超微细切削加工质量的影响因素及措施

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超微细切削加工质量的影响因素及措施
超微细切削加工质量的影响因素及解决措施：
精细切削加工主要是指对零件尺寸在1mm 以下、加工精度为0. 01 ~0. 001mm 的微细尺寸零件的加工； 微细切削加工是指对尺寸在1μm 以下的微细零件的加工；超微细切削加工是指对微细度为1nm 以下的零件进行的加工。
1. 影响超微细切削加工的主要因素：
（1） 单位切削力的影响： 实现超微细加工的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除， 因此切削力必须超过晶体内部的分子、原子结合力。当背吃刀量和进给量极小时，单位切削面积上的切削力将急剧增大， 单位切削力将非常大，同时产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度升高，直接影响到切削加工的正常进行。
（2） 材料微量加工特性的影响： 材料的去除过程不仅取决于切削刀具，同时也严格受制于被加工材料本身。超微细切削加工材料的选择以纳米级的表面质量为前提， 称为材料的“微量加工性”（ 可用表面粗糙度及在某一加工距离上对刀具磨损的可忽略性来定义）。.影响材料微量加工性的因素包括被切削材料对金刚石刀具的内部亲合性（ 化学反应），材料本身的晶体结构、缺陷、分布和热处理状态等（ 如多晶体材料的各向异性对零件加工表面完整性具有较大影响）。
（3） 刃口圆弧半径对超微量切削厚度的限制：刀具刃口半径限制了其最小切削厚度，刀具刃口半径越小，允许的最小切削厚度也越小。公式hmin = （ 0. 165 ~0. 246） ρ给出了一般情况下超微细切削中刀具刃口半径和其可加工最小切削厚度的关系； 目前常用的金刚石刀具的刀刃锋利度约为ρ= 0. 2 ~0. 5μm, 最小切削厚度可达0. 03 ~0. 15μm; 经过特殊刃磨的刀具可达ρ=0. 1μm, 最小切削厚度可达0. 014 ~0. 026μm.若需加工切削厚度为1nm 的工件， 刀具刃口半径必须小于5nm,而目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用都非常困难。
（4） 刀具的磨损和破损： 由于金刚石刀具存在微磨损，在切削一段时间后，刀具磨损会逐渐加剧，有时甚至会突然恶化。金刚石刀具的失效有两种形式：崩刃和磨损。金刚石刀具的机械磨损和微观崩刃是由刀刃处的微观解理造成的，其磨损的本质是微观解理的积累。累积的金刚石刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上，在经过数十万米的切削长度之后，这种磨损变为亚微米级磨损。由于氧化、石墨化、扩散和碳化的作用， 金刚石刀具也会产生热化学磨损。崩刃是当刀具刃口上的应力超过金刚石刀具的局部承受力时发生的，是最难预测和控制的损伤，而且对加工表面质量的影响比前、后刀面磨损的影响要大。降低切削温度可有效减少刀具磨损。此外，在充满饱和碳气体中进行切削也可抑制金刚石刀具的碳化作用。
4 z9 g5 l) V9 e0 l) {' ?（5） 切削过程中的微振动：工件表面形貌是由于刀具的轮廓映射到工件上的结果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之间相对运动的精度及刀具刃口形状决定。微细切削时，由于背吃刀量常常小于材料的晶粒直径，所以相当于对一个个不连续体进行切削。这种微观上的断续切削及机床的动特性会引起切削过程中的微振动。 微细切削中的微振动对加工表面质量的影响也不容忽略。
（6） 积屑瘤对加工过程的影响超： 微细切削时，积屑瘤的影响不容忽视。积屑瘤影响切削力和切削变形，冷焊在刀刃上的积屑瘤还会影响加工表面粗糙度。除刀刃的微观缺陷对积屑瘤的产生有直接影响外，切削速度和进给量对积屑瘤产生的影响也是显而易见的。微细切削时，在所有切削速度范围内都有积屑瘤存在，但切削速度的大小将影响积屑瘤的高度，切削速度越低， 积屑瘤越高；进给量越小，积屑瘤也越高。
    二、 解决措施：
7 Y, d% R- {! z1 a0 W7 n要解决上述因素对超微细切削加工的影响，加工时可采取以下解决措施：
$ n" C6 y- |2 k/ X) ~& A; q/ V（1） 正确选用刀具材料：针对超微细加工单位切削力非常大，产生大量热量， 使得刃尖区域温度很高的特征，在加工时必须选用符合要求的刀具，所选用刀具材料需具备耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的特性，在超微细加工中，最常用的是金刚石刀具。
（2） 合理选择工件材料：为了提高超微细加工表面质量，应合理选择工件材料。选择微量加工性较好的工件材料（ 如非晶体材料或拥有精细晶粒结构的材料） 可以得到加工表面完整性较好的工件表面。
（3） 减小刃口圆弧半径：用金刚石刀具超精密切削加工有色金属和非金属材料，能获得Ra = 0. 02 ~0. 002μm 的镜面，精细研磨刀具后可切出厚度达1nm 的切屑。目前金刚石刀具的刃口质量主要靠在旋转的铸铁盘上对金刚石刀具刃口进行精细研磨、抛光获得，而采用离子束加工及化学抛光加工可使被加工刀具具有亚微米级的形状精度。
) `0 i: ]( C( x8 ~, C（4） 采用斜角切削斜角切削：可以增大实际切削前角，减小切削刃圆弧半径及极限最小切削厚度，从而实现超薄切削和微细切削。微细切削时，刃倾角的选择需综合考虑金刚石刀具晶面的选择及刃磨。
- r; G! B" j/ N& a! g4 H0 y（5） 选择适当的刀具前、后刀面：天然金刚石具有硬度高、耐磨性强、高温强度高、导热性好、与有色金属间的摩擦系数低和能磨出极锋利的刀刃等一系列优异特性。因此，虽然天然金刚石价格昂贵，但仍是不可替代的超微细切削刀具材料。

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