精密制造作业 最小切削厚度.doc

超精密加工的最小切削厚度在超精密加工中,切削深度非常小,和切削刃钝圆在同一数量级,当其低于某一特定值,也就是所谓的“最小切削厚度”时,无切屑产生。最小切削厚度是刀具切削刃和工件接触时能形成切屑的临界厚度, 它是微切削中切削参数选择时需考虑的前提,是影响表面加工质量的主要因素。其值通常介于切削刃钝圆的5%一38%之间,切削中切屑形成有三个阶段: (1) 切削深度小于最小切削厚时,材料仅发生弹性变形,无切屑生成。(2) 切削深度接近最小切削厚度时,尽管工件轻微变形,刀具剪切材料形成切屑。材料的弹性恢复导致实际切削厚度小于理论切厚。(3)切削深度大于最小切削厚度时,材料几乎不发生弹性恢复,实际切厚等于理论切厚。最小切削厚度现象导致材料表面的滑移力和耕犁力的变大,结果使切削力增加,毛刺增多,表面粗糙度变大。为了合理选择切削参数,正确估计最小切削厚度的值十分关键。超精密切削加工的技术难点精密加工和超精密加工是一个相对的概念，是随着加工技术的进步不断变化的。 目前，一般认为精密加工是指加工精度为 10.1m，表面粗糙度为 Ra 小于 0.10.01m 的加工技术；超精密加工是指加工精度高于 01m，表面粗糙度 Ra 小于 0025m 的加工技术。 当前，超精密加工的水平已达到了纳米级，形成了纳米加工技术。实现纳米级超精密切削加工主要存在以下技术难点:(1) 材料微量加工性的影响材料的去除过程不仅取决于切削刀具, 同时也严格受制于被加工材料本身。超微细切削加工材料的选择以纳米级的表面质量为前提, 称为材料的 “微量加工性”。影响材料微量加工性的因素包括被切削材料对金刚石刀具的内部亲合性(化学反应) 、材料本身的晶体结构、缺陷、分布和热处理状态等。(2) 单位切削力大微细切削是一种极薄切削,切削厚度可能小于晶粒的大小,故切削力的特征是切削力微小,但单位切削力非常大。实现纳米级超微细加工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,因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子结合力。当切削深度和进给量极小时,单位切削面积上的切削力将急剧增大,同时产生很大的热量,使刀刃尖端局部区域的温度升高,因此在微细切削时对刀具要求较高,需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的超硬刀具材料。在切削铝合金等有色金属时,最常用的是金刚石刀具。(3) 刃口圆弧半径对超微量切削厚度的限制刀具刃口半径限制了其最小切削厚度,刀具刃口半径越小,允许的最小切削厚度也越小。目前常用的金刚石刀具的刀刃锋利度约为=0. 20. 5m ,最小切削厚度可达0. 030. 15m;经过特殊刃磨的刀具可达= 0. 1m ,最小切削厚度可达0. 0140. 026m。若需加工切削厚度为1nm 的工件,刀具刃口半径必须小于5nm ,而目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用都非常困难。(4) 刀具的磨损和破损由于金刚石刀具存在微磨损,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。金刚石刀具的失效有两种形式:崩刃和磨损。金刚石刀具的机械磨损和微观崩刃是由刀刃处的微观解理造成的,其磨损的本质是微观解理的积累。累积的金刚石刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上,在经过数百公里的切削长度之后,这种磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用，金刚石刀具也会产生热化学磨损。崩刃是当刀具刃口上的应力超过金刚石刀具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。此外,在充满饱和碳气体中进行切削也可抑制金刚石刀具的碳化作用。(5) 切削过程中的微振动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。微细切削时,由于切削深度常常小于材料的晶粒直径,所以相当于对一个个不连续体进行切削。这种微观上的断续切削及机床的动特性会引起切削过程中的微振动。微细切削中的微振动对加工表面质量的影响也不容忽略。切削的形成机理及影响厚度的因素切屑的形成是一个非线性的动态过程,当切削深度比最小切削深度小的时候不会形成切屑。对于微细切削,刀具的刃口半径对工件材料的挤压变形和材料的弹性变形不容忽视,将切削层分为两层,使刀具的前刀面和后刀面与工件间产生了不同的滑动速度和摩擦温度,并产生了切屑如下图1所示细切屑的形成过程示意图在切削过程中,前刀面和切削刃圆弧共同与工件切削层接触,随着刀具向前移动,以分流点S为界把切削层分成上下两层,分别为高塑性变形区和高弹性变形区,在S点的上方的切削层经过发生塑性变形经过剪切面后成为切屑,并沿着前刀面流出同时随着切削的进行,在分离面以下的那部分切削层沿着钝圆SB流动,经过刀具的挤压至刀具最低点B点,随后该层发生回弹并沿后刀面流出,形成己加工表面。刀具的最小切削厚度取决于刀具的切削刃钝圆半径以及工件的材料特性。(1) 刀具切削刃钝圆半径对最小切削深度的影响在微细切削过程中刀具切削刃钝圆半径是不可忽略的重要参数,它不仅对最小切削厚度有显著影响，刀具切削刃钝圆半径还对微细切削加工中的切削力有影响,而且对于切削用量的合理选择也起着至关重要的作用。刀具切削刃钝圆的存在加剧了刀具和切屑之间的挤压切削刃钝圆影响材料的塑性变形,通过下面的两种方式引起尺寸效应:扩展了塑性变形区的大小,改变了材料沿刀尖塑性流动的模式。(2) 材料特性参数的影响最小切削深度与刀一屑间的摩擦系数有关,最小切削深度随着摩擦系数的增大而增大。从切屑形成过程可以看出在刀具的后刀面与工件间为滑动摩擦区域,而前刀面与切屑之间由于剧烈的挤压和塑性变形产生的高温致使切屑根部和刀具产生粘结,随着摩擦系数的增大会加剧刀屑的粘结影响切屑变形和排屑,使切削效果受到影响。摩擦系数对切削力的影响也不同，随着摩擦系数的增大