超精密切削加工的材料去除理論綜述

王 穎，苑澤偉，張幼軍

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)的崛起在機(jī)械加工領(lǐng)域中的表現(xiàn)異常突出。從第二次世界大戰(zhàn)之后，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展讓機(jī)械加工擺脫了人在加工過程中作為加工主導(dǎo)因素的地位，進(jìn)而機(jī)械加工精度在同一時期也大幅提高。美國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家均高度重視采用超精密加工制造技術(shù)。美國DTM?3型和LODTM型金剛石超精密車床的研制成功標(biāo)志著超精密加工技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的開始。洛克斯?jié)h姆精度公司與克萊菲爾德大學(xué)共同研制出一種名為Big Op?tix的新一代精密磨床。日本則將超精密加工作為單獨(dú)的領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，超精密加工技術(shù)理論主要內(nèi)容包括超精密加工機(jī)理及方法、超精密檢測及控制技術(shù)、超精密加工設(shè)備技術(shù)、超精密加工工藝技術(shù)等多個方面。超精密切削加工技術(shù)是多種加工技術(shù)的總稱，其中以超精密單點(diǎn)金剛石加工技術(shù)為代表，包含了從刀具制備和切削技術(shù)的多種加工技術(shù)[1]。隨著加工尺度的不斷縮小至納米級，甚至亞納米級，加工機(jī)理會逐漸發(fā)生變化[2]。傳統(tǒng)的加工理論，不能或不完全能解釋超精密切削加工過程中的現(xiàn)象，進(jìn)而無法改善切削工藝。因此，新的超精密加工理論迫切需要建立或完善。

超精密切削加工目前主要從材料學(xué)和機(jī)械加工兩個方面進(jìn)行研究。從材料學(xué)角度出發(fā)，其材料去除機(jī)理在研究范疇依次劃分為量子力學(xué)、納觀力學(xué)、介觀力學(xué)和宏觀力學(xué)。機(jī)械加工領(lǐng)域中則將切削加工按照各自精度的不同分成三類，分別為：普通切削、精密切削和超精密切削。材料學(xué)以材料本身為研究對象，以材料微觀結(jié)構(gòu)的特征長度為依據(jù)，來劃分材料尺度的大小。機(jī)械加工中則將機(jī)械加工裝備精度劃分為若干等級，在不同精度等級下對應(yīng)著不同的材料尺度。超精密切削加工除了具有部分傳統(tǒng)切削規(guī)律，同時隨著所研究的材料尺度不斷減小，材料和刀具會表現(xiàn)出新的切削特性，從而導(dǎo)致了如尺度效應(yīng)、最小切削厚度等對加工的影響持續(xù)增大。研究超精密切削加工理論對揭示切削加工機(jī)理、優(yōu)化切削參數(shù)、研制超精密加工裝備以及微機(jī)械、微構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造均具有重要指導(dǎo)意義。

2 超精密切削理論模型

2.1 經(jīng)典切削模型

在研究傳統(tǒng)切削加工機(jī)理的過程中，經(jīng)典切削模型，如圖1所示。其在研究不同切削深度下的切屑形式時將切屑總結(jié)成八種典型切屑。該模型僅針對連續(xù)塑形條件下的切削形式進(jìn)行了研究。

圖1 連續(xù)帶狀切屑模型Fig.1 Continuous Banded Chip Model

對該模型的限制條件進(jìn)行了嚴(yán)格的定義：（1）刀具為理想刀具，在已加工件表面無任何接觸點(diǎn)；（2）刀刃在切削過程中的運(yùn)動軌跡為理想直線；（3）剪切面為從刀刃向上延伸出的平面；（4）切屑在與刀具接觸面無塑形流動；（5）切削深度為常數(shù)；（6）刀具寬度大于切削平面寬度；（7）刀具在運(yùn)動過程中為勻速運(yùn)動；（8）切屑為連續(xù)切屑無裂紋；（9）剪切應(yīng)力與拉壓應(yīng)力在剪切平面和刀具表面為均勻分布[3]。

2.2 剪切塑性變形模型

為研究剪切面的塑性變形過程，“切片組”模型被廣泛用來作為研究切屑剪切變形的一種方法，如圖2所示。該模型能夠很好的解釋切屑的滑移變形及鋸齒形切屑的形成機(jī)理，但同樣也需要上述假設(shè)條件的限制。

圖2 Cook剪切變形模型Fig.2 Cook Shear Deformation Model

在種種限制下經(jīng)典切削模型和剪切塑性變形模型的應(yīng)用場景受到了很大程度的限制。其不僅無法解釋微小尺度下的切削過程，而且在宏觀尺度中往往也無法準(zhǔn)確描述切削中的材料去除過程。這就迫使研究者們逐漸開始考慮更多因素，不斷打破上述的各種應(yīng)用條件的限制。

2.3 切削能量耗散模型

切削能量耗散模型考慮了在微小切削深度下的能量耗散，并認(rèn)為在刀具表面是非均勻分布的。耗散模型中各個區(qū)域能量耗散的分布，如圖3所示。

圖3 切削能量耗散模型Fig.3 Cutting Energy Dissipation Model

圖中刀具能量耗散主要過程包括了三個部分：（1）前刀面與切屑、后刀面與工件的接觸表面之間的塑性流動；（2）切屑形成時的剪切塑性應(yīng)變；（3）刀具前部的裂紋擴(kuò)展。該模型基于能量守恒理論，使用范圍廣，適用加工方式多，是計(jì)算切削力常用的計(jì)算模型。

2.4 納米尺度切削模型

材料尺度不斷減小至1nm以下時，被去除的材料層僅包含幾個或十幾個原子，此時切屑便不能將被切削材料視為一種連續(xù)體。通過解析法（力、熱、能量學(xué)）、有限元法、分子動力學(xué)法、試驗(yàn)方法、多種方法結(jié)合等方法，模擬各種材料分子、原子間鍵的切斷與結(jié)合，分析材料原子或分子的去除過程[4]。分子動力學(xué)是分析分子間作用力的主要理論。

納米尺度切削去除機(jī)理可以從三個方面進(jìn)行研究：（1）對納米尺度下的去除機(jī)理模型和理論體系進(jìn)行創(chuàng)新；（2）研究如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的納米切削；（3）納米尺度下不同種類材料的切削變形和材料去除機(jī)制[5]。目前新的分子動力學(xué)理論在逐步發(fā)展，如重構(gòu)分子動力學(xué)RMD和在其基礎(chǔ)上發(fā)展的重構(gòu)組合分子動力學(xué)RGMD等理論的提出，提高了分子動力學(xué)仿真規(guī)模，將應(yīng)用領(lǐng)域提高至微米級，逐漸填補(bǔ)從納米至微米尺度之間的研究空白。納米機(jī)床技術(shù)逐漸成熟，為納米級加工技術(shù)完善提供了應(yīng)用平臺。利用分子動力學(xué)理論構(gòu)建穩(wěn)定切削模型，通過納米機(jī)床分析驗(yàn)證切削模型，并通過原子力顯微鏡觀測加工結(jié)果，分析加工現(xiàn)象并確定新的研究內(nèi)容，是未來一段時間逐步提高納米加工技術(shù)穩(wěn)定性的主要研究手段。納米尺度下研究的材料種類伴隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展，會不斷豐富。從單晶金屬材料如單晶銅、單晶鋁、單晶鍺等，到單晶非金屬材料如單晶硅、單晶碳化硅[6]等，然后到目前十分關(guān)注的石墨烯[7]等，無一不是材料制備技術(shù)的不斷突破，推動著納米切削模型的發(fā)展。納米尺度切削模型有著其鮮明的特點(diǎn)，其理論基礎(chǔ)、材料制備、加工技術(shù)等都與納米尺度切削模型的發(fā)展息息相關(guān)。

3 超精密切削理論中材料學(xué)因素

在整個切削過程中，工件和刀具之間是直接作用并完成整個切削過程的全部參與者。其它切削要素如切削速度、切削厚度、刀具振動等都是通過作用在工件或刀具上進(jìn)而影響切削過程的，是間接的影響因素。

3.1 材料脆-塑性臨界深度

一般認(rèn)為材料去除機(jī)理包括以下兩個部分：脆性斷裂和塑性變形?；谶@種情況，刀尖部分不會與材料接觸，而是利用脆性斷裂的裂紋去除材料，這種去除方式包含多種材料損傷形式，如空隙、裂紋的形成和延展、剝落及碎裂等。塑性變形的去除過程本質(zhì)上說是材料的塑性應(yīng)變過程，包括滑擦、耕犁和切屑成形。

超精密切削深度的切削模型主要考慮了材料中的金相組織結(jié)構(gòu)與刀具鈍圓半徑的相互影響，以及切屑的形成和形態(tài)、切削厚度、刀具鈍圓半徑之間的關(guān)系，如圖4、圖5所示。

圖4 考慮材料金相組織的切削模型Fig.4 Cutting Model Considering the Metallographic Structure of the Material

圖5 擠壓塑性應(yīng)變模型Fig.5 Extrusion Plastic Strain Model

超精密切削中在切削厚度遠(yuǎn)大于刀具鈍圓半徑時，刀具可看作理想的幾何形狀，被切削材料則視為由金屬結(jié)晶連接起來形成的。晶核內(nèi)往往在刀具尖部會出現(xiàn)裂紋，呈現(xiàn)脆性特性。進(jìn)一步減小切削厚度直至小于刀具鈍圓半徑時，被加工材料主要表現(xiàn)為塑性特性。被加工材料由于刀具的擠壓一部分會從刀具下部通過沒有被去除，而另一部分則會在刀具前端堆積，進(jìn)而形成切屑。切削加工中可以通過改變刀具與切削要素來實(shí)現(xiàn)對材料脆?塑性的控制，而確定材料的脆?塑性轉(zhuǎn)變的界限成為一項(xiàng)研究的重點(diǎn)。耿瑞文等人利用劃刻實(shí)驗(yàn)，提出了一種適用于計(jì)算單晶鍺的脆?塑轉(zhuǎn)變臨界深度模型，其脆?塑轉(zhuǎn)變臨界深度為489nm[8]。該研究將材料的脆性和塑性統(tǒng)一起來，可以通過確定不同材料的臨界深度進(jìn)而利用材料的脆?塑性達(dá)到不同的加工目的。但是針對不同的加工材料需要測定不同的臨界深度，目前還不夠完善。

3.2 材料各向異性

研究發(fā)現(xiàn)在切削過程中的切削方向會影響切削加工工件表面上的粗糙度，該現(xiàn)象是由于金屬材料的原子排列具有方向性。刀具在不同方向上進(jìn)行切削時，原子產(chǎn)生位錯的難易程度會有所不同，導(dǎo)致加工表面粗糙度的變化。文獻(xiàn)[9]為觀察積屑瘤在原子層面上的產(chǎn)生過程與材料各向異性之間的關(guān)系，利用原子力顯微鏡觀察到在特定的切削方向下，積屑瘤不會持續(xù)性地存在于加工刀具前端，而是會脫落并嵌入已有的加工表面上，從而導(dǎo)致了突出物的產(chǎn)生，如圖6所示。該現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)說明材料自身各向異性對切削過程有著不可忽視的作用。為研究在非均勻材料加工和材料缺陷影響下的超精密切削特性，楊曉京等對微納米尺度單晶銅各向異性表面切削特性進(jìn)行研究，并通過試驗(yàn)研究得出：隨著材料劃刻速度的不斷增大，切削力達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著載荷的不斷增大，切削力也隨之增大，導(dǎo)致相應(yīng)的摩擦系數(shù)增大[10]。

圖6 加工表面上產(chǎn)生的突出物Fig.6 Protrusions on the Machined Surface

而加工過程中摩擦建模是研究人員面臨的最重要和最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。文獻(xiàn)[11]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)金屬材料在正常切削條件下其慣性項(xiàng)可以不予考慮，同時加工表面形成的能量也可以忽略不計(jì)，從而簡化了摩擦模型，這種觀點(diǎn)也被人們廣為接受。

3.3 新型材料特性

傳統(tǒng)超精密切削模型的摩擦建模都是基于刀具表面形成的雙體摩擦模型。文獻(xiàn)[12]分析復(fù)合材料的切削磨損后，認(rèn)為由于Al∕SiCp等復(fù)合材料中存在增強(qiáng)材料，不能用傳統(tǒng)雙體摩擦模型解釋，建立了三體切削摩擦模型，為復(fù)合材料超精密切削研究提供了新的思路，如圖7所示。

圖7 復(fù)合材料切削的三體磨損Fig.7 Three?Body Wear in Composite Cutting

在新材料應(yīng)用中，利用鑄鐵纖維結(jié)合傳統(tǒng)加工方法開發(fā)出了新型CIFB?D 砂輪，該技術(shù)利用鑄鐵纖維粘結(jié)金剛石砂輪，并集成了加工中心和車削中心的特點(diǎn)。該技術(shù)的發(fā)展極大地改善了精密螺栓的性能，并且在生產(chǎn)中得到重視。該加工技術(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到微米級甚至納米級精度，在該尺度下分子和原子間作用力將大大影響加工質(zhì)量。加工領(lǐng)域中除針對傳統(tǒng)加工材料需要不斷創(chuàng)新以適應(yīng)不斷升級的需求外，還需要為新材料設(shè)計(jì)制定加工方法。這就需要針對新的材料特性進(jìn)行分析，提出新的加工原理，改進(jìn)加工方法，促進(jìn)加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

4 超精密切削理論對切削力預(yù)測

在超精密切削中，諸多參數(shù)影響切削力，其中刀具參數(shù)、材料塑性流動及刀具振動是最主要的影響因素。在超精密切削實(shí)驗(yàn)中切削熱和加工表面質(zhì)量有著密切的關(guān)系，尤其在納米級材料去除過程中，預(yù)測切削力大小可以準(zhǔn)確評估切削功率，進(jìn)而控制切削熱，保證切削穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量[13]。增大切削力的同時保證切削力的穩(wěn)定性意味著提高加工效率的同時還能保證切削加工精度。準(zhǔn)確預(yù)測切削力需要對切削加工過程機(jī)理有著深刻的認(rèn)識，建立合適的切削模型，并考慮切削的各個主要因素。目前，切削力的預(yù)測方法主要有三種：實(shí)驗(yàn)擬合、數(shù)值計(jì)算和有限元仿真。

4.1 實(shí)驗(yàn)擬合

經(jīng)驗(yàn)公式一般采用正交實(shí)驗(yàn)的方法得到不同切削用量時切削力大小并通過數(shù)值擬合得到。王明海等將熱解石墨視為各向同性材料，分析了切削要素對其切削力的影響程度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析優(yōu)化石墨的切削力計(jì)算公式[14]。

通過實(shí)驗(yàn)擬合得到的切削力公式在實(shí)際加工過程中應(yīng)用性較高，但是其適用范圍較窄。不同材料和不同刀具需要采用不同的切削力公式。切削過程中的切削要素影響著切削力大小，切削力同時也會受到材料塑性變形和應(yīng)變的影響。刀具和材料的相互作用體現(xiàn)在兩者的滑動速度、摩擦系數(shù)、溫升效應(yīng)等。

4.2 數(shù)值計(jì)算

材料自身強(qiáng)度和韌性是刀具切削過程中切削力的根本來源，因此需要通過計(jì)算材料形變和應(yīng)變能計(jì)算切削力。切削過程中材料形成切屑的過程是材料屈服的過程。

文獻(xiàn)[15]考慮SiC 顆粒在切削鋁基體時摩擦形式的變化，分析了SiC 顆粒在材料去除過程中的壓入、拔出、脆斷等行為對摩擦系數(shù)的影響，準(zhǔn)確預(yù)測出SiCp∕Al 復(fù)合材料車削時的切削力，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對切削力的影響可以考慮材料去除過程中的彈塑性變形、材料斷裂和熱力學(xué)等相關(guān)理論。這些模型計(jì)算切削力主要是通過分析研究刀具切屑在形成過程的刀具前角和剪切角之間的關(guān)系，若刀具切削刃為空間曲面，可以利用網(wǎng)格法將切削刃分解為多個二維切削模型，通過累加得到總的切削力。

4.3 有限元分析

有限元方法在超精密切削領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，用于分析在超精密切削下的切削特性。文獻(xiàn)[16]利用標(biāo)準(zhǔn)的有限分析軟件和一個專用的網(wǎng)格生成器，將切屑與常規(guī)的四邊形單元完全匹配，對切屑的剪切區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，得到了絕熱剪切帶形成過程的應(yīng)變與應(yīng)力分布以及切屑形態(tài)。研究材料去除過程發(fā)現(xiàn)，剪切帶從刀尖開始形成第一變形區(qū)域，在切屑的背面形成第二變形區(qū)域，并且兩個區(qū)域是連接在一起的。

變形區(qū)域會隨著刀具的移動逐漸變窄，所有形變都集中在非常小的剪切帶中。文獻(xiàn)[17]通過有限元分析不連續(xù)切屑的形成機(jī)理，利用Johnson?Cook（JC）本構(gòu)模型對工件材料去除過程中的裂紋形成和擴(kuò)展進(jìn)行模擬，結(jié)果表明導(dǎo)致不連續(xù)切屑的裂紋是刀具前刀面和切削刃上方產(chǎn)生的內(nèi)部裂紋，而不是從接觸表面萌生的裂紋。

PMMA作為一種易于加工和觀察的高分子材料，常常被用來研究切削時的材料去除過程。文獻(xiàn)[18]將絕熱剪切模型與Richet?on提出的本構(gòu)模型結(jié)合，用于研究PMMA的塑性特性。文獻(xiàn)[19]通過拉伸實(shí)驗(yàn)得到了PMMA的應(yīng)力?應(yīng)變圖，為有限元分析PMMA在高應(yīng)變率條件下塑性變形行為提供了依據(jù)。有限元仿真分析能夠?qū)θ我獠牧虾腿我饧庸し绞竭M(jìn)行仿真，并且能夠引入多種非線性因素，準(zhǔn)確模擬超精密加工過程。

5 結(jié)論

從經(jīng)典切削模型到目前的超精密切削模型，研究的內(nèi)容逐漸豐富。從早期模型僅僅分析材料的剪切應(yīng)變，發(fā)展到包含了刀具后刀面和前刀面摩擦剪切應(yīng)變分析的能量耗散模型，再到考慮材料與刀具所有接觸表面摩擦的切削摩擦模型。超精密切削理論仍需要不斷豐富。

（1）基于能量法的切削理論模型能夠反映不同形式能量在材料內(nèi)不斷積累和釋放的過程，可以結(jié)合多種非線性因素，更為準(zhǔn)確地預(yù)測切削力；（2）考慮材料的非線性因素和材料在不同尺度的特性，進(jìn)而改進(jìn)和創(chuàng)新理論模型，在一段時間內(nèi)仍是主要的研究方向；（3）納米尺度切削模型會隨著納米材料技術(shù)和納米加工技術(shù)的發(fā)展，在新材料、新工藝中有著廣闊的應(yīng)用前景，代表著超精密加工技術(shù)的未來；（4）有限元計(jì)算方法不斷創(chuàng)新發(fā)展，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比較存在著很大的優(yōu)勢，尤其是復(fù)雜問題的求解方面。數(shù)值求解方法的發(fā)展可以促進(jìn)切削機(jī)理，豐富有限元方法的理論基礎(chǔ)，有著不可替代的作用。