[发明专利]一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于微细加工的微细刀具，尤其涉及一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，属于微细加工技术领域。

背景技术

微小型系统是微小尺度范围内光、机、电、液、磁等高度集成的一类系统，微小型结构件是其中连接及支撑功能部件、承受载荷、执行运动或输出动力的纯机械或机电一体的零部件。微小型结构件在对象尺度、构件材料和结构形式方面具有以下特点：(1)特指整体尺度在毫米级、特征尺度在微米级的零件和结构；(2)主要由金属、合金、金属基复合材料等非硅材料制成，强度硬度高，机械特性好，具有一定的耐磨损、耐腐蚀、耐高温或抗过载能力，能够服役于高温、高压、高速旋转、高频率/高g值冲击、强酸碱盐、膛压发射、核辐射等恶劣工况条件；(3)包括座体、框架、腔体、薄壁、窄槽、轴、孔、轮系等多种三维或准三维的结构形式，零件之间以连接、装配或传动的方式构成微系统，因而对于其形状精度和位置精度的要求较高。微小型系统及其相关产品的应用包括有陀螺仪等惯性器件、微型注塑成型模具、微小卫星、微型机器人以及微机电引信等。

微小型结构件的结构与材料特点对于相应的加工技术提出了较高要求。硅基MEMS技术和LIGA技术是目前比较成熟的微细加工技术，但并不能完全满足微小型结构件的加工需求。以直接去除材料为主要特征的微细切削技术在三维加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面具有一定的综合优势，是发展微系统技术所必须突破的关键技术之一。

微细切削是指对毫米级总体尺度结构进行微米级切削层去除的切削加工。通常通过线度尺寸微小的实体刀具对微细切削层的挤压、变形、切离、摩擦作用实现材料的微量去除。微细切削中所用的微细切削刀具不是传统切削刀具在整体尺度或局部特征尺度上的简单缩小，而是基于微细切削的特点与加工机理，面向多种材料微小零件或结构具体加工需求的一类特种切削刀具。

美国、德国、日本等工业发达国家对于微细切削刀具的基础研究与技术开发比较重视，相继研制出一系列微细切削刀具，但是由于各种原因，关于微细刀具的刃口设计并没有非常精确，目前还只是集中在对刀具的几何形状的设计和研究上。一般的刀具刃口半径都在几十微米至几微米之间，在一般的加工中，切削厚度比刃口半径大很多，因此不考虑尺寸效应。而在微细切削中，切削厚度与刃口半径相近，甚至小于刃口半径，这样切削刃承受的法向应力迅速增加，从而容易导致切削刃因承受过大的应力而发生崩刃。现有微细刀具的刃口半径在全切削刃区域上都是一样的，因而有必要开发一种变刃口半径的微细刀具，以改善微细刀具刃口区的切削状况，提高刀具寿命。

临界切削厚度因被加工材料而异。现有的研究已经表明，在切削深度大于临界切削厚度的一般切削中，工件材料去除过程以剪切滑移为主，如图1所示，在此过程中能够产生连续的切屑，因而切削过程是平稳而顺利的。当切削厚度小于临界切削厚度时，工件材料的去除过程以耕犁和滑擦为主，剪切情况变少，甚至完全是耕犁和滑擦，材料的去除完全靠刃口对工件材料的挤压和剥离，材料先在刃口区域堆积，然后被刃口去除，这样加工表面往往是存在缺陷的。如图2所示，一般切削(右)过程中不存在负前角，而当切削厚度小于刃口半径的微细切削时，实际的工作前角是负的(γ<0)，这样不利于未定切削状态(剪切滑移)的形成，这种现象就是尺寸效应。

被加工材料的临界切削厚度的确定可以通过正交切削实验或切削有限元仿真的方法来实现。通过分析实验或仿真中主切削力和进给方向切削力的大小来判断切削状态何时是耕犁，何时是剪切。当主切削力大于进给力时切削状态以剪切滑移为主，反之则以耕犁和滑擦为主。

以常见的麻花钻来说，其主切削刃上不同位置处的切削状况是不同的。如图3所示，在靠近横刃处(图3c)是负前角切削(γ<0)，在外缘处(图3a)是正前角切削(γ>0)，在这中间的位置(图3b)则是由正前角切削逐渐过渡到负前角切削。在微细钻削中每转进给量都非常小的情况下(即切削厚度很小)，尺寸效应的影响就会出现，如果此时主切削刃上的刃口半径还是处处相等的话，靠近横刃区的切削状况就会进一步恶化。