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微切削加工技術(下)

時間:2011-04-16 09:39:33 來源:未知

5 微切削機理

微切削機理的研究對于合理選擇切削參數(shù)、保證微切削加工質量、降低生產成本、提高生產率有著十分重要的意義。微切削時，由于工件尺寸微小，從強度、剛度上來說都不允許采用較大的切削深度和進給量，同時為保證工件尺寸精度的要求，最終精加工的表面切除層厚度必須小于其精度值，因此切削用量必須很小，如切削深度有時小于材料的晶粒直徑，使得切削只能在晶粒內進行，這時的切削相當于對一個個不連續(xù)體進行切削，切削的物理實質是切斷材料分子、原子間的結合，實現(xiàn)原子或分子的去除，因而傳統(tǒng)的以連續(xù)介質力學為基礎的切削理論已不適于微切削，所以，微切削機理的研究需要采用與傳統(tǒng)塑性理論不同的方法進行研究。應變梯度塑性理論是傳統(tǒng)塑性理論的推廣和完善，是連接經典塑性力學理論與原子模擬之間的必要橋梁。近年來已發(fā)展起來多種應變梯度塑性理論，較為典型的有CS(couple stress)應變梯度塑性理論、SG(stretch and rotation gradients)應變梯度塑性理論和MSG(mechanism - based strain gradient)應變梯度塑性理論。應變梯度理論的最基本的關系———等效應變可描述為
(1)

式中，εe為傳統(tǒng)等效應變；ηijk和xijk分別為應變梯度和變形率；lg和lR分別為表征材料伸縮梯度之強度和轉動梯度之強度的參量；μ(1 到2 之間取值)為表征幾何位錯和統(tǒng)計位錯的特征。
采用應變梯度理論，可以預測出尺度效應和位錯影響，獲得與試驗相吻合的結果，在微機械與微構件領域已成功分析了微米壓痕、裂紋尖端場、界面裂紋、細絲扭轉與微薄梁彎曲等問題，并開始在微成型研究中得到應用，采用應變梯度塑性理論研究微切削變形將是微切削機理研究的方向。另外，微切削時的主軸轉速一般都非常高，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，將高速精密切削機理的研究成果應用到微切削領域也是微切削研究的趨勢。
  1. 微切削機理的模擬仿真
    主要利用有限元技術和分子動力學方法，有限元技術以連續(xù)介質力學為基礎，因此分子動力學方法更適用于微切削。采用分子動力學方法對微切削機理的模擬仿真研究在世界范圍內已開展了十幾年，研究工作主要是建立原子、分子尺度的切削模型，從原子、分子角度去理解切屑和表面形成過程，解釋材料性能、刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對微切削應力與應變分布、切削力、切削溫度和已加工表面質量等的影響。
  2. 最小切削厚度
    能穩(wěn)定切削的最小有效切削厚度稱為最小切削厚度。微切削中的切屑形態(tài)、切削力、切削穩(wěn)定性、工件材料的微量加工性、切削用量的合理選擇、加工表面質量等都受最小切削厚度的影響，因此最小切削厚度的研究對于微切削意義重大。微切削可以達到的最小切削厚度與刀具刃口的圓弧半徑、工件材料的物理力學性能、微觀組織結構及第三變形區(qū)刀具—工件間的摩擦系數(shù)等有關。由于最小切削厚度的影響因素較多，較難確定最小切削厚度，在生產實際中一般根據(jù)刀具刃口圓弧半徑的大小來確定最小切削厚度。研究表明：最小切削厚度與刀具刃口圓弧半徑成正比關系，比例系數(shù)與刀具和工件材料副有關，一般為0.165～0.246，如刀具刃口半徑為50nm，要實現(xiàn)切削厚度極小的超薄微切削，此時的最小切削厚度約為10nm。
  3. 切屑形態(tài)
    只有當微切削的切削深度大于最小切削厚度時才能產生切屑。與普通切削相似，微切削的切屑有三種形態(tài)：連續(xù)狀切屑、非連續(xù)狀切屑和伴隨積屑瘤的切屑。切屑的形態(tài)與工件材料的性能、切削速度、切削變形等有關。
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  4. 微切削力
    微切削時的切削力較小，但單位切削力較大，且切深抗力大于主切削力。切削力隨切削深度的減小而增大，且在切深很小時切削力會急劇增大，這就是切削力的尺寸效應。切削力尺寸效應的存在使得普通切削的切削力模型已不適合于微切削。切削力的尺寸效應與刀具刃口半徑關系密切，由于刃口圓弧半徑的存在，切削刃在微量切削時形成一個較大的負前角，使切削變形增大，切削時的單位切削力增大。如切削深度進一步減小時，切削有可能在晶粒內部進行，此時，切削力必須大于晶體內部的分子、原子結合力，因而使單位切削面積上的切削力急劇增大。微切削時的切削力還與晶向和晶界有關。
  5. 切削溫度
    由于微切削的切削用量較小，因此與傳統(tǒng)切削相比，微切削的切削溫度較低。對于精度要求較高的微加工來說，加工溫度的變化對加工精度的影響是不能忽略的，同時切削溫度對微切削刀具磨損的影響也不能忽視。
  6. 工件材料的微量加工性
    工件材料的去除過程不僅取決于切削刀具，同時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納米級表面粗糙度及在某一加工距離上對刀具磨損的可忽略性來定義。影響工件材料微量加工性的因素包括被工件材料與刀具材料的親合性(化學反應)、工件材料本身的晶體結構、位錯、缺陷分布和熱處理狀態(tài)等(如多晶體材料的各向異性對零件加工表面完整性具有較大影響)。
  7. 刀具變形
    刀具的剛性對微切削加工過程有相當程度的影響，如銑削加工中當?shù)毒邉傂圆蛔銜r，在加工過程中會使加工精度變差，嚴重時會使微立銑刀斷裂。微立銑刀的刀具變形為
    d=F·L3/(3·E·I)
    式中d為立銑刀的徑向變形量；F為徑向切削力；L為刀具伸出長度；E為刀具材料的彈性模量；I(I=pD4/64，D為立銑刀的等效直徑)為刀具的極慣性矩。
  8. 表面粗糙度與切削穩(wěn)定性
    工件表面形貌是由于刀具的輪廓映射到工件上的結果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之間相對運動的精度及刀具刃口形狀決定。微切削時，如果切削深度小于工件材料的晶粒直徑，相當于對一個個不連續(xù)體進行切削，工件材料的微觀缺陷以及材質分布的不均勻性等使刀具在微切削時的切削力變化較大，使切削刃受到較大的沖擊和振動。微細切削中的振動對加工表面質量的影響不容忽略。
  9. 毛刺
    毛刺是切削加工后在工件表面由于塑性變形所產生的微小突出物。毛刺的存在會影響零件的配合，降低工件的尺寸精度和表面質量。使用帶毛刺的零件會帶來安全隱患，特別是在某些特殊場合，如航空航天等領域。因此，必須增加去毛刺工序，去毛刺的方法有機械法、熱能法、化學法、電解法、電化學法、研磨法等。
  10. 積屑瘤
    微切削時積屑瘤在加工中的影響不容忽視，冷焊在刀刃上的積屑瘤會造成刀具幾何角度發(fā)生變化，影響切削力和切削變形，積屑瘤還會影響加工表面粗糙度。積屑瘤的產生受刀刃的微觀缺陷、切削速度以及進給量的影響。在微切削時，切削速度越低積屑瘤越高，進給量越小積屑瘤也越高。
  11. 刀具磨損
    與普通切削相似，微切削刀具的失效也有兩種形式：磨損和崩刃破損。三個變形區(qū)的變形，尤其是第三變形區(qū)的刀具—工件間的摩擦以及由于被加工表面的彈性恢復會引起刀具機械磨損。開始切削時，刀具存在初始微磨損，在切削一段時間后，刀具磨損會逐漸加劇，有時甚至會突然惡化。刀具磨損主要發(fā)生在刀具的前、后刀面上。由于氧化、擴散等作用，刀具也會產生熱化學磨損。崩刃破損是當?shù)毒呷锌谏系膽Τ^刀具材料的局部承受力時發(fā)生的，是最難預測和控制的損傷，而且對加工表面質量的影響比前、后刀面磨損的影響要大。降低切削溫度可有效減少刀具磨損。

#p#分頁標題#e#6 微切削CAD/CAM技術

Cimatron E是適用于微切削的商用CAD/CAM軟件，主要用于微銑削。從2003年4月份開始，歐洲金融共同體開始資助CRAFT，歷時24個月對微型塑料組件的注射模具進行了微銑削研究。該項目涉及微型加工技術的整個過程，參加該項目的機構包括Fraunhofer Institute of Production Technology(IPT)、CAD/CAM軟件供應商Cimatron Gmbh、銑削機床商Kern、刀具制造商Magafor以及模具制造商Promolding B V Structoform和MMT AG)。模具材料的硬度為53HRC，微型模具銑削的精度<5µm，曲面粗糙度Ra<0.2µm。刀具制造商提供的刀具直徑最小達50µm，銑削機床商提供的微切削機床主軸最高轉速達到160000rpm，CAD/CAM 軟件供應商提供適用于微切削的Cimatron E軟件。
與單純實體建模不同，Cimatron E的實體曲面混合建模技術利用“為制造而設計”的CAD功能來修復幾何模型，通過各種曲面功能融合縫隙并變成實體，其ACIS內核技術提供高達1nm的內部精度，以滿足微銑削的特殊要求。為了降低風險，防止換刀過程中產生的不連續(xù)微型曲面，Cimatron E可提供多種微銑削加工策略。NC策略中支持斜線或螺旋下刀保證刀具最大限度光滑和連續(xù)地進入工件。加工過程中通過應用高速切削(HSC)策略獲得均勻一致的刀路，并使用毛坯殘留知識防止斷刀，以對微型型腔進行開粗。Cimatron E的微銑削技術通過識別真實的殘留微型毛坯以及具有同樣功能的開粗、二次開粗、精加工微和擺線開粗等加工策略保證刀路軌跡高效安全。高硬度材料且加工質量要求高的曲面5軸聯(lián)動切削時需要非常小直徑的短錐型刀具進行。
圖9 微銑削加工的微型模具
為了滿足高速微細銑削的要求，Cimatron E采用了多種高速銑削加工策略，如角部圓角連接、零重疊擺線精加工、S連刀和螺旋下刀、自適應Z層精加工和流線加工。Cimatron E也支持樣條逼近加工和流線銑削，減少加工時間，降低刀具磨損和破損。圖9 所示為利用Cimatron E 微銑削加工的微型模具。

7 微切削加工技術的發(fā)展展望

微型機械是一個重要的發(fā)展方向，應用前景很好，國內外都非常關注這一領域的研究，微切削加工技術是微型機械制造領域最活躍的研究方向之一。
目前微小型機械加工工藝與設備研究整體上還處于探索階段，尚未形成完整成熟的技術體系和規(guī)模制造的技術能力。預計未來15年左右，微小制造工藝與相關設備技術將得到迅速發(fā)展，尤其在微小型武器、微小型醫(yī)用器械、仿生器械、探測器械、航空航天器械等方面將得到廣泛應用。在微切削方面今后應重視以下課題的研究，以促進微切削技術的生產應用。
  1. 微切削應用基礎研究包括微型零件切削加工裝備關鍵技術的研究，主要研究高速主軸系統(tǒng)，精密工作臺的定位、運動及控制技術，復合微切削加工設備與技術；微切削刀具材料和刀具制作技術的研究；微切削刀具、工件的快速裝夾、測試及微切削加工過程的監(jiān)控技術。
  2. 微切削機理的研究主要研究熱—力耦合應力作用下的微切削不均勻變形場，研究微尺度下工件材料的本構方程，分析微切削變形區(qū)的尺寸效應、不均勻應變、位錯等對剪切變形應力和剪切變形能的影響；研究最小切削厚度對切屑形態(tài)、已加工表面形成、切削力、切削溫度等的影響及工件材料微觀組織結構對表面粗糙度和次表面損傷的影響，建立微切削加工理論和技術體系；研究多尺度微細切削模擬仿真技術，奠定微切削加工技術的應用基礎。
  3. 微切削工藝研究包括各種新材料如鋼鐵、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、陶瓷和其它非金屬材料及各種復合材料的微切削加工工藝，微切削CAD/CAM技術。
  4. 微切削加工技術的經濟性和可靠性研究。
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