高速切削

　　刀具直徑越小，有效切削工件所需的主軸轉(zhuǎn)速就越高。用微型刀具進(jìn)行銑削、鉆削、銑螺紋和雕銑加工時(shí)，采用轉(zhuǎn)速范圍 6000～60000r/min的高頻主軸最為理想。高速切削技術(shù)采用了高轉(zhuǎn)速、小步距、大進(jìn)給的加工策略。試想，移動(dòng)你的手通過(guò)燃燒著的蠟燭火苗，如果你的手移動(dòng)緩慢，火苗就有足夠時(shí)間灼傷你的手;而如果你的手快速掠過(guò)，火苗就來(lái)不及灼傷皮膚。用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的原理也與此類似，當(dāng)?shù)毒呖焖僖苿?dòng)時(shí)，切削熱就來(lái)不及傳入工件中并造成各種問題。

　　在切削加工過(guò)程中，刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40%來(lái)源于刀具每一個(gè)刀面與切屑的摩擦發(fā)熱，另有約20%來(lái)源于切屑的變形 (彎曲)發(fā)熱。因此，總共有約60%的切削熱來(lái)源于切屑內(nèi)部。高速切削技術(shù)嘗試?yán)�用切屑帶走大部分熱量，以�?shí)現(xiàn)更為清潔的切削。較高的加工質(zhì)量是基于良好 的刀具冷卻、較低的切削力和因此而減小的加工振動(dòng)。

　　采用高主軸轉(zhuǎn)速可將切屑載荷(切深)減小到0.005″(0.13mm)以下，如此小的切深能顯著減小刀具與工件材料之間的切削力。高速/小切 削力加工產(chǎn)生的熱量較少，可減小刀具偏差，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，采用高速切削可以獲得較好的加工表面質(zhì)量，切削溫度較低，工件易 于夾持，加工精度也較高。

　　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)：

　　材料微量加工性的影響

　　材料的去除過(guò)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(lái)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)。

　　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(guò)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。

　　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

　　hDmin=(0.165～0.246)r

　　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(guò)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。

　　采用應(yīng)變梯度理論，可以預(yù)測(cè)出尺度效應(yīng)和位錯(cuò)影響，獲得與試驗(yàn)相吻合的結(jié)果，在微機(jī)械與微構(gòu)件領(lǐng)域已成功分析了微米壓痕、裂紋尖端場(chǎng)、界面裂紋、細(xì)絲扭轉(zhuǎn)與微薄梁彎曲等問題，并開始在微成型研究中得到應(yīng)用，采用應(yīng)變梯度塑性理論研究微切削變形將是微切削機(jī)理研究的方向。另外，微切削時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速一般都非常高，加工精度要求非常精密，因此微切削具有高速精密切削的特征，將高速精密切削機(jī)理的研究成果應(yīng)用到微切削領(lǐng)域也是微切削研究的趨勢(shì)。微切削機(jī)理的模擬仿真

　　主要利用有限元技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)方法，有限元技術(shù)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)，因此分子動(dòng)力學(xué)方法更適用于微切削。采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)微切削機(jī)理的模擬仿真研究在世界范圍內(nèi)已開展了十幾年，研究工作主要是建立原子、分子尺度的切削模型，從原子、分子角度去理解切屑和表面形成過(guò)程，解釋材料性能、刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)微切削應(yīng)力與應(yīng)變分布、切削力、切削溫度和已加工表面質(zhì)量等的影響。

　　微切削力

　　微切削時(shí)的切削力較小，但單位切削力較大，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)。切削力尺寸效應(yīng)的存在使得普通切削的切削力模型已不適合于微切削。切削力的尺寸效應(yīng)與刀具刃口半徑關(guān)系密切，由于刃口圓弧半徑的存在，切削刃在微量切削時(shí)形成一個(gè)較大的負(fù)前角，使切削變形增大，切削時(shí)的單位切削力增大。如切削深度進(jìn)一步減小時(shí)，切削有可能在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，此時(shí)，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。微切削時(shí)的切削力還與晶向和晶界有關(guān)。