微切削加工技术(下)

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5 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(couple stress)应变梯度塑性理论、SG(stretch and rotation gradients)应变梯度塑性理论和MSG(mechanism - based strain gradient)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 y! ~* [2 j& n% Q# H% a; Z+ Z2 k9 ~9 _& |' p3 U; R/ K0 N7 J) J/ C! D/ N$ ]- I; y# @, q (1) 式中，εe为传统等效应变；ηijk和xijk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；μ(1 到2 之间取值)为表征几何位错和统计位错的特征。 " U3 h7 c9 {3 N% G' g0 C 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。 0 S+ H- A6 v9 E- u4 k' p5 O 微切削机理的模拟仿真 . \; U6 ^6 D# w1 ^! w$ ? 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。 0 O. L8 J/ i+ E) @ 最小切削厚度 - Z h+ \0 R1 \) H 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0.165～0.246，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10nm。 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。 微切削力 c) f' P. H5 X3 ? 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。 切削温度 : f: T) `+ D7 v- ?' e9 \* I 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。 , w A# r+ l& v5 f 工件材料的微量加工性 # B" [6 ?3 C, N$ X' C6 p1 q 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)。 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 d=F·L3/(3·E·I) ; I4 W1 S! r9 T" C' I: S4 O 式中d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=pD4/64，D为立铣刀的等效直径)为刀具的极惯性矩。 6 O5 O# X1 @ S1 ~ x$ h! n 表面粗糙度与切削稳定性 0 f7 U+ i# ^0 V4 s# i 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。 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。 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。 1 F+ d ` c/ C* A* F 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。 6 微切削CAD/CAM技术 Cimatron E是适用于微切削的商用CAD/CAM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Cimatron Gmbh、铣削机床商Kern、刀具制造商Magafor以及模具制造商Promolding B V Structoform和MMT AG)。模具材料的硬度为53HRC，微型模具铣削的精度<5µm，曲面粗糙度Ra<0.2µm。刀具制造商提供的刀具直径最小达50µm，铣削机床商提供的微切削机床主轴最高转速达到160000rpm，CAD/CAM 软件供应商提供适用于微切削的Cimatron E软件。 ' N- `2 X8 b* Z% K3 }7 [6 [ 与单纯实体建模不同，Cimatron E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，Cimatron E可提供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)策略获得均匀一致的刀路，并使用毛坯残留知识防止断刀，以对微型型腔进行开粗。Cimatron E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。 4 V2 Y' b: W$ U# `# n& Q8 Q9 \5 j, N1 Y9 H 图9 微铣削加工的微型模具 4 @; a) s7 T6 B1 h$ A7 D i 为了满足高速微细铣削的要求，Cimatron E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。Cimatron E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Cimatron E 微铣削加工的微型模具。 & g6 C) G1 n: U5 C+ T" u& u6 j9 u! `8 v9 w 7 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。 ! e: Q& ~8 d1 t C- f* Y# ^' B - M/ B( _( z, j1 ? 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。 9 H$ W9 ]# w2 B- R) Q1 f 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。 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。 微切削加工技术的经济性和可靠性研究。