微細(xì)切削加工基本理論研究

張欣

摘 要：微細(xì)切削加工時由于特征尺寸的減小使得在微細(xì)切削在微尺度表面力學(xué)、微尺度摩擦學(xué)、微尺度傳熱學(xué)等方面有所不同。因此必須分析在微尺度切削條件下的尺寸效應(yīng)以及由此產(chǎn)生的位錯缺陷。同時，在微細(xì)切削條件下，切削的厚度與刀具刃口圓弧半徑幾乎在同一級別，導(dǎo)致了最小切削厚度的存在，以及切削過程中彈性恢復(fù)力的影響。

關(guān)鍵詞：微細(xì)切削加工；尺寸效應(yīng)

一、尺寸效應(yīng)

微細(xì)切削與常規(guī)切削既有相同點，也有不同點。其相同點主要是兩者均是采用機械式去除材料，但在常規(guī)微細(xì)切削加工中，每齒進(jìn)給量通常比切削刃圓弧半徑小，通常僅為微米，在微細(xì)切削加工過程中為了追求加工零件的微小化，刀具的尺寸非常小，刀尖圓弧半徑通常為微納米級。由于切削厚度與常規(guī)切削的不同，微細(xì)切削加工的切削厚度經(jīng)常會接近最小切削厚度，甚至比最小切削厚度還要低，有時就會導(dǎo)致無法產(chǎn)生切削的現(xiàn)象，工件僅僅是被“碾壓”過去，產(chǎn)生“犁耕”現(xiàn)象，工件材料表面產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致不能正常切削。

當(dāng)切削厚度減小到一定程度時，常規(guī)切削的理論不再適用于微切削，例如宏觀條件下的各種假設(shè)不再成立，宏觀表面力相對于體積力極其的微小，可忽略表面力作用；假設(shè)材料為均勻連續(xù)的介質(zhì)可忽略材料的圍觀結(jié)構(gòu)特性；宏觀上通過假設(shè)的溫度場連續(xù)而建立的溫度梯度理論等。

微細(xì)切削中的尺度效應(yīng)主要有三個方面：

（一）微表面力學(xué)的尺度效應(yīng)，由于微細(xì)切削的尺度非常小，刀具與工件間的摩擦增大，因此不可忽略的是表面之間的相互作用力對微細(xì)切削的影響，當(dāng)切削厚度接近最小切削厚度時，表面間的摩擦力將比切削刃產(chǎn)生切削的切削力更大，因此對微銑削的研究要更注重表面力而非體積力。

（二）微摩擦學(xué)的尺度效應(yīng)，微細(xì)切削中刀具與工件間的摩擦將產(chǎn)生熱能，由于工件與刀具間的接觸面積比較小，故產(chǎn)生的熱能尤為集中，對切削加工不利，通過改變切削刀具的幾何角度可以降低摩擦，切削力降低，切削產(chǎn)生的熱能減少，切削質(zhì)量提高。

（三）微傳熱學(xué)的尺度效應(yīng)，由于切削尺度和切削面積極小，導(dǎo)致切削產(chǎn)生的熱量較為集中，熱量的傳遞并不符合常規(guī)傳熱理論，應(yīng)考慮微觀狀態(tài)下聲子間相互作用和聲子散射等的影響。

二、位錯理論

位錯是指材料晶體中存在的一種具有特殊結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷，位錯主要是用來解釋材料發(fā)生塑性變形的理論。宏觀切削時刀具切削尺度較大，故假設(shè)材料是均勻的、連續(xù)的，因而雖然在宏觀切削時位錯理論雖然也起作用，但是常常被忽略。在微細(xì)切削加工時候，當(dāng)切削的尺度小于晶粒的直徑時，金屬內(nèi)部應(yīng)視為各向異性的、不連續(xù)的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行切削。微細(xì)切削過程可以看做是材料晶格發(fā)生錯位、微裂紋生成以及裂紋擴展的過程。位錯常見的形態(tài)主要有2種，主要包括刃型位錯和螺型位錯，刃型位錯主要是指在立方體結(jié)構(gòu)的晶體中，晶體切應(yīng)力的作用下發(fā)生局部滑移，后又在晶體內(nèi)產(chǎn)生一個多余的半原子面，這種半原子面缺陷稱為位錯。

微細(xì)切削領(lǐng)域利用位錯理論來研究微細(xì)切削時，認(rèn)為位錯在力的作用下需要發(fā)生塑性變形、微裂紋、形成切屑這三個階段。

工件材料發(fā)生塑性變形是加工的初始階段，塑性變形的逐漸增加，在宏觀上將產(chǎn)生加工硬化。工件發(fā)生塑性變形及加工硬化，從微觀上來說既是位錯運動作用的結(jié)果。隨著塑性變形及加工硬化的產(chǎn)生，材料內(nèi)部將出現(xiàn)微裂紋。斯特洛提出了最簡單的裂紋源模式下，位錯塞積群頂端的應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致塞積頭部的幾個位錯聚合形成裂紋源。在外加切應(yīng)力作用下，自位錯源運動的位錯碰到強大的可鎖住的障礙，就形成了塞積群。位錯塞積到足夠數(shù)量時，頂端的位錯被迫盡可能靠近，當(dāng)靠近到一個原子間距時，便形成了一個大位錯，好像在解理面間插入了幾個原子面厚的楔。后面的位錯為了使應(yīng)力得以松弛，相繼進(jìn)入解理面間，增大楔厚，直到形成一個裂紋。

三、最小切削厚度

微細(xì)切削加工中，由于切削的厚度非常小，刀具切削工件時的彈性恢復(fù)量不可忽略，導(dǎo)致了微細(xì)切削最小厚度acmin的存在。如圖3.1，當(dāng)切削厚度ac小于acmin時，切屑將不能形成，刀具與工件之間作用僅僅是使切削層發(fā)生彈性變形，而當(dāng)切削厚度ac超過最小切削厚度acmin時，將會產(chǎn)生切屑，并且刀具與工件之間的相互作用將使工件切削層產(chǎn)生塑性變形，如果切削厚度與最小切削厚度接近或者等于最小切削厚度時，將同時存在彈性變形和塑性變形。

微細(xì)切削刀具的切削刃圓弧半徑在微細(xì)切削中不容忽視，在傳統(tǒng)切削中，由于在切削時切削刃起主要切削作用，故一般忽略刀尖的圓弧半徑對切削的影響，然而當(dāng)每齒進(jìn)給量和切削厚度的逐漸減少到微米級的時候，切削刃圓弧半徑同切削厚度非常接近，切削主要由切削刃圓弧半徑處來完成，故在微細(xì)切削中切削刀具的切削刃圓弧半徑尺寸不但不能忽略，反而起到了一個主導(dǎo)作用。

四、結(jié)論

本文對尺寸效應(yīng)、位錯理論、最小切削厚度等微細(xì)切削理論與常規(guī)切削理論進(jìn)行對比分析，引用了國內(nèi)外的學(xué)術(shù)研究成果，對微細(xì)切削研究有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]石學(xué)誠.微細(xì)銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗研究[D].吉林大學(xué)，2011.