微細切削加工基本理論研究

張欣

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

關鍵詞：微細切削加工；尺寸效應

一、尺寸效應

微細切削與常規切削既有相同點，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，但在常規微細切削加工中，每齒進給量通常比切削刃圓弧半徑小，通常僅為微米，在微細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切削的不同，微細切削加工的切削厚度經常會接近最小切削厚度，甚至比最小切削厚度還要低，有時就會導致無法產生切削的現象，工件僅僅是被“碾壓”過去，產生“犁耕”現象，工件材料表面產生塑性變形，導致不能正常切削。

當切削厚度減小到一定程度時，常規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；假設材料為均勻連續的介質可忽略材料的圍觀結構特性；宏觀上通過假設的溫度場連續而建立的溫度梯度理論等。

微細切削中的尺度效應主要有三個方面：

（一）微表面力學的尺度效應，由于微細切削的尺度非常小，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切削的影響，當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）微摩擦學的尺度效應，微細切削中刀具與工件間的摩擦將產生熱能，由于工件與刀具間的接觸面積比較小，故產生的熱能尤為集中，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，切削產生的熱能減少，切削質量提高。

（三）微傳熱學的尺度效應，由于切削尺度和切削面積極小，導致切削產生的熱量較為集中，熱量的傳遞并不符合常規傳熱理論，應考慮微觀狀態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構內部缺陷，位錯主要是用來解釋材料發生塑性變形的理論。宏觀切削時刀具切削尺度較大，故假設材料是均勻的、連續的，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。在微細切削加工時候，當切削的尺度小于晶粒的直徑時，金屬內部應視為各向異性的、不連續的結構來進行切削。微細切削過程可以看做是材料晶格發生錯位、微裂紋生成以及裂紋擴展的過程。位錯常見的形態主要有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構的晶體中，晶體切應力的作用下發生局部滑移，后又在晶體內產生一個多余的半原子面，這種半原子面缺陷稱為位錯。

微細切削領域利用位錯理論來研究微細切削時，認為位錯在力的作用下需要發生塑性變形、微裂紋、形成切屑這三個階段。

工件材料發生塑性變形是加工的初始階段，塑性變形的逐漸增加，在宏觀上將產生加工硬化。工件發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果。隨著塑性變形及加工硬化的產生，材料內部將出現微裂紋。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力集中，可能導致塞積頭部的幾個位錯聚合形成裂紋源。在外加切應力作用下，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。位錯塞積到足夠數量時，頂端的位錯被迫盡可能靠近，當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力得以松弛，相繼進入解理面間，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量不可忽略，導致了微細切削最小厚度acmin的存在。如圖3.1，當切削厚度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生彈性變形，而當切削厚度ac超過最小切削厚度acmin時，將會產生切屑，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。

微細切削刀具的切削刃圓弧半徑在微細切削中不容忽視，在傳統切削中，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，然而當每齒進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作用。

四、結論

本文對尺寸效應、位錯理論、最小切削厚度等微細切削理論與常規切削理論進行對比分析，引用了國內外的學術研究成果，對微細切削研究有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]石學誠.微細銑削加工工藝參數優化與試驗研究[D].吉林大學，2011.