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。用微型刀具進行銑削、鉆削、銑螺紋和雕銑加工時，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、大進給的加工策略。試想，移動你的手通過燃燒著的蠟燭火苗，如果你的手移動緩慢，火苗就有足夠時間灼傷你的手;而如果你的手快速掠過，火苗就來不及灼傷皮膚。用微型刀具進行高速切削加工的原理也與此類似，當?shù)毒呖焖僖苿訒r，切削熱就來不及傳入工件中并造成各種問題。

　　在切削加工過程中，刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40%來源于刀具每一個刀面與切屑的摩擦發(fā)熱，另有約20%來源于切屑的變形 (彎曲)發(fā)熱。因此，總共有約60%的切削熱來源于切屑內(nèi)部。高速切削技術(shù)嘗試利用切屑帶走大部分熱量，以實現(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。

　　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，并可實現(xiàn)對薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點，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。

　　微細切削加工主要 是指對零件尺寸在1mm以下、加工精度為0.01～0.001mm的微細尺寸零件的加工;超微細加工是指對尺寸在1µm以下的超微細零件的加工;納米級超 微細加工是指對微細度為1nm以下的零件進行的加工。實現(xiàn)納米級超微細切削加工主要存在以下技術(shù)難點：

　　材料微量加工性的影響

　　材料的去除過程不僅取決于切削刀具，同時也嚴格受制于被加工材料本身。超微細切削加工材料的選擇以納米級的表面質(zhì)量為前提，稱為材料的“微量加工性”(可用納米級表面粗糙度及在某一加工距離上對刀具磨損的可忽略性來定義)。影響材料微量加工性的因素包括被切削材料對金剛石刀具的內(nèi)部親合性(化學反應)、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零件加工表面完整性具有較大影響)。

　　單位切削力大

　　微細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。實現(xiàn)納米級超微細加工的物理實質(zhì)是切 斷材料分子、原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原子或分子的去除，因此切削力必須超過晶體內(nèi)部的分子、原子結(jié)合力。當切削深度和進給量極小時，單位切削面積上的切削力將 急劇增大，同時產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高，因此在微細切削時對刀具要求較高，需采用耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強度好的超硬刀具材 料。在切削鋁合金等有色金屬時，最常用的是金剛石刀具。

　　刃口圓弧半徑對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0.03～0.15µm;經(jīng)過特殊刃磨的刀具可達 r=0.1µm，最小切削厚度可達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，而目前對這種極為鋒利的金 剛石刀具的刃磨和應用都非常困難。

　　采用應變梯度理論，可以預測出尺度效應和位錯影響，獲得與試驗相吻合的結(jié)果，在微機械與微構(gòu)件領域已成功分析了微米壓痕、裂紋尖端場、界面裂紋、細絲扭轉(zhuǎn)與微薄梁彎曲等問題，并開始在微成型研究中得到應用，采用應變梯度塑性理論研究微切削變形將是微切削機理研究的方向。另外，微切削時的主軸轉(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，將高速精密切削機理的研究成果應用到微切削領域也是微切削研究的趨勢。微切削機理的模擬仿真

　　主要利用有限元技術(shù)和分子動力學方法，有限元技術(shù)以連續(xù)介質(zhì)力學為基礎，因此分子動力學方法更適用于微切削。采用分子動力學方法對微切削機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程，解釋材料性能、刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對微切削應力與應變分布、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，且在切深很小時切削力會急劇增大，這就是切削力的尺寸效應。切削力尺寸效應的存在使得普通切削的切削力模型已不適合于微切削。切削力的尺寸效應與刀具刃口半徑關系密切，由于刃口圓弧半徑的存在，切削刃在微量切削時形成一個較大的負前角，使切削變形增大，切削時的單位切削力增大。如切削深度進一步減小時，切削有可能在晶粒內(nèi)部進行，此時，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。微切削時的切削力還與晶向和晶界有關。