超精密加工中刀具形状对加工质量的影响

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摘要：以举例和推导的形式讨论了超精密加工中刀具形状对加工质量的影响，以及如何正确的选择刀具参数。

金刚石刀具因其卓越的切削性能而在超精密加工中得到了广泛的应用，下面就金刚石刀具的形状会不会对加工质量产生影响进行讨论。 3 r& ]$ v/ X" G* S8 T

1 刀刃形状对加工质量的影响

超精密切削时用的单晶金刚石刀具，有做成直线修光刃的如图1(c)、(d)、(f)所示，也有做成圆弧刃如图1(b)、(e)所示，其中图(a)一般不用。
]5 H& f, \/ S0 u) ]/ g) n6 J6 d! j3 f/ O: i! p" l6 G) t7 A# L- `' C. _) u7 Z9 O+ h( r3 p# x2 e4 t. D) p x

(a)	(b)
(c)	(d)
(e)	(f)
图1 金刚石刀具的不同刀头形式

刀具有直线修光刃时，可减少残留面积，减小加工表面的粗糙度值，可以得到令人满意的加工表面(Ra<0. 02µm)。另外，直线修光刃制造研磨容易。但直线修光刃刀具要求对刀良好，直线修光刃应严格和进给方向一致，修光刃不能太长，太长会增加径向切削力，修光刃和工件表面过多摩擦会使表面粗糙度值增大，并加速刀具磨损。修光刃的长度一般取0.05～0.20mm。国内在加工圆柱面、圆锥面和端平面时，多采用直线修光刃。

刀具采用圆弧修光刃时，对刀容易，使用方便，圆弧刃留下的残留面积极小，对表面粗糙度影响不大，但刀具制造研磨费事，价格较高。超精密切削时进给量甚小，一般0<0. 02mm/R。国外金刚石刀具较多的采用圆弧修光刃。推荐的修光刃圆弧半径R_a0.5～3mm。

2 刀刃半径对加工质量的影响

2 b' ]* P5 W) U: c

刀刃刃口半径r越小，刀刃锋锐度越好。实际生产中，刀刃锋锐度对加工质量有很大的影响，经实验和生产证明，它主要表现在以下几个方面：

1. 刀刃锋锐度越好，加工表面粗糙度值越小： " E" r# b9 x- F- @
2. 刀刃锋锐度越好，切削变形和切削力越小： 8 }& p. U" ^+ f$ n+ ~. t$ @9 g2 X
3. 刀刃锋锐度越好，切削表面层的冷硬现象和组织位错现象越小：
4. 刀刃锋锐度越好，加工表面残留应力越小。

由此可见，实际生产中我们总是希望刀刃刃口半径r尽可能小，这样才能得到高质量的加工表面。

要实现超精密加工，必须进行极微量的切除，也就是使最小切削厚度尽可能的小。超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度有关。1986年开始日本大阪大学和美国LLL实验室合作进行了一项具有时代意义的实验研究“超精密切削的极限”。实验实现了切削厚度为纳米(nm)级的连续稳定切削。 4 g; u0 x* D8 Z. @

那么，要实现1nm的稳定切削，刀刃刃口半径r应为多少，是不是只要能磨出1nm 的刃口半径就可以?

3 刀刃刃口半径r和最小切削厚度的关系

超精密切削时能达到的极限最小切削厚度和金刚石刀具刀刃锋锐度有关，和被切材料的物理力学性能有关。
5 N! T4 j: l$ d/ u- m! U; T6 R |2 j+ E$ t& H" p4 I' G8 }1 w4 Y! @/ r$ o5 {: R! {$ j" s( t

(a)

(b)

图2 极限切削厚度和刃口半径r的关系

2 f5 Y! N; l, @: K+ ~! A2 v

图2为极限最小切削厚度h_Dmin和刃口半径r的关系。可看到有极限临界点A，A点以上被加工材料将堆积起来形成切屑，而A点以下，加工材料经弹塑变形，形成加工表面，如图2(a)所示。现分析临界点A的受力变形情况。如图2(b) 所示，在A点处工件受水平力F_x和垂直力F_y作用。这两力亦可分解为A点处的法向力N 和切向力µN，则N力和µN力可用下式计算

N=F_ycosq+F_xsinq

µN=F_xcosq-F_y sinq

化简后得到 B8 p, O: R. r! \* s( z: }3 w

tanq= (F_x-µF_y)/(µF_x+F_y)

仅在实际摩擦力(µN')大于µN时，被切材料和刀刃口圆弧无相对滑移，将随刀刃前进，形成堆积，最后形成切屑而被切除。故 8 J8 ^6 b1 o4 ^

(µN')>F_xcosq-F_ysinq + d% j: [$ l" t6 }% h

现在A点为极限临界点，这极限最小切削厚度h_Dmin应为

h_Dmin=r(1-cosq)=r[-1/(1+tan²q)^½] 2 ]# |1 v2 Q. u5 R0 d7 p

化简后得到 $ s7 l6 a: I* @5 _

h_Dmin=r{1-(F_y-µF_x)/[(F²x+F²y)(1+µ²)^½]}

分析这方程式可知，当刀刃刃口半径r为某值时，能切下的最小切削厚度h_Dmin和临界点处的F_y/F_x比值有关，并和刀具工件材料间的摩擦系数有关。 0 y$ V% P! C U- p7 X, g

在切削时，A点处的F_y/F_x比值是和工件材料的强度、延伸率、摩擦系数有关，并和A点位置的高低有关。根据经验，A点处的F_y/F_x比值一般在此0.8～1范围内。对于用金刚石刀具进行超精密切削，根据经验可以取F_y=0.9F_x。 * |8 F9 @4 h4 o& U1 \1 }* ~! P6 ?

我们曾实测过金刚石和铝合金之间的摩擦系数为0.06～0.13(随金刚石晶面不同和摩擦方向不同而变化)，在切削过程中摩擦系数可假设为上述数值的两倍，即µ=0.12～0.26。 0 f- t- }6 c7 B( h

在F_y=0.9F_x，µ=0.12 时，用前面的公式可算出h_Dmin=0.322r ; z$ ~" G1 Y7 S: S% j" L

在F_y=0.9F_x，µ=0.26时，可算出h_Dmin =0.249r

图2中所示实际切削能正常切削的最小切削厚度h_Dmin=1nm，这时可以估算所用的金刚石刀具刃口半径r应为3～4nm。这是极为锋锐的金刚石刀具，它的刃口半径r值比现在生产中用的要小得多。

曾用高速钢和硬质合金刀具进行切削试验，研究能达到的最小的切削厚度，得到如下结果：

# P6 f# C, n9 n' a2 Y
• 用W18Cr4V刀具切Q235钢时，h_Dmin=0.248r： $ S( h3 e; G4 ~- j: @+ t
• 用W18Cr4V刀具切45钢时，hDmin=0.274r：
• 用YG8刀具切Q235钢时，h_Dmin=0.350r：
• 用YG8刀具切45钢时，h_Dmin=0.377r：

参考实际结果，可以认为上面的理论推算是正确的。

( d7 z5 h. u- s) P$ r% }+ N

4 结论

/ ^" _' f( |/ c$ p7 w- O- ~7 l7 |# M

从以上的分析可知，要实现1nm的稳定切削，刀具刃口半径r要远小于1nm，这就对刀具磨削提出了更高的要求，我国目前还不能实现1nm以下刃口半径的磨削。正确的选择刀刃形状和刃口半径是获得高质量加工表面的有力保证。