微切削加工單位切削力及表面加工質量的尺寸效應研究.pdf

1、隨著微電子工業(yè)、醫(yī)療設備、生物工程、國防工業(yè)和航空航天技術的不斷發(fā)展，毫米或微米級別的微小零部件的形狀越來越復雜，要其實現的功能越來越多，材料種類越來越豐富，對其可靠性要求越來越高。不同于刻蝕技術、薄膜技術和LIGA技術，微切削加工技術可以快速高精度低成本地制造復雜三維微小零件，有著廣闊的應用前景。最小切削厚度、單位切削力的尺寸效應和表面完整性的尺寸效應是微切削加工中的主要現象，深入研究微切削加工過程中的材料變形機理，有助于理解微切削過

2、程中的特有現象，提高微切削加工質量。
　　 微切削加工中，隨著切削厚度的減小，切削刃刃口圓弧半徑和切削厚度在同一數量級，切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值成為影響微切削過程的重要因素。文章基于滑移線場法分析微切削中工件材料的變形，研究單位切削力尺寸效應的產生機理，闡述單位切削力對表面完整性、毛刺高度的尺寸效應的影響機理，建立微銑削單位切削力模型，分析微銑削頂端毛刺的影響因素及影響規(guī)律。
　　 首先，基于滑移線場理論建立考

3、慮切削刃刃口圓弧的微切削力模型，計算不同切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑比值條件下的直角微切削力和單位切削力，并進行實驗驗證。研究發(fā)現:微切削力隨著切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑比值的減小而逐漸減小，而單位切削力逐漸增大。收集直角微切削產生的切屑并測量變形后的切屑厚度，發(fā)現在刀具前刀面的堆積作用下切屑變形系數表現出明顯的尺寸效應。隨著切削厚度的減小，工件材料主剪切區(qū)的剪切應變、剪切應變率和剪切溫度都逐漸增大，表現出明顯的尺寸效應;隨著切削厚度

4、的減小，塑性應變梯度強化效應越來越大，由于溫度的軟化效應，工件材料主剪切區(qū)的流動應力越來越小，二者共同導致塑性應變梯度硬化系數越來越大;由于切削刃刃口圓弧的存在，使得微切削的變形路徑增長，相對切削長度表現出明顯的尺寸效應現象;同時切削刃刃口圓弧對前下方的工件有很強的擠壓作用，這也是影響微切削單位切削力的重要因素。
　　 其次，基于切削刃刃口圓弧附近材料的單位切削力變化分析微車削加工表面完整性尺寸效應的產生機理。隨著切削厚度和刃口

5、圓弧半徑比值的減小，切削刃刃口圓弧附近工件材料的單位切削力逐漸增大，材料的流動性逐漸增強，工件材料發(fā)生側流并在刀具的前刀面和后刀面附近堆積，當前、后刀面堆積的高度與進給量達到平衡時，獲得最佳的微車削表面粗糙度。微切削加工中，微刀具以較大的有效負前角擠壓-剪切工件材料，已加工表面先受到前刀面的擠壓，后受到后刀面的擠壓。微切削中已加工表面的顯微硬度隨著切削厚度和刃口圓弧半徑比值的減小先減小后增大，當前、后刀面作用的應力相等時，已加工表面的顯

6、微硬度值最小。
　　 然后，分析切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值對微切削毛刺高度的影響。切削刃刃口圓弧附近的工件材料在微刀具刃口圓弧擠壓作用下發(fā)生側流，形成泊松毛刺（切入毛刺和兩側毛刺）。當切削厚度小于切削刃刃口圓弧半徑時，泊松毛刺的高度隨著切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值減小而急劇增大;當切削厚度大于切削刃刃口圓弧半徑時，由于切削刃刃口圓弧附近的壓力恒定不變，泊松毛刺的高度沒有變化。切出毛刺是由微切削刀具推擠殘留在工件邊緣

7、的切屑形成。由于單位切削力尺寸效應的影響，微切削中殘留部分毛刺的高度增大。微切削的切出毛刺是一種新型卷曲毛刺，卷曲半徑隨著切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值先減小后增大，在切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值等于1時達到最小，導致切出毛刺的總高度表現出明顯的尺寸效應。
　　 最后，分析工件材料微銑削去除過程，建立包含尺寸效應的微銑削單位切削力模型，分析銑削參數（每齒進給量和軸向切削深度）、刀具參數（微銑刀直徑和螺旋角角度）和銑削方

8、式對單位切削力的影響。微銑削由于刀具螺旋角的影響使得切削方式發(fā)生轉變，材料的去除機理不同于二維直角微切削。隨著每齒進給量的減小，瞬時切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值減小，三維單位切削力隨著每齒進給量的減小而增大;隨著軸向切削深度的減小，位于切入角度和切出角度區(qū)域的切削刃比例增加，三維單位切削力緩慢增大;隨著微銑刀螺旋角的減小，徑向和切向單位切削力逐漸增大，軸向的單位切削力逐漸減小;隨著微銑刀直徑的減小，三維單位切削力逐漸緩慢減小，變化

9、趨勢不明顯;隨著徑向切削寬度的減小，徑向的單位切削力逐漸增大，逆銑方式大于順銑方式，切向的單位切削力逐漸減小，逆銑方式小于順銑方式，軸向的單位切削力逐漸增大，兩種方式差別不大。通過微銑削試驗分析銑削參數、刀具參數和銑削方式對微銑削頂端毛刺的影響。由于毛刺卷曲半徑的影響，頂端毛刺高度隨著每齒進給量減小先減小后增大;由于參與切削的切削刃長度縮短，頂端毛刺高度隨著軸向切深的減小而逐漸減小;當切削刃刃口圓弧半徑和每齒進給量相等時，頂端毛刺高度最