1 引言

微細(xì)加工技術(shù)是指微小尺寸零件的制造加工技術(shù)。隨著航空航天、國防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的小型化、微型化設(shè)備和微小尺寸零件，利用微細(xì)加工技術(shù)制造的各種微機(jī)械如微型電動(dòng)機(jī)、微型傳感器、微型泵等有著日益廣闊的應(yīng)用前景�，F(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)微細(xì)加工的要求也越來越高，已發(fā)展到超微細(xì)加工；向現(xiàn)有制造技術(shù)的加工極限挑戰(zhàn)，發(fā)展超精密加工、超微細(xì)加工和納米加工技術(shù)，已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

微細(xì)加工技術(shù)不僅包含各種傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工方法，同時(shí)還包含如電子束加工、離子束加工、化學(xué)加工等特種加工方法。這些特種加工方法目前在微細(xì)加工領(lǐng)域都得到了很好的應(yīng)用，而微細(xì)、超微細(xì)領(lǐng)域的切削加工卻存在著一些技術(shù)難點(diǎn)，限制了它的廣泛應(yīng)用。因?yàn)榧词故莻鹘y(tǒng)的機(jī)械加工，對(duì)微小尺寸與普通尺寸的加工機(jī)理和方法也不相同。本文通過研究超微細(xì)加工的機(jī)理，分析超微細(xì)加工中的技術(shù)難點(diǎn)及其對(duì)加工過程的影響，并提出了解決措施。

2 超微細(xì)切削加工的機(jī)理

普通切削和微細(xì)切削在加工機(jī)理上各不相同。在普通切削時(shí)，由于工件尺寸較大，允許的切削深度、進(jìn)給量均較大；而在微細(xì)切削時(shí)，由于工件尺寸微小，從強(qiáng)度、剛度上都不允許采用較大的切削深度和進(jìn)給量，同時(shí)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。

一般的金屬材料是由直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米的晶粒構(gòu)成。由于微細(xì)切削的切削深度非常小，特別是亞微米和納米級(jí)的超微細(xì)切削，通常切削深度小于材料的晶粒直徑，使得切削只能在晶粒內(nèi)進(jìn)行，這時(shí)的切削相當(dāng)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行切削，所以微細(xì)切削是一種斷續(xù)切削。由于材料存在微觀缺陷以及材質(zhì)分布的不均勻性，使刀具在切削時(shí)的切削力變化較大，且切削刃將受到較大的沖擊和振動(dòng)。

1. 微細(xì)切削的切削力特征

微細(xì)切削加工是一種超微量分離技術(shù)，切削時(shí)金剛石刀具刃口附近的切削力為亞牛頓級(jí)甚至更小。切削力能清晰地反映切屑的去除過程，因此研究切削力模型有助于了解切屑的切削特性。微細(xì)切削時(shí)的切削力特征為：切削力微小，單位切削力大，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(shí)切削力會(huì)急劇增大。這就是切削力的尺寸效應(yīng)。

微細(xì)切削時(shí)切削力的物理模型與刀具刃口的亞微米結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。由于切削刃刃口圓弧半徑的存在，切削刃在納米量級(jí)切削時(shí)有一個(gè)很大的負(fù)前角，使切削變形增大，故切削時(shí)的單位切削力大；同時(shí)，由于微細(xì)切削往往在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，切削力必須大于晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力，因而使單位切削面積上的切削力急劇增大。

與普通切削時(shí)切削力隨切削深度的增大而增大不同，微細(xì)切削時(shí)的切削深度和進(jìn)給量都很小。由于刀具刀尖圓弧半徑和刃口圓弧半徑的存在，使切削變形明顯增大。切削深度很小時(shí)，刀尖圓弧半徑造成的附加變形占總切削變形的比例很大。由于切削力的尺寸效應(yīng)，所以切削深度越小，切削力越大(微細(xì)切削時(shí)切削深度對(duì)切削力的影響如圖1所示)。
 

圖1 切削深度對(duì)切削力的影響

1. 微細(xì)切削的最小切削厚度

在機(jī)床條件最佳時(shí)，采用極鋒利的金剛石刀具可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的連續(xù)穩(wěn)定的切削。能穩(wěn)定切削的最小有效切削厚度稱為最小切削厚度，微細(xì)切削可以達(dá)到的最小切削厚度與金剛石刀具刃口的圓弧半徑、被切材料的物理力學(xué)性能相關(guān)。

圖2 最小切削厚度對(duì)刀刃圓弧半徑的影響

如圖2所示，工件上A點(diǎn)處受主切削力F_c及其垂直力F_d的作用，形成合力F(合力F也可分解為A點(diǎn)處的法向力N和摩擦力µN)，合力F的方向即為A點(diǎn)處所受的正應(yīng)力方向。當(dāng)A點(diǎn)的正應(yīng)力方向與切削速度方向的夾角w約為45°時(shí)(對(duì)于不同的加工材料，所要求的夾角大小也不同，用金剛石刀具加工鋁合金時(shí)，夾角約為38°～45°)，A點(diǎn)以上被加工材料堆積形成切屑，而A點(diǎn)以下被加工材料經(jīng)彈性、塑性變形，形成加工表面，此時(shí)A點(diǎn)即為最小切削厚度的極限臨界點(diǎn)。極限最小切削厚度h_Dmin可通過下式求得：
 

hDmin=r(1-cosq)

(1)

式中：r——切削刃刃口圓弧半徑

1. 由圖2可知，q+w+b=90°，即

   q=90°-(w+b)

   (2)

   式中：b——刀具與工件材料的摩擦角，tgb=µ(摩擦系數(shù))，用金剛石刀具切削鋁合金時(shí)摩擦系數(shù)約為0.12～0.26
   w——正應(yīng)力方向與切削速度方向的夾角，w值與工件材料的強(qiáng)度、延伸率、摩擦系數(shù)以及A點(diǎn)位置的高低有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)w=38°～45°
   將式(2)代入式(1)化簡得：

   

   當(dāng)w=45°時(shí)，上式可簡化為：

   

   表   h_Dmin值與r值的關(guān)系

   hDmin	w=38°	w=40°	w=42°	w=45°
   µ=0.12	0.295r	0.271r	0.246r	0.214r
   µ=0.26	0.206r	0.158r	0.165r	0.138r

由上式可見，極限最小切削厚度h_Dmin與刃口圓弧半徑r、材料本身的物理力學(xué)性能及刀具—工件間的摩擦系數(shù)有關(guān)。h_dmin值與r值的關(guān)系見右表。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可取w=42°，當(dāng)µ=0.12～0.26時(shí)，h_Dmin=(0.165～0.246)r。

由此可見，若要實(shí)現(xiàn)切削厚度為納米級(jí)的超薄切削，此時(shí)所用金剛石刀具的刃口圓弧半徑應(yīng)為4～6nm，這是刃口半徑極小且極為鋒利的刀具。

1. 切削溫度的影響

由于微細(xì)切削的切削用量極小以及金剛石刀具和工件材料具有高導(dǎo)熱性，因此，與傳統(tǒng)切削相比，微細(xì)切削的切削溫度相當(dāng)?shù)�。但�?duì)于精度極高的超微細(xì)加工來說，加工溫度的微小變化對(duì)加工精度的影響也是不可忽略的。同時(shí)，切削溫度對(duì)刀具磨損影響較大，切削溫度在金剛石刀具的化學(xué)磨損中的影響也極為顯著。

1. 微細(xì)切削過程的復(fù)雜化

極小的切削深度(納米級(jí))、有限的刃口半徑、切削厚度相對(duì)于刃口半徑的低比率、切削刃質(zhì)量以及發(fā)生在后刀面上的少量刀具磨損都會(huì)使超微細(xì)加工過程復(fù)雜化。三個(gè)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(fù)會(huì)引起刀具磨損，從而產(chǎn)生切削熱，影響加工表面的完整性，并引起亞表面損傷。當(dāng)切削厚度與刃口半徑處在同一數(shù)量級(jí)的時(shí)候，由于刀具前角的改變(負(fù)前角)而產(chǎn)生的滑擦、耕犁現(xiàn)象對(duì)于切削過程的影響也是顯而易見的。

3 超微細(xì)切削加工的技術(shù)難點(diǎn)

微細(xì)切削加工主要是指對(duì)零件尺寸在1mm以下、加工精度為0.01～0.001mm的微細(xì)尺寸零件的加工；超微細(xì)加工是指對(duì)尺寸在1µm以下的超微細(xì)零件的加工；納米級(jí)超微細(xì)加工是指對(duì)微細(xì)度為1nm 以下的零件進(jìn)行的加工。實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超微細(xì)切削加工主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

1. 材料微量加工性的影響

材料的去除過程不僅取決于切削刀具，同時(shí)也嚴(yán)格受制于被加工材料本身。超微細(xì)切削加工材料的選擇以納米級(jí)的表面質(zhì)量為前提，稱為材料的“微量加工性”(可用納米級(jí)表面粗糙度及在某一加工距離上對(duì)刀具磨損的可忽略性來定義)。影響材料微量加工性的因素包括被切削材料對(duì)金剛石刀具的內(nèi)部親合性(化學(xué)反應(yīng))、材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、分布和熱處理狀態(tài)等(如多晶體材料的各向異性對(duì)零件加工表面完整性具有較大影響)。

1. 單位切削力大

微細(xì)切削是一種極薄切削，切削厚度可能小于晶粒的大小，故切削力的特征是切削力微小，但單位切削力非常大。實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超微細(xì)加工的物理實(shí)質(zhì)是切斷材料分子、原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除，因此切削力必須超過晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力。當(dāng)切削深度和進(jìn)給量極小時(shí)，單位切削面積上的切削力將急劇增大，同時(shí)產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高，因此在微細(xì)切削時(shí)對(duì)刀具要求較高，需采用耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強(qiáng)度好的超硬刀具材料。在切削鋁合金等有色金屬時(shí)，最常用的是金剛石刀具。

1. 刃口圓弧半徑對(duì)超微量切削厚度的限制

刀具刃口半徑限制了其最小切削厚度，刀具刃口半徑越小，允許的最小切削厚度也越小。由表1可知

目前常用的金剛石刀具的刀刃鋒利度約為r=0.2～0.5µm，最小切削厚度可達(dá)0.03～0.15µm；經(jīng)過特殊刃磨的刀具可達(dá)r=0.1µm，最小切削厚度可達(dá)0.014～0.026µm。若需加工切削厚度為1nm的工件，刀具刃口半徑必須小于5nm，而目前對(duì)這種極為鋒利的金剛石刀具的刃磨和應(yīng)用都非常困難。

1. 刀具的磨損和破損

由于金剛石刀具存在微磨損，在切削一段時(shí)間后，刀具磨損會(huì)逐漸加劇，有時(shí)甚至?xí)�突然惡化。金剛石刀具的失效有兩種形式：崩刃和磨損。金剛石刀具的機(jī)械磨損和微觀崩刃是由刀刃處的微觀解理造成的，其磨損的本質(zhì)是微觀解理的積累。累積的金剛石刀具磨損主要發(fā)生在刀具的前、后刀面上，在經(jīng)過數(shù)百公里的切削長度之后，這種磨損變?yōu)閬單⒚准?jí)磨損。由于氧化、石墨化、擴(kuò)散和碳化的作用，金剛石刀具也會(huì)產(chǎn)生熱化學(xué)磨損。崩刃是當(dāng)?shù)毒呷锌谏系膽?yīng)力超過金剛石刀具的局部承受力時(shí)發(fā)生的，是最難預(yù)測和控制的損傷，而且對(duì)加工表面質(zhì)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。此外，在充滿飽和碳?xì)怏w中進(jìn)行切削也可抑制金剛石刀具的碳化作用。

1. 切削過程中的微振動(dòng)

工件表面形貌是由于刀具的輪廓映射到工件上的結(jié)果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度及刀具刃口形狀決定。微細(xì)切削時(shí)，由于切削深度常常小于材料的晶粒直徑，所以相當(dāng)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行切削。這種微觀上的斷續(xù)切削及機(jī)床的動(dòng)特性會(huì)引起切削過程中的微振動(dòng)。微細(xì)切削中的微振動(dòng)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響也不容忽略。
 

圖3 切削速度V對(duì)積屑瘤高度的影響

圖4 進(jìn)給量f對(duì)積屑瘤高度的影響

1. 積屑瘤對(duì)加工過程的影響

超微細(xì)切削時(shí)，積屑瘤的影響不容忽視。積屑瘤影響切削力和切削變形，冷焊在刀刃上的積屑瘤還會(huì)影響加工表面粗糙度。除刀刃的微觀缺陷對(duì)積屑瘤的產(chǎn)生有直接影響外，切削速度和進(jìn)給量對(duì)積屑瘤產(chǎn)生的影響也是顯而易見的。微細(xì)切削時(shí)，在所有切削速度范圍內(nèi)都有積屑瘤存在，但切削速度的大小將影響積屑瘤的高度：切削速度越低，積屑瘤越高(切削速度V對(duì)積屑瘤高度的影響見圖3)；進(jìn)給量越小，積屑瘤也越高(進(jìn)給量f對(duì)積屑瘤高度的影響見圖4)。

4 措施與方法

要解決超微細(xì)切削加工存在的上述技術(shù)難點(diǎn)，加工時(shí)應(yīng)采取以下技術(shù)措施與方法：

1. 合理選材

為了提高超微細(xì)加工表面質(zhì)量，應(yīng)合理選擇工件材料。選擇微量加工性較好的工件材料(如非晶體材料或擁有精細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)的材料)可以得到加工表面完整性較好的工件表面。

1. 減小刃口圓弧半徑

用金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬材料，能獲得Ra0.02～0.002µm 的鏡面，精細(xì)研磨刀具后可切出厚度達(dá)1nm 的切屑。目前金剛石刀具的刃口質(zhì)量主要靠在旋轉(zhuǎn)的鑄鐵盤上對(duì)金剛石刀具刃口進(jìn)行精細(xì)研磨、拋光獲得，而采用離子束加工及化學(xué)拋光加工可使被加工刀具具有亞微米級(jí)的形狀精度。

1. 采用斜角切削

斜角切削可以增大實(shí)際切削前角，減小切削刃圓弧半徑及極限最小切削厚度，從而實(shí)現(xiàn)超薄切削和微細(xì)切削。微細(xì)切削時(shí)，刃傾角的選擇需綜合考慮金剛石刀具晶面的選擇及刃磨。