微切削理論及相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及趨勢

張棉好 劉智強

（浙江師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究中心，浙江 金華 321000）

1 微切削加工范疇

隨著人們擴(kuò)大生存空間和移動方便的需要，微細(xì)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，目前已進(jìn)入國防、航空航天、計量檢測、生物醫(yī)學(xué)、電子與計算機(jī)和儀器科學(xué)等多個領(lǐng)域。微切削技術(shù)以其良好的適應(yīng)性及高的生產(chǎn)率廣泛應(yīng)用于微細(xì)產(chǎn)品的加工中。近二十年來，各國的研究者對微切削尺度范疇定義并不統(tǒng)一，主要有以下觀點：

（1）微切削指加工尺寸在1 mm 以下、精度為0.01～0.001 mm 零件的切削加工。

（2）T.MasuzaWa 定義微切削為切削厚度小于999 μm 的切削過程［1］。試驗中他把切削厚度選擇在1～200 μm。

（3）國際生產(chǎn)工程協(xié)會CIRP 物理化學(xué)科學(xué)制造過程會議把加工尺度定義在1～500 μm［2］。

（4）A.Simoneau 認(rèn)為微切削定義應(yīng)從切削特點上真正反映微切削與宏觀切削的分別，即尺度效應(yīng)的出現(xiàn)［3］。

（5）Subbiah.S 認(rèn)為微切削是以下三種情況下的微量材料去除過程：一是微小產(chǎn)品及部件的加工過程；二是制造大型工件上的微小、復(fù)雜結(jié)構(gòu)；三是在大型工件上制造精密的光滑表面。因此微切削并不完全需要微小尺寸的刀具，用宏觀切削中的刀具也可以做到微切削［4］。各種加工方法尺度如圖1 所示。

2 微切削理論的研究現(xiàn)狀

微切削加工與常規(guī)切削加工相似，即用刀具以機(jī)械切削方法加工工件表面，但因微切削加工中工件尺寸微小而顯露出不同的特性。微切削切屑形成理論從宏觀精密切削加工較硬的鋼而得出，主要包括以下幾個方面：

2.1 切屑變形和最小切削厚度

微切削過程中，由于切削厚度值微小，刀具切削刃刀尖半徑對加工影響較大。如圖2 所示，切削時切削層沿Od 線與金屬基體分離形成切屑，O 點為切屑分界點，O 點以上的待切削層金屬沿OP 滑移之后沿刀具切削刃鈍圓OG、刀具前刀面GH 摩擦流出形成切屑。O 點以下待切削層金屬一部分?jǐn)D過刀具切削刃鈍圓OM 下方并發(fā)生摩擦，再沿后刀面MN 摩擦，然后流出形成已加工表面；另一部分做側(cè)向塑性流動。微切削時在刀具前方形成塑性變形區(qū)，此區(qū)深入到切削線ab 以內(nèi)一定深度，這樣，加工表面的金屬也產(chǎn)生塑性變形。被切金屬在O 點以下的刀具切削刃鈍圓圓弧擠壓作用下發(fā)生變形，并且已變形的金屬又受到Δr 及Δl 的擠壓和摩擦進(jìn)一步發(fā)生變形。

微切削加工，刀具切削刃鈍圓半徑應(yīng)大于最小切削厚度。當(dāng)?shù)度锈g圓半徑稍大于最小切削厚度hm時，切削的剪切變形往往發(fā)生于刀具的刃口鈍圓處，切削時出現(xiàn)負(fù)前角而產(chǎn)生較大的切削力和切削變形。切削力的增大加速了刀具的磨損并易產(chǎn)生積屑瘤。當(dāng)切削厚度小于最小極限厚度時，工件產(chǎn)生較大的彈性變形則無法切除材料。因此尋求最小切削厚度成為實現(xiàn)正常微切削的關(guān)鍵。

最小切削極限的概念是指：切深或進(jìn)給必須超過某一臨界值，才能形成切屑。當(dāng)待切厚度h 小于最小切削極限hm這一臨界值時，工件將只產(chǎn)生彈性變形，而不能去除工件材料；當(dāng)h 接近于hm時，由于材料的剪切變形而形成切屑，同時伴隨一定的彈性變形，使得切除深度小于期望值；當(dāng)待切厚度大于最小切削極限hm時，彈性變形隨待切厚度的增加而大大減小，使得整個厚度為切除深度的材料變成切屑。

研究人員通常利用有限元法分析或切削實驗來估計hm。文獻(xiàn)［6］利用有限元仿真分析了切削鋼件時的最小切削厚度，并提出在切削珠光體狀態(tài)的鋼時，最小切削厚度為刀刃鈍圓半徑的0.2 倍，切削鐵素體狀態(tài)的鋼件時則為0.3 倍。文獻(xiàn)［7］提出可以根據(jù)切削力的突變確定hm值。文獻(xiàn)［8］則根據(jù)刀刃鈍圓半徑及工件與刀具間的摩擦系數(shù)，分析得出最小切削厚度數(shù)值近似為

式中：β 為刀具與待加工表面間摩擦角；Re為刀刃鈍圓半徑。

2.2 微切削過程中的切削力

切削力不僅影響刀具變形，同時限制進(jìn)給速度，其大小與切屑變形有關(guān)。根據(jù)切屑形成原理，切削力由擠壓力和剪切力兩大部分組成。建立微切削的切削力模型有助于合理地選擇切削用量。文獻(xiàn)［9］分析了宏觀切削和微切削中切削力的差異，并提出：在宏觀切削模型中剪切現(xiàn)象沿剪切面發(fā)生，而在微切削中剪切則集中在切削刃附近，并建立了正交微切削力分析模型，提出微切削時的切削力模型完全不同于宏觀切削力模型。

文獻(xiàn)［10］認(rèn)為，在低速切削時，刀具切削振動和工件彈性回復(fù)與切削力的數(shù)值有關(guān)，并提出了在微銑削時存在三種現(xiàn)象：彈性變形、彈性變形和剪切變形并存、僅剪切變形。他們還利用不同的進(jìn)給速度進(jìn)行了切削試驗，并指出在進(jìn)給率很低時，因工件的彈性變形而導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致切削厚度不均而發(fā)生切削顫振。

2.3 工件材料對微切削的影響

在微切削中，切削深度有時小于工件材料的晶粒，故應(yīng)考慮工件的晶粒及晶向?qū)庸さ挠绊憽＜僭O(shè)工件材料性質(zhì)各向同性并不合理，因為晶粒的尺寸往往與刀具的刃口半徑在同一數(shù)量級，晶格的結(jié)構(gòu)將影響材料總體切削性能［11］。這也是宏觀切削和微切削的一個重要區(qū)別。在微切削過程中，晶格位錯往往導(dǎo)致切削力不均勻并產(chǎn)生振動，即使是改善機(jī)床設(shè)計和工作條件也無法消除此類振動。因此，由于晶粒大小及材料的非均勻性，無法在微切削加工中采用平均切削系數(shù)。

文獻(xiàn)［12］研究了在精密加工中因材料不均勻而引起的振動現(xiàn)象，認(rèn)為晶粒大小及方向影響剪切角和強度。文獻(xiàn)［11］分析了在車削時的切削力，針對鋁材和硅合金，分析其不同的微結(jié)構(gòu)對切削力大小的影響，得出：不同的金相組織，產(chǎn)生不同的加工誤差和振動，刀具磨損量也有所不同。

文獻(xiàn)［13］利用三步分析法，分析了鋼不同顯微組織時的切削力，并發(fā)現(xiàn)在切削鐵素體和珠光體材料時因其韌性不同，獲得加工表面質(zhì)量不同。文獻(xiàn)［14］建議在微切削加工中應(yīng)使用各向同性的工件材料，他們對某一鋼材采用180～600 ℃范圍進(jìn)行淬火和退火處理，以期獲得各向同性的材料。

2.4 刀具磨損及毛刺

在微切削中，較小的切削深度可顯著地增大刀具和工件間的摩擦力，產(chǎn)生較大的熱量，加劇刀具的磨損。此外，因微小的零件無法在后續(xù)的工序中去除毛刺，如何防止毛刺的產(chǎn)生則顯得至關(guān)重要。

在宏觀切削加工中，刀具磨損方面的研究很多，但在微切削中相關(guān)研究則較少。文獻(xiàn)［15］利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并利用切削力預(yù)測了刀具磨損，獲得了磨損數(shù)據(jù)。他們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計出鋁和鋼在微切削中的切削條件，發(fā)現(xiàn)加工鋁材刀具磨損速度比加工鋼材時要慢。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的實驗數(shù)據(jù)，且不同的材料和切削條件其結(jié)果有時會產(chǎn)生矛盾。

文獻(xiàn)［16］通過對銅的微切削加工，發(fā)現(xiàn)直徑為1 mm 的銅在加工時產(chǎn)生的磨損與刀具的刃傾角及切削深度有關(guān)，切削深度較小（0.15 mm）比切削深較大（0.25 mm）時磨損較快，其解釋為連續(xù)的切屑沿螺旋槽流出，在前刀面上作用的切屑較大造成的。

文獻(xiàn)［17］研究了微切削中刀具磨損與冷卻液壓力間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間并無直接聯(lián)系。

在銑削中，因切屑的塑性變形會導(dǎo)致工件產(chǎn)生毛刺。文獻(xiàn)［14］報告了在微切削加工硬材料時經(jīng)常出現(xiàn)毛刺，刀具磨損較為嚴(yán)重。文獻(xiàn)［18］研究了在微切削加工鋼、銅和不銹鋼時毛刺產(chǎn)生的方向。為減少毛刺，他們在銅工件邊緣涂一層聚合材料，使刀具在切削時始終與工件或聚合材料接觸，加工后，用丙酮在超聲波槽中去掉聚合材料。對于不銹鋼，他們利用電化學(xué)的方法去除毛刺。然而此類后處理方法去除毛刺成本較高。

3 其它相關(guān)技術(shù)

微小工件的檢測和裝配是影響限制微系統(tǒng)商業(yè)化的重要因素之一。微系統(tǒng)往往由許多微小零件組成，且有著不同的功能。在微系統(tǒng)中用一個微小零件完成復(fù)雜功能是不切實際的。因此，裝配在微產(chǎn)品中有著十分重要的地位。當(dāng)前，檢測、造型、夾持及微系統(tǒng)的組裝主要應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)品的制作。隨著3D 時代的到來，現(xiàn)有技術(shù)必須得到進(jìn)一步的發(fā)展。

3.1 測與造型

為確保微系統(tǒng)實現(xiàn)其功能，3D 微部件的可靠性和動態(tài)性能越來越重要。通常，工件利用有限元分析法來評估系統(tǒng)的性能，可其結(jié)果仍需要用實驗來驗證。

文獻(xiàn)［19］用壓力式振動器和激光振動計構(gòu)建了動態(tài)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由真空室和隔振用的泡沫組成，然而他們可測得頻率響應(yīng)函數(shù)和微結(jié)構(gòu)的固有頻率值，不能獲得力與位移間的關(guān)系。諸如阻尼系數(shù)及動態(tài)剛度等動態(tài)參數(shù)的檢測有待進(jìn)一步研究。

3.2 持與裝配

微裝配技術(shù)包括連接方式、公差、干涉及裝配力等因素。宏觀的裝配中裝配力主要取決于操作者和相關(guān)的工件，通常重力也是重要的因素之一。然而，在微系統(tǒng)中，表面張力、摩擦力、靜電作用力、Van der Walls 力等方面的吸附力將成為微系統(tǒng)裝配的主宰［20］，在零件尺寸10 μm 至1 mm 之間時，Van der Walls 力并不顯著，但在納米級時，將成為主要因素。

當(dāng)微產(chǎn)品尺寸小于1 mm 時，因傳感器及驅(qū)動器的檢測和控制等原因，常規(guī)的操作方式不適用。微機(jī)械裝配方式有接觸式和非接觸式兩大類。由硅合金的MEMS 發(fā)展而來的接觸式為機(jī)械式，如壓電式，記憶合金、雙壓電晶片等。非接觸式包括磁場、電場等。

微系統(tǒng)中零件間的連接方法有粘合、咬合、微螺母及螺栓聯(lián)接。在裝配時，要求有很高的裝配精度，因此需用可視的伺服系統(tǒng)，如CCD 照相機(jī)。

4 切削技術(shù)研究熱點問題

微小零件制造系統(tǒng)是21 世紀(jì)加工三維微小金屬零件的主要手段，具有獨特的優(yōu)勢，如可加工各種普通的工程材料，但也存在各種挑戰(zhàn)和限制。國外發(fā)達(dá)國家在微切削單元技術(shù)方面已經(jīng)突破了關(guān)鍵技術(shù)，我國也在積極跟蹤世界前沿技術(shù)，開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作，取得了可喜的研究成果，但在微制造基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)集成制造技術(shù)及加工技術(shù)方面還與日美等發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距，尚存在許多問題亟待研究解決，尤其在實用化微型制造系統(tǒng)的設(shè)計及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)方面還需投入大量的技術(shù)力量開展研究工作。今后的研究方向?qū)⒅饕獓@以下幾個方面。

4.1 微切削理論領(lǐng)域

（1）建立一個針對不同工件材料和切削條件的最小切削厚度模型。

（2）在研究最小切削極限時，需要綜合考慮諸如刀具刃口、變形、彈塑性行為、徑向跳動、刀具磨損和熱擴(kuò)散等因素的影響。目前的研究只限于對上述單個因素的影響分析，但對于微切削現(xiàn)象缺乏綜合分析和描述。

（3）材料各向同性處理技術(shù)。

（4）微結(jié)構(gòu)部件的無毛刺加工技術(shù)或毛刺去除技術(shù)。

（5）微結(jié)構(gòu)的檢測與試驗技術(shù)以及微小型設(shè)備的性能測試與評估技術(shù)。

4.2 實時監(jiān)控技術(shù)

目前，微結(jié)構(gòu)部件和刀具通常利用特殊儀器（如SEM）進(jìn)行離線檢測，設(shè)備昂貴，且對技術(shù)工人要求相當(dāng)高。因此，急需發(fā)展在線監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測刀具磨損情況、折斷、切削顫振或進(jìn)行自適應(yīng)控制，以延長刀具壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)語

微切削技術(shù)被譽為21 世紀(jì)十大關(guān)鍵技術(shù)之首。微切削技術(shù)是微小型機(jī)械制造系統(tǒng)的重要組成部分，是連接微觀與宏觀制造領(lǐng)域的橋梁技術(shù)，是21 世紀(jì)的重點發(fā)展方向，受到世界各制造業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。國內(nèi)與國外在這方面的差距主要體現(xiàn)在缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、材料制備工藝、先進(jìn)的設(shè)計理念與方法，微制造工藝、微結(jié)構(gòu)的檢測與試驗技術(shù)以及微小型設(shè)備的性能測試與評估技術(shù)等。

特別是對微切削技術(shù)與機(jī)理研究方面，當(dāng)前還是嶄新的課題。因此，開展高效率實用化微制造系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究，是解決制造設(shè)備微小型化的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)和當(dāng)務(wù)之急。

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