4 Z J Yuan , M Zhou , S Dong. Effect of diamond tool sharpness on minimum cutting thickness and cutting surface integrity in ul2 traprecision machining. Journal of Materials Processing Techno2 logy , 1996 ,62 :327～330
上的残留区域 ,有关文献将其命名为 spanzipfel 区域。
由图 2 几何关系可知
hth = f2/ 8 R
(1)
h = R - y1 = R - R2 - x2c
(2)
又因为
tanα=
R2 - x2c xc
(3)
因此由式 (3) 可推导出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
α= arctan
R2 - x2c xc
(4)
sinRα=
关键词 :超精密车削 , 金刚石刀具 , 微切屑 , 表面粗糙度 , 表面微观形貌
Study on Formation Mechanism of Chip and Surface Micro2topography in Ultraprecise Turning
Wang Xiaoxia et al
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[3 ,4 ] 。
图 2 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[5 ,6 ] 。
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 。
Keywords : ultraprecise turning , diamond cutter , micro chip , surface roughness , surface micro2topography
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 。
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 HCM21
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
2001 年第 35 卷 №9
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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[1 ,2 ] 。
Abstract :The cutting tests with single crystal diamond tools are carried out on a submicron CNC ultraprecise lathe. According to test results , the chip formation mechanism and the relationship between the minimum cutting thickness and surface roughness are analyzed , and the model of micro2topography on the machined surface is established. The investigation shows that it is possible to predict the surface roughness obtained in the diamond turning by calculating the minimum cutting thickness.
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 HCM21 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
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工具技术
超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究
黑龙江佳木斯大学 (154007) 王晓霞 哈尔滨工业大学 (150001) 王洪祥 中国人民解放军防化指挥工程学院 李明洪
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 。
图 2 超精密车削表面形成过程几何模型
图 2 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
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
2001 年 8 月 16 日 ,机床杂志社在中国科技会堂举行了 《制造技术与机床》杂志创刊 50 周年庆典 ,全国政协委员 、提 案委员会主任 、中国机械工程学会理事长 、原机械工业部部 长何光远和中国机床工具工业协会名誉理事长梁训王宣等 140 余位领导 、专家学者和企业代表到会祝贺 。
2 T Nishiguchi. Mechanism of micro chip formation in diamond turning of Al2Mg alloy. Annals of the CIRP ,1986 ,37 (1) :117～ 120
3 Naoya Ikawa , Shoichi Shimada. Minimum thickness of cut in micromachining. Nanotechnology , 1992 , 3 :6～9
(a) 切屑全貌 (b) 切屑表面形貌 (c) 切屑边部 图 1 超精密车削铜合金时形成切屑的 SEM 照片
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
5 S Asai. Observation of chip producing behaviour in ultra2preci2 sion diamond machining and study on mirror2like surface gene2 rating mechanism. Precision Engineering , 1990 ,12 (3) :137～ 143
收稿日期 :2001 年 4 月
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 。当切削深度为 1μm 时所形成切屑的 SEM 照片如图 1 所示 。