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摘要：在亚微米级CNC 超精密车床上进行了单晶金刚石刀具切削试验，根据试验结果分析了切屑形成机理和最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，建立了加工表面微观形貌的几何模型。研究结果表明：通过计算最小切削厚度值可预测金刚石车削加工可获得的表面粗糙度值。
1 引言
随着超精密切削机床及其控制技术的迅速发展，切削加工范围已由金属等塑性材料逐渐延伸到玻璃、陶瓷等各种难加工材料。由于金刚石刀具的物理化学性能以及极薄切削层特性等的影响，使超精密切削具有与普通切削不同的特殊规律。早在几十年前，国外许多学者就对超精密加工表面形成机理进行了理论探讨和试验研究，但受当时条件的局限，对超光滑表面微观形貌形成机理的解释还具有一定的片面性。本文通过用单晶金刚石刀具对铜合金和铝合金材料进行超精密微切削试验，在试验结果的基础上系统研究了最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，并从微切屑的形成、最小切削厚度、变形等方面研究了超光滑加工表面微观形貌的形成机理。
2 切屑的形成机理
通过研究微切屑的形成与加工表面粗糙度之间的关系，可以揭示刀具几何形状和切削参数对加工表面粗糙度的影响。为此，我们在哈尔滨工业大学自行研制的HCM-1 型亚微米级超精密车床上进行了一系列切削试验。试验材料为铜合金；切削深度为1～10µm；进给量为3µm/r；主轴转速为1500r/min。从局部放大的切屑SEM照片上可以看出：切削铜合金时产生的切屑是由剪切滑移的层状薄片堆积形成，且卷曲成螺旋状。试验表明：沿圆弧刀具切削刃的有效切削厚度是一个变量，在切削刃与待加工表面接触点处切削厚度达到最大值。当切削厚度较大时，切屑的表面结构较紧密；切削厚度较小时，切屑的表面结构则较疏松；同时，随着切削深度的减小，切屑的卷曲半径增大。
观察加工表面微观形貌的AFM 照片和切屑的SEM照片可以发现：因刀具磨损造成的切削刃不完整性复映到加工表面上，从而产生平行于切削方向的刀具刮痕。当采用较大切削深度时，加工表面和切屑表面的晶粒边界比较清晰；采用较小切削深度时，可观察到的金属晶粒边界也较小(从切屑的SEM照片中几乎观察不到金属晶粒边界)。由此可得出结论：当切削深度大于刀具刃口半径尺寸时，工件材料主要以传统切削方式被切除，形成的切屑表面和加工表面的完整性在很大程度上受到每一晶粒的晶向和结构的影响；当切削深度与刀具刃口半径尺寸相当时，由刀具刃部的磨光和挤压作用产生的塑性变形在切削中占据主导作用，此时在连续切削加工过程中加工表面将产生不规则变形层，这是造成加工表面和切屑表面金属晶粒边界不明显的主要原因。
3 表面微观形貌的几何建模与试验研究
在超精密加工中，除机床本身的性能外，刀具切削刃有效切除工件材料的最小切削厚度(MTC)的可控性和重复性也是影响加工精度的主要因素。最小切削厚度不仅可反映切削刃的纳米级微观结构，还可反映刀具与工件材料之间的相互作用状态。最小切削厚度(MTC)定义为能够从工件材料上有效去除金属的最小厚度。切削厚度越小，工件材料抵抗塑性变形的能力越强，刀具与材料原子之间的相互作用力越弱。在金刚石刀具切削刃半径仅几个纳米的特定微切削环境下，最终可达到的加工精度与最小切削厚度为同一个数量级。日本学者在具有高稳定性的机床上使用特制的金刚石刀具切削单晶铜，获得了非常微细的切屑，并使最小切削厚度达到了1nm。
图1所示为在理想状态下用圆弧刃金刚石车刀进行超精密加工时表面形成过程的几何模型。由图可知：在金刚石车削过程中，沿车刀圆弧各点形成的切屑厚度是变化的，切屑厚度理论上由零变化到最大值。当采用圆弧刃金刚石刀具超精密车削加工软金属时，刀具圆弧半径R和进给量f是决定加工表面粗糙度大小的主要因素。 （图片）
超精密车削表面形成过程几何模型图中，hth为理想状态下加工表面形成的轮廓峰与轮廓谷之间的距离，即理论粗糙度值。在加工过程中，由于最小切削厚度的存在，在实际加工表面形成的轮廓峰与轮廓谷之间的距离h通常与理论粗糙度值hth不同。tmin为最小切削厚度，它是决定最终加工精度的主要因素之一。图中阴影表示加工表面上的残留区域，有关文献将其命名为spanzipfel区域。
由图几何关系可知
| hth=f2/8R | (1) | | h=R-y1=R-(R2-xc2)½ | (2) |
又因为因此由式(3)可推导出| a=arctan(R2-xc2)½/xc | (4) | | (R/sina)=(f/sing) | (5) |
由式(5)可得| g=arcsin [(fsina)/R] | (6) | | b=a+g | (7) |
由图2可得| { | x1=Rcosa | | y1=Rsin a | | { | x2=Rcosb+f | | y2=Rsinb |
最后可得最小切削厚度为| tmin=[(x1-x2)2 +( y1-y2)2]½ | (8) |
在加工过程中，刀具相对于工件发生的微幅移动、加工表面的变形以及刀具在加工表面形成spanzipfel区域的形状差异都会使获得的加工表面特征复杂多变。最小切削厚度这一变量随着刀具几何形状和切削条件的不同而变化。美国和日本有关专家通过试验研究发现：金刚石刀具的切削刃半径r对最小切削厚度有显著影响。为了研究最小切削厚度与切削刃半径之间的关系，我们进行了一系列车削试验。试验车床为哈尔滨工业大学研制的HCM-1型亚微米级超精密车床；工件材料为铝合金；切削深度为3µm，进给量为10～50µm/r，主轴转速为1500r/min；刀具切削刃半径约为175nm。车削铝合金时，最小切削厚度约为采用的刀具切削刃半径的0.4～0.6 倍，这一比值随着被加工材料和切削条件(如进给量、刀具圆弧半径等)的不同而略有差异。
利用上述公式中的中间变量xc建立起加工表面形成的轮廓峰与轮廓谷之间距离h与最小切削厚度tmin之间的关系，利用这一几何关系仿真出的表面形貌在形状上与较理想状态下形成的表面微观形貌具有较好的一致性。大量切削试验表明：加工表面粗糙度的预测值与实测值也具有很好的一致性。因此，在刀具圆弧半径R、刃口半径r和进给量f已知的条件下，可以预测超精密车削可获得的表面粗糙度。
4 结语
根据金刚石刀具超精密车削试验结果，分析了微切屑的形成过程，讨论了加工过程中刀具切削刃半径和被加工材料的塑性变形、弹性恢复变形对加工表面粗糙度的影响，并据此建立了最小切削厚度与表面粗糙度之间关系的几何模型，同时提出一种通过估算最小切削厚度来预测金刚石车削加工所能获得的加工表面粗糙度的新方法。大量试验表明，使用该方法估算出的表面粗糙度值与实测表面粗糙度值具有很好的一致性。
本文作者:黑龙江佳木斯大学 王晓霞
哈尔滨工业大学 王洪祥
中国人民解放军防化指挥工程学院 李明洪
5/20/2007
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