復雜曲面微細零件切削加工研究

摘要：納米技術以及電子技術的出現，為微細加工技術的發展帶來了可能，隨著加工精度要求的提高，復雜曲面微細零件的切削加工技術受到了更多的關注。本文研究了復雜曲面微細零件切削加工的技術，重點介紹了加工的機理以及刀具的選擇和路徑規劃等問題。

關鍵詞：復雜曲面；微細零件；切削加工

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-6675（2013）15-

實現中間尺度和微米機械制造的主要技能就是微細加工。與普通的零件切削加工相比，微細切削不僅在加工尺寸上存在差異，在加工機理上面也有很大的差別。本文主要從微細零件切削加工的機理、大局的選取和路徑規范等方面進行了分析和論證。

一、復雜曲面微細零件切削加工的機理研究

由于切削過程中產生不同厚度的切削屑，與普通的零件切削加工相比，微細切削加工的機理也有很大的不同。舉例來說，進行一個直徑0.1mm的軟鋼微細軸零件的加工，要求精度達到0.01mm，并且只允許在加工過程中產生厚度不超過0.01ram的切屑。我們知道，軟鋼材質中含有很多的晶粒，其大小要用微米來衡量，這就表示要在晶粒內部完成微細切削工作，在切削中只能將晶粒當作一連串不連續的個體來處理。如果是進行普通切削加工，那么吃刀深度就會超過晶粒的尺度，不可能在晶粒中進行切削加工，只能把整個加工體看作是一個連續體。可以看出，普通切削加工與微細切削加工具有截然不同的加工機理。

此外，兩種不同的切削方式中刀具自身感受到的切削力也存在很大的差異。實驗證明，進行軟剛材質的加工時，可以通過剪切阻力與單位面積之間的關系來進行刀具受力情況的分析。軟鋼切削時，在1pm以下的吃刀深度情況下，刀具單位面積會受到極大的切削阻力，可以達到1300kg/mm2左右，與理論上軟鋼的剪切強度1400kg/mm2很相近；如果采用普通切削加工的方式，吃刀深度為0.1mm時，單位面積上的刀具切削阻力會降低到20—30kg/mm2。所以，隨著微細切削加工的單位的減小，由數微米降至亞微米級時，刀刃位置要承受較大的應力，因此刀具單位面積上有大量的熱能產生，導致局部溫度出現極大的升高。所以，從加工設備方面來看，微細切削加工需要的剛度和精密度更高，同時要求微小的進給，對于刀具的要求則是材料強度高，要求材料能夠有很強的耐磨和耐熱性能，可以說對于設備和刀具的要求基本上是一致的。

二、復雜曲面微細零件切削加工的刀具路徑規劃

進行復雜曲面的加工時，有很多生成刀具軌跡的辦法，例如等參數線法、等距偏置法、空間填充法以及層切法等。

等距偏置法是通過邊界曲線來進行等距離線的計算，并作為刀具軌跡線來使用，殘留的最大高度位置決定了間距的大小，同等距離平面法類似，缺點是加工效率方面不盡如人意。比較常見的一種刀具軌跡規劃方法是等參數線法，這個辦法的最大優勢就在于簡單的運算方法，但是因為相鄰兩個刀具軌跡之間的最高殘留位置是進行參數間距計算的唯一依據，同時大部分的曲面在參數方向上具有很大的幾何尺度變化，因此實際上很可能會得到疏密差很大的刀具軌跡，降低切削加工的效率，也會導致加工面質量不均。并且，復雜曲面零件常常包括很多的焊接部分，很容易在曲面參數的方向上出現突然變化，很難保證曲面熔接位置的加工質量。

目前，一些學者開始進行將刀具的軌跡通過空間填充曲線的方式來實現。如果可行的話，那么這種辦法在參數的分布上會更加的均勻，連續性也更好，可以說空過程在切削過程中就基本消失了，大大的減少了刀具軌跡的總長度。但是存在頻繁變換切削方向的問題，會在一定程度上影響到表面的質量，所以現在來說，怎樣將空間填充曲線的方式更好的應用到曲面切削加工工作中來，是未來研究的方向。

復雜曲面切削中，加工工件可以采用分層的方式來進行，常見的有投影法和平行截面法，不過這些辦法都必須有加工曲面的等距面才能實現。層切法是將一組曲面與平行面進行截取，得到的截線就是刀具的運行軌跡。這種方式的不足是進行切面的位置不容易找到，很多時候是通過垂直于平面的坐標軸進行簡化運算得來的。這種辦法進行復雜曲面的加工是好的選擇，因此在進行復雜曲面微小零件的加工時，常常采用的刀具路徑確定方法就是層切法。

三、復雜曲面微細零件切削用量的選擇

切削用量對于微細切削來說具有十分重要的作用，它不僅關系到切削加工的工作效率、加工功率和使用費用，還直接決定著加工零件的表面質量和形位精度，因此切削用量的合理選擇對于維系切削加工意義重大。

切削工作開始之前，一定要對每道工序的切削用量進行確定。要想合理的選用切削用量，就要對可能對切削產生影響的各種因素進行全面的考慮，選擇最好的切削條件。很多因素都會對切削條件造成影響，例如夾具與機床的材料剛度；刀具的生產效率以及使用壽命；機床定位精度；表面的實際粗糙情況以及加工精度；切削進行的深度、速度以及進給率；冷卻和潤滑的主要方式等等。其中，刀具切削的深度和速度以及進給率是最主要的部分，也是最大的微細切削加工影響因素。一般來說，在進行切削用量的選擇之前其他因素就已經確定。

加工效率的直接影響因素就是切削的速度，如果切削的速度太低，就會延長加工的時間，刀具的性能就不能得到好的發揮；如果切削的速度過快，雖然縮短切削時間，但是會讓刀具產生過高的熱量，嚴重損害使用壽命。影響切削速度的因素很多，主要有以下幾個方面，第一是刀具的材質，不同材質自身的特性決定了其能夠進行的切削速度；第二是加工工件的材質，工件的硬度會對刀具的切削速度產生影響，同一刀具，在進行較硬材質工件的切削時應該適當的降低速度，同理進行軟材質工件的加工就可以提高速度；第三是機床的性能，如果加工機床的精度很高，具有很好的剛度，就可以適當的提高速度。反之，就降低速度。進給量一定要在充分了解工件粗糙程度、精度要求、刀具的性質等的基礎上來進行選取，同時也要控制在機床以及數控系統的能力范圍之內。

四、小結

綜上所述，復雜表面切削加工的進行受到很多因素的影響，本文主要從加工機理以及刀具的使用方面來進行研究。在實際的工作中，微細加工事業的發展需要更多的經驗積累，需要更多先進技術的支持。

參考文獻：

[1]蔣欣榮.微細加工技術[M].電子工業出版社，2011.

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