材料去除；由于磨粒不断前移，处在磨粒前下方面的非晶层原子在压应力的作用下与已加工表面层断裂的原子键结合重构形成已加工表面变质层；变质层由内外两层组成，最外层是非晶层,内层是晶格变形层10。郭斌教授等利用分子动力学模拟微观尺度上的单晶铜弯曲裂纹萌生和扩展过程，研究单晶铜的弯曲裂纹萌生和扩展机理。研究表明：应变能的不断积累使晶体内部产生空位，材料的裂纹萌生于空位，空位的合并形成纳米级裂纹，后续微观裂纹的扩展类似于宏观裂纹；裂纹缺陷促进了裂纹的萌生和扩展11。哈尔滨工业大学董申教授等采用分子动力学三维模型研究单晶铜纳米切削过程。通过分析切削过程中瞬间原子图像、切削力、单位切削力和轴向切削力与切向切削力比值，发现在整个切削过程中有位错产生，在加工表面发生弹性恢复，但未发生切屑体积的改变，切屑以原子团方式去除，单位切削力和轴向切削力与切向切削力的比值比传统切削时大得多。单晶铜纳米切削过程是位错在晶体中运动产生的塑性变形12。目前，国内的微细切削技术还主要处于理论和实验研究阶段，基本上没有形成实用生产能力，与国外的水平还存在较大差距。1.2.2 国外研究情况1、实验研究通过应用聚焦离子束技术，美国桑迪亚国家实验室制备出了一系列的微细切削刀具：在高速钢和细晶粒硬质合金材料上，制备出了最小直径小于 25m 的微细立铣刀（见图 1-4） ；宽度为 10m 的微细槽和螺纹加工刀具（见图 1-5） 。图 1-5 微细槽车刀日本FANUC 公司和电气通信大学合作研制的超精密铣床，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这种超精密切削加工技术可使用切削刀具对包括金属在内的各种可切削材料迸行微细加工，而且可利用 CADCAM 技术实现三维数控加工，生产率高，相对精度高。图 1-6 所示为用该机床铣削的日语中叫做“能面”的微型脸谱。其加工数据由三坐标测量机从真实“能面”上采集，采用单刃单晶金刚石球形铣刀（R30m ） ，在 18K金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为 lmm，表面高低差为 30m ，加工后的表面粗糙度值为 Rz0.058m13。图 1-6 铣削加工的三维微型脸谱Lucca 等14-15进行紫铜微细车削实验，通过对能量消耗的分析得出：在切削厚度与刀尖圆弧相近时，切削过程主要是刀具的耕犁与工件沿后刀面的弹性恢复，而不是剪切过程。刀具名义前角与刃口形貌对切削力和能有影响。在切削厚度很小时，实际前角比名义前角有更大影响。随着切削厚度的减小，径向力与主切削力之比逐渐增大，当切削厚度减小到一临界值时，径向力将大于主切削力。如图 1-7 所示16 。图 1-7 切削力方向与切削厚度的关系Ikawa 等用钝圆半径约为 10nm 的金刚石车刀加工电镀铜17 ，获得了厚度为纳米级的切屑，屑的量级约为钝圆的 1/10。如图 1-8 所示18。Weule 等通过实验研究了细晶粒碳化钨刀具的微型铣削，刃口钝圆半径 5m ，最小切削厚度与钝圆之比约 0.293。在实测过程中发现，被加工表面轮廓呈锯齿状。经分析认为，此现象的形成由于存在最小切削厚度的结果。如图 1-9 所示 19。图 1-8 切削厚度为 1nm 时的切屑 图 1-9 考虑最小切削厚度时的理论侧截面Vogler20、Kim21等研究了由于最小切削厚度的存在而产生的切削厚度堆积现象。当进给量小于最小切削厚度时，刀具将在工件表面产生耕犁现象，而不是进行切削，随着加工的行未切除的工件厚度逐渐增大，当其达成或超过最小切削厚度时，刀具进入切削过程，工件材料发生剪切。随着材料的去除，未切除厚度减小，刀具再次在工件表面耕犁。通过频谱和功率谱分析验证这一结论。Vogler 车削实验表明：当切削厚度很小时，随着进给量减小，粗糙度上升。这是由于最小切削厚度的存在而在加工过程产生不稳定切削和耕犁现象，从而加大表面粗糙度。由于常规切削中表面粗糙度主要受残留面积的影响，而残留面积是随着进给量减小而减小的，这就决定了微细切削中最优进给量的存在。最优进给量是由最小切削厚度决定的22。Arefin 等通过实验研究了脆性材料硅的塑性加工。由于大负前角、耕犁而产生的压应力使脆性工件表面发生塑性变形。通过改变刀具和切削参数，得出以下结论：为保证塑性加工进行，需满足：刃口钝圆半径应小于一极限值（实验中约为 807nm） ；还有切削厚度应小于刃口钝圆半径。大量的研究表明硅、锗在一临界切深以下将发生塑性变形而非脆性断裂。该临界深度随着负前角（压应力）的增大而增大。如图 1-10 所示23 ，为两种刃口钝圆半径在不同切削厚度条件下被加工表面的 SEM 照片。图 1-10 不同切深和刃口钝圆半径下的硅加工表面Waldof24等利用加工铝 6061-T6 进行切削力对比研究，发现假设 2 更符合实际情况。Kountanya 和 Endres25通过高放大倍数视频设备研究微型正交切削（以钝刀进行） ，于理解微加工过程 Jardret 等进行了多种材料的刮痕实验29。结果显示塑性变形的比例随 E/H 值增大而增（E杨氏模量，H硬度） ，对聚合物和金属有同样的实验结果。Tayiyama 在场发射扫描电镜下实验，以观测微细加工中异种材料的影响，不同相的槽形进行对比。如图 1-11 所示。加工炮弹黄铜时观察到稳定的积屑瘤形成，但在加工锌时未发现类似现象。Weule在 SAE1045 钢以不同切削速度进行切削实验。在实验后观测刃口发现在低速条件下可产生稳定的积屑瘤，但此时表面质量差。积屑瘤的存在决定于工件材料和加工条件（尤其是切削速度）26。微细加工机理受切屑去除与耕犁、滑擦的影响 27。耕犁、滑擦对毛刺形成影响很大并增大粗糙度28。因刮痕实验与微细切削加工具有相似性，可模拟微细加工，更利于理解微加工过程。Jardret 等进行了多种材料的刮痕实验29 。结果显示塑性变形的比例随 E/H 值增大而增大（E杨氏模量，H 硬度） ，对聚合物和金属有同样的实验结果。Tayiyama 在场发射扫描电镜下实验，以观测微细加工中异种材料的影响，不同相的槽形进行对比。如图 1-11 所示。图 1-11 铁素体和珠光体中的刮痕槽形作者认为珠光体中存在薄片状的渗碳体，其比铁素体硬 10 倍，导致珠光体比铁素体变形小，且珠光体的塑性流动集中于薄片状的铁素体而非渗碳体30。为掌握材料微观结构对微铣削过程的影响，Vogler 等进行了一系列端铣刀切削实验，采用 500m 的双刃铣刀，对单相铁素体、珠光体球墨铸铁和复相球墨铸铁进行切削。主轴转速为 30000rpm。功率谱显示除主轴转动及刃口冲击的影响外，在 12KHz 处有明显的能量分布。根据转速及试件直径，12KHz 对应于 65.4m 波长。此值与试件的铁素体平均晶粒间距 70m 十分接近。而在单相铁素体和珠光体球墨铸铁试件功率谱中未发现高于 10KHz 的能量分布。Vogler 还研究了复相材料的表面生成过程，复相材料的表面粗糙度大于单相材料，作者认为这是由于切削刃在切削过程中受复相冲击造成的。这个假设通过切削珠光体、铁素体的功率谱（平滑且幅值较低）进行了验证。对球墨铸铁样本材料，功率谱在 55m(铁素体)、67m（珠光体）处有明显峰值，与平均相距 50m 、70 m 相近。2、理论研究国外对微细切削的理论研究主要采用三种方式：分子动力学模拟、有限元模型和多尺度模拟模型。分子动力学基于原子间的势能进行原子水平的分析，适合于进行纳米切削研究。有限元分析是以宏观连续模型为基础的，适于进行切削力、温度、应力、应变等的预测。多尺度模拟介于两者之间。 （1）分子动力学最早应用分子动力学进行加工过程仿真的是 Lawrence 国家实验室（LLNL ）的研究人员于上世纪八十年代后期开始进行的31。最早是用于研究金刚石刀具对铜的纳米切削过程32。Shimada 等通过 MD 模拟研究刃磨良好的金刚石车刀在理想机床条件下加工铜试件可获得的最优表面粗质量。通过分析作者认为最小切削厚度可达 1nm 或更小，即刃口钝圆的 1/201/10 。最终表面粗糙度和工件表面变形层的深度随钝圆半径的增大而增大33。纳米切削与普通意义上的微切削不同，但也具有一些相似之处。Liu, Vogler34等对比了分子动力学模拟的材料流动和