| 摘要：微切削过程中的切削力严重影响刀具寿命及零件的加工精度，因此，深入研究微切削过程中的切削力变化规律及影响因素是确定合理的加工参数、加工工艺及提高加工系统性能的基础。本文在考虑刀具钝圆半径存在的条件下，采用轴对称原理建立了微切削力理论公式及微切削模型，实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响，验证了理论分析的正确性。研究结果表明：在切深ap为0.002～0.032mm ，进给量f为0.01～0.20mm/r，切削速度v为20～12Om/min情况下，切削力F的变化范围为100～1030N, Fz的变化范围为40～700N；减小刀具钝圆半径会减小刀具后刀面与工件的接触长度，并且会减小切削刃以下部分金属的变形，有利于获得高质量的加工表面；控制切削速度对切削力的影响可以通过控制切削层厚度与刀具钝圆半径的比值来实现，控制切削力比值Fz/Fy则可以通过控制走刀量、切深与刀具钝圆半径的比值来实现。 |
1 引言
高精度三维微小零件广泛应用于航空航天、国防工业、微电子工业及生物工程等领域。目前，其加工主要有两种方法：一是基于半导体制造工艺、光刻技术、MEMS和LIGA技术的方法，该方法存在加工材料单一、加工设备昂贵、加工零件结构受限制等问题；二是利用常规超精密机床进行加工的方法，该方法存在占地面积大、能耗大、成本高、灵活性差等缺点。近年来，通过微小型制造设备，采用微细切削加工技术与微机械制造方法加工介观尺度零件已引起各国极大的关注和重视。我国也广泛开展了微小机床及其关键部件的研制，以及微切削基础理论和微切削应用技术的研究。微切削加工的显著特点是切削厚度与刀具刃口钝圆半径在数量级上相当，常规描述的切削变形及切削力的理论和方法不再适用。微切削加工的切削变形、切削力的变化及其影响因素更为复杂，例如，在微切削过程中的振动，切削力对加工性能、刀具寿命以及零件的加工精度的影响。因此，深入研究微切削过程中切屑形成的机理和切削力变化规律及其影响因素，是确定合理的加工参数、加工工艺及加工系统设计的关键基础。本文在分析微切削变形的基础上，采用轴对称原理深入研究了微切削力的变化及其影响因素，通过实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响，验证了分析的正确性，为微切削加工工艺的实现奠定了基础。2 微切削加工中的切削力
微切削过程中，由于切削厚度值微小，必须考虑刀具切削刃钝圆半径的影响。切削时切削层沿Od线与金属基体分离形成切屑，O点为切屑分界点，O点以上的待切削层金属沿OM滑移之后沿刀具切削刃钝圆OG、刀具前刀面GH摩擦流出形成切屑。O点以下待切削层金属一部分挤过刀具切削刃钝圆OM下方并发生摩擦，再沿后刀面MN摩擦，然后流出形成已加工表面；另一部分做侧向塑性流动。微切削时在刀具前方形成塑性变形区，此区深入到切削线ab以内一定深度，这样，加工表面的金属也产生塑性变形。被切金属在O点以下的刀具切削刃钝圆圆弧挤压作用下发生变形，并且已变形的金属又受到&Deltar及&Deltat的挤压和摩擦进一步发生变形。减小刀具切削刃钝圆半径ρ值有利于减小微切削中的切屑变形。
微切削加工时的切削力来源于两方面，一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形及塑性变形所引起的抗力；二是刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦阻力。微切削加工较常规切削(假设刀具切削刃钝圆半径ρ=0)加工的切削力平衡关系不同。微切削中，用偏光弹性法测量切削刃钝圆半径及其附近的应力分布状态的实验表明，O点处的剪应力τt=0，正应力σt为最大，而且τt，σt是关于连线CO对称的，Fr在CO方向上。假定切削合力Fr通过切屑分界点O和刀具切削刃钝圆中心点C，以CO为对称轴，按轴对称问题来处理切削作用力的平衡关系。在O 点以上，刀具作用于切屑的合力Fr/2；在O点以下，刀具作用于工件的合力为Fr/2，并且此二力相对于CO连线对称，又与CO连线平行，因此只考虑O点以上部分即可。取切屑MOQ作为自由隔离体，可得出前刀面上的平均摩擦系数为µ=tanβ=Ff/Fn。剪切面上的剪切力为： |
| Fsmice=τs·b· | t1-u | τs· | [t1-ρ(1-sinω)] | = | τsb[t1-ρ+ρsin(β-γ0)] |
| | |
| sinØ | sinØ | sinØ |
(1) | 式(1)中，τs为剪切面上的剪应力，b为切削宽度，β为摩擦角，由图3作用力关系可知：| Frmice | sin(90°-&omaga-Ø)=Fsmice |
|
| 2 |
|
| Fsmice= | 2Fsmice | = | 2τsb[t1-ρ+ρsin(β-γ0)] |
| |
| sin(90°-β+γ0-Ø) | sinØcos(Ø+β-γ0) |
(2) | 故 |
| Fzmice=Frmice·cos(β-gamma;0)= | 2τsb[t1-ρ+&rhosin(β-γ0)]cos(β-γ0) |
|
| sinØcos(Ø+β-γ0) |
(3) | |
| Fymice=F·sin(β-gamma;0)= | 2τsb[t1-ρ+&rhosin(β-γ0)]sin(β-γ0) |
|
| sinØcos(Ø+β-γ0) |
(4) | 根据最小切削合力原理，Ø应使切削合力Frmice为最小值。| 令： | Frmice | =0 即cos(2Ø+β-γ0)=0 |
|
| dØ |
所以： |
| Ø= | π | - | β | + | γ0 |
| | |
| 4 | 2 | 2 |
(5) | 式(5)为微切削加工的切削方程式，这一表达形式与常规切削加工中的切削方程式完全相同。设常规切削时的切削合力为Frc，切削分力分别为Fzc，Fyc，微切削与常规切削的切削力变化量为： |
| δFr= | Frmice | -Frc=- | τsbρ[1-sin(β-γ0)] |
| |
| 2 | sinØcos(Ø+β-γ0) |
(6) | |
| ΔFz= | Fzmice | -Fzc=- | τsbρ[1-sin(β-γ0)]cos(β-γ0) |
| |
| 2 | sinØcos(Ø+β-γ0) |
(7) | |
| δFy= | Fymice | -Fyc=- | τsbρ[1-sin(β-γ0)]sin(β-γ0) |
| |
| 2 | sinØcos(Ø+β-γ0) |
(8) | 由式(6)、(7)、(8)可见，随ρ值的增加，δFr，δFz，δFy变大。这说明，单就刀具前刀面受力而言，微切削时前刀面所受切削力要小于常规切削前刀面所受的切削力。假设微切削时刀具所受的总切削力与常规切削相等，则以上分析表明：随着ρ值的增加，微切削时刀具前刀面上切削力所占的比例较常规切削时所占的比例要小，而后刀面上切削力所占的比例较常规切削时所占比例要大。即常规切削(ρ=O)时，切削力完全由刀具前刀面承受，而微切削(ρ≠O)时，切削力除由前刀面承受外，刀具后刀面也要承受一部分，并且随着ρ值的增大，刀具后刀面承受切削力的比例增大。刀具后刀面总的接触长度是刀具切削刃O点以下的切削刃钝圆部分、Δr及δt之和。微切削时刀尖切削刃以下加工表面的变形之所以复杂，是由于微切削时切削刃钝圆半径的ρ影响，虽然对于常规切削时刀具切削刃也有钝圆存在，但对加工表面质量的影响较微切削时要小得多。在微切削中，切削刃钝圆ρ的减小使得切削刃O点以下的钝圆部分及δt减小，也即减小了刀具后刀面与工件的接触长度及金属的变形，这无疑对获得高质量的加工表面是有利的。3 微切削时切削力的影响因素
3.1 切削用量的影响
- 切削速度的影响
- 微切削时切削速度v对微切削力的影响结果。高速钢车刀切削加工时，切削速度对微切削力的影响不明显，这是因为刀具前刀面前切削区的变形及摩擦在整个切削变形中占的比例较小，因此当切削速度增加时，这部分变形及摩擦不明显；同时由于高速钢车刀的切削刃钝圆半径ρ较大，切削刃钝圆圆弧部分对加工表面所产生的挤压力所占的比例较大，而切削速度的增加对其影响很小。而用金刚石车刀进行微切削时，金刚石车刀的切削刃钝圆半径比高速钢车刀的小得多，虽然切削用量相同，但刀具前刀面前切削区的变形及摩擦所占的比例较大，当切削速度增加时，这部分变形及摩擦减小。用金刚石车刀进行微切削时，随着切削速度的增加，切削力下降。可见，切削速度对切削力的影响取决于t1/ρ值的大小，因此控制t1/ρ值就可以控制切削速度对切削力大小的影响。
- 进给量的影响
- 进给量和切削深度决定切削体积大小，因而进给量是影响切削的一个重要因素，如表1、表2所示。
| 表1 进给量对切削力的影响(HSS刀) |
切削力
(N) | 进给量f / (mm/r) |
|---|
| 0.01 | 0.02 | 0.04 | 0.10 | 0.20 |
|---|
| Fz | 60 | 100 | 350 | 570 | 900 |
|---|
| Fy | 240 | 280 | 410 | 580 | 700 |
|---|
表2 进给量对切削力的影响(金刚石刀) | 切削力
(N) | 进给量f / (mm/r) |
|---|
| 0.01 | 0.02 | 0.04 | 0.10 | 0.20 |
|---|
| Fz | 200 | 260 | 480 | 900 | 1030 |
|---|
| Fy | 40 | 50 | 120 | 170 | 200 |
|---|
- 用高速钢车刀进行微切削时，进给量对切削力有明显的影响，进给量对Fz的影响比对Fy的影响大，当进给量小于一定值时，Fy> Fz，这一点在微切削时比较特殊。在用金刚石车刀进行微切削时，Fz>Fy。
- 切削深度的影响
- 用高速钢、金刚石车刀进行微切削时，切削深度对切削力也有一定影响，如表3、表4所示。
- 由表3可见，切削深度对Fz的影响比对Fy的影响大，切削深度小于一定值时，则Fy>Fz。由表4可见，用金刚石车刀进行微切削时，与进给量对切削力的影响相似，仍然有Fz>Fy的规律。这是由于切削用量的大小决定着Fz的大小，切削刃钝圆半径ρ的大小决定刀具后刀面上正压力大小，直接影响着Fy的大小，因此当切削用量减小时，Fz不断减小。由于切削刃钝圆半径是固定值，所以当切削用量减小到一定值后，才有Fy>Fz。但金刚石可以刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径比高速钢刀具要小几倍，因此由切削刃钝圆圆弧部分产生的挤压小，刀具后刀面的正压力小，从而Fy小，虽然是微量切削，仍然有Fz>Fy。
| 表3 切削深度对切削力的影响(HSS刀) |
切削力
(N) | 切削深度ap / (mm/r) |
|---|
| 0.002 | 0.004 | 0.008 | 0.016 | 0.032 |
|---|
| Fz | 80 | 150 | 370 | 520 | 670 |
|---|
| Fy | 250 | 270 | 330 | 370 | 390 |
|---|
表4 切削深度对切削力的影响(金刚石刀) | 切削力
(N) | 切削深度ap / (mm/r) |
|---|
| 0.003 | 0.006 | 0.01 | 0.02 | 0.03 |
|---|
| Fz | 100 | 170 | 260 | 450 | 500 |
|---|
| Fy | 20 | 30 | 50 | 70 | 90 |
|---|
- 可见，Fz/Fy值取决于切削用量(f, ap)同ρ的比值，当切削用量同ρ之比达到一定值时，有Fy>Fz，因此控制切削用量同ρ之比就能控制Fz，Fy比值的大小。在常规切削时，切削深度ap对切削力的影响大于进给量f对切削力的影响。在微切削时，恰好相反，进给量f对切削力的影响大于切削深度ap对切削力的影响，这是因为微切削时常常会有f >ap，而成为倒切削。
3.2 刀具材料的影响
实验表明，刀具材料对切削力影响很大，因金刚石对有色金属的摩擦系数比高速钢要小许多，而高速钢车刀的切削刃钝圆半径比金刚石的大许多，所以用高速钢车刀加工有色金属时摩擦及挤压比采用金刚石车刀加工时要大，切削力也大大士曾力口。表5 工件材料对切削力的影响| 工件材料 | 切削力/(N) | 修正系数 |
|---|
| Fz | Fy | Fx | KHz | KHy | KHx |
|---|
| H62黄铜 | 860 | 150 | 50 | 1 | 1 | 1 |
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| LY12-Cz硬铝 | 1300 | 440 | 120 | 1.51 | 2.93 | 2.45 |
|---|
| TV1无氧铜 | 2650 | 970 | 250 | 3.08 | 6.46 | 5.00 |
|---|
3.3 工件材料的影响
表5为用金刚石车刀微切削H62黄铜、LY12-Cz硬铝及TV1无氧铜时切削力的实验结果。材料的强度与硬度高，变形抗力大，则切削力大；材料的塑性大，在切削时产生的塑性变形大，硬化强烈，而且切屑与前刀面的摩擦系数大，接触区长，故切削力大。LY12-Cz硬铝的强度和塑性都比H62黄铜大，故切削力也较大。而TV1无氧铜的塑性比LY12-Cz硬铝、H62黄铜的塑性大得多，因此切削力最大。4 结论
本文的理论和实验研究表明，在微切削加工中，由于是微量切削，切削刃钝圆半径对切屑变形系数及切削力的影响十分重要，而由于切削刃钝圆的存在使微切削过程中切削区的变形更为复杂；尽可能地减小刀具切削刃钝圆半径ρ值对减小切屑变形系数、减小切削力以及减小刀具后刀面附近的工件已加工表面的金属变形程度都有利；另外依靠控制t1/ρ值可实现控制切削速度对切削力的影响；而依靠控制(f, ap)/ρ值可实现控制切削力比值Fz/Fy。
