影響超精密車削表面粗糙度幾種主要因素分析

影響超精密車削外表粗糙度幾種主要因素分析

摘要：論述了影響超精密車削外表粗糙度的幾種主要因素，具體分析了刀具幾何外形、最小切削厚度、不規(guī)那么的金屬變形、切削用量、振動等因素對加工外表粗糙度的影響，為超精密車削加工外表質量的控制提供了依據(jù)。超精密切削的主要目的是要切下一層極薄的金屬層，與普通切削相比，刀具前刀面參與切削局部面積減小，而刀刃四周區(qū)域卻要承當大局部的切削工作，這對所選擇的刀具材料提出了更高的要求。另外，背吃刀量從幾微米減小到一微米以下時，車刀的尖端會受到很大的應力作用，從而在單位面積上會產(chǎn)生很大的熱量，使刀具尖端局部區(qū)域到達極高的溫度。切削時采用的背吃刀量越小，就越要求使用的刀具耐熱性能高、耐磨性強和硬度高，而金剛石刀具恰恰能夠滿足上述要求。因此，金剛石刀具被普遍以為是超精密加工最為理想的刀具。在超精密加工中，刀具的幾何外形、振動、刀具的磨損、機床的幾何運動精度和工件材料的變形等因素對超精密車削外表粗糙度具有明顯的影響。

圖1理想狀態(tài)下形成的外表微觀形貌

圖2超精密車削模型1刀具幾何外形對外表粗糙度的影響刀具的切削局部包括：前刀面、后刀面、刀具的圓弧半徑及刃口半徑等要素，各種要素的不同組合形成不同的切削形態(tài)。在切削過程中，刀具切削局部的形態(tài)直接影響著切削過程的穩(wěn)定性和外表質量。理想狀態(tài)下，采用圓弧刃金剛石刀具進行超精密車削加工軟金屬時，在工件加工外表形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的間隔，被稱為理論粗糙度(見圖1)，其大小即是f2/8R(f為進給量，R為刀具圓弧半徑)。超精密車削模型如圖2所示，在超精密切削塑性金屬時，主切削刃和前刀面的主要任務是往除金屬，切削層在前刀面的擠壓作用下發(fā)生剪切滑移和塑性變形，然后形成切屑沿前刀面流出。前刀面的外形直接影響塑性變形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之間的摩擦特性，并直接對切削力、切削溫度、切屑的折斷方式和加工外表質量造成明顯影響。主切削刃是前刀面和后刀面的交線。實際上前刀面和后刀面的交線不可能為理想直線，而是一微觀交接的曲線。該曲線的外形可以近似用與其在不同位置的法平面相交成交線的均勻曲率半徑來反映，稱其為刃口半徑r。切削時刃前區(qū)的應力狀態(tài)十分復雜，應力集中造成金屬中位錯集中，導致金屬產(chǎn)生塑性變形和滑移別離，一局部金屬成為切屑沿前刀面流出，另一局部金屬經(jīng)后刀面熨壓留在已加工外表。由于兩局部金屬運動方向不同，必然使刀具刃口前金屬呈拉伸狀態(tài)，拉應力使刃前區(qū)金屬的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金屬產(chǎn)生滑移別離。刃口半徑越小，應力越集中，變形越輕易，切削力越小，加工外表質量越好。也就是說刃口半徑對切削過程有較大影響，同時對切削力、切削溫度和切屑變形系數(shù)都有不同程度的影響。因此，進步刀具的鋒銳程度，可減小刀具對金屬的擠壓力，使金屬的變形程度降低，減緩金屬的冷作硬化，有助于進步切削過程的穩(wěn)定性，改善加工外表質量和延長刀具的使用壽命。另外，切削層金屬被通過分流點O且平行于已加工外表的分流線分為兩局部，分流線以上的材料沿前刀面流出，分流線以下的塑性變形層被O點以下的刀刃熨壓后成為已加工外表。經(jīng)過熨壓以后，刀刃下方的材料產(chǎn)生嚴重的壓縮變形，對已加工外表質量產(chǎn)生直接影響。2最小切削厚度對外表粗糙度的影響除了機床本身的性能以外，使用刀具切削刃有效地切除工件材料時，最小切削厚度(MTC)的可控性和重復性是影響加工精度的主要因素。MTC不僅可以反映切削刃的納米級微觀結構，還可以反映出刀具和工件材料之間的相互作用狀態(tài)。最小切削厚度被定義為能夠從工件材料上有效地往除金屬的最小厚度。切削厚度越小，工件材料抵抗塑性變形的能力越強，刀具和材料原子之間的相互作用力越弱。當金剛石刀具刃口半徑為幾個納米的特定切削環(huán)境下，終極可到達的加工精度與最小切削厚度為同一個數(shù)目級。日本學者在高穩(wěn)定的機床上使用特制的金剛石刀具切削單晶銅，獲得了非常微細的切屑，并使最小切削厚度可以到達$%&。最小切削厚度這個變量隨著刀具的幾何外形和切削條件的不同而變化。美國和日本有關專家通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：金剛石刀具的刃口半徑r對最小切削厚度有明顯的影響，當車削鋁合金的時候，最小切削厚度大約為所采用刀具刃口半徑的0.3～0.6倍，這個比值隨著被加工材料和切削條件(如進給量和刀具的圓弧半徑)的不同而略有差異。3金屬變形對外表粗糙度的影響金屬切削加工過程非常復雜，加工后形成的外表粗糙度與工件的材料、刀具的幾何外形、潤滑方法以及選用的切削深度密切相關。剪切、滑移和斷裂被以為是影響切屑形成的幾個主要因素。超精密切削時只要有切屑產(chǎn)生，就可以把該過程模型化為材料沿著與水平面傾斜一定角度的平面被刀具剪切的過程，在已加工外表上形成的峰、谷高度隨刀具刃口鋒銳輪廓的變化而變化。

圖3切屑發(fā)生的變形示意圖最小切削厚度的存在使小于一定切削深度的工件材料不能被切除。圖3中所示的Xc值通常大于進給量的一半，所以不完整切屑的形成只能使外表粗糙度的值增加。對已加工外表粗糙度進行丈量時我們往往會發(fā)現(xiàn)一種希奇的現(xiàn)象，外表粗糙度的丈量值有時很小，什么原因造成的呢?我們可用材料變形的觀點對這個題目作出公正解釋。圖3中陰影所示局部為在加工外表上殘留的區(qū)域，有關文獻把它命名為spanzipfel(殘留區(qū))。虛線表示理想條件下材料往除形成切屑的邊界外形，磨損的刀具進給時對被加工金屬產(chǎn)生擠壓磨光作用，使金屬產(chǎn)生塑性變形，終極導致殘留區(qū)的左邊界線發(fā)生偏斜，左邊界線由虛線1的位置變到實線2的位置：另外，用刀具切削金屬時在已加工外表將產(chǎn)生彈性恢復變形，使加工外表的外形由虛線3的位置變?yōu)閷嵕€4的位置，導致殘留區(qū)高度的降低、外表粗糙度值相應減小。其中殘留區(qū)的上下主要取決于所使用刀具的刃口半徑的大小。刀具刃口半徑不同產(chǎn)生的彈性恢復變形不同，其對應關系如下式所示。S=KrHE(1)

圖4加工外表微觀形貌的AFM照片式(1)中S為材料恢復變形的高度，r為金剛石刀具的刃口半徑，K為常數(shù)，H為材料的硬度，E為材料的彈性模量。由此可見：金屬材料彈性恢復變形量的大小隨著工件材料而變化，且工件外表彈性恢復變形量與刃口半徑呈線性關系。加工同一種材料，采用刀具的刃口半徑較小時，加工外表產(chǎn)生的彈性恢復變形較小：當?shù)毒呷锌诎霃捷^大時，在加工外表會產(chǎn)生較大的恢復彈性變形，從而降低了在已加工外表形成的峰谷之間的高度。因此，工件材料的彈性恢復變形和塑性變形，也有可能使已加工外表粗糙度值變小，這也是刀具磨損時卻能加工出粗糙度值較小外表的主要原因。由丈量得到的圖4AFM照片也可以明顯看出：金屬的變形對外表形貌有明顯的影響。另外，工件材料對金剛石車削加工外表粗糙度有明顯的影響，在一般車削加工中經(jīng)常忽略材料晶體微觀結構的影響，而金剛石車削中材料對外表粗糙度的影響卻不容無視。例如：某種材料的彈性模量主要依靠于單晶體的晶向，固然銅、鋁同樣是軟金屬，但它們的硬度卻有較大差異。在同樣條件下切削上述兩種金屬時，切削狀態(tài)不同，產(chǎn)生切削力的大小也會有所不同。另外，被加工材料的純度、材質是否均勻以及晶體的晶向各異性都會對加工外表質量產(chǎn)生重要影響。4切削用量對外表粗糙度的影響筆者通過采用回回分析方法在大量的試驗和觀察中尋找隱躲在隨機性后面的統(tǒng)計規(guī)律性，根據(jù)實驗目的和數(shù)據(jù)分析來選擇實驗點，使得在每個實驗點上獲得的數(shù)據(jù)含有大量的信息，在113m/min≤V≤314m/min，1.8μm/r≤f≤5.0μm/r，1.50μm≤ap≤6.00μm的條件下，建立了如公式(2)所示的金剛石車刀車削鋁合金外表粗糙度的猜想模型，(V：切削速度，f：進給量，ap：背吃刀量)，從中可以看出各種切削參數(shù)對外表粗糙度值的影響。Ra=13.635V-0.1025f0.5123ap-0.0382(2)在上述的條件下，從猜想模型可反映出：隨著切削速度的增加，外表粗糙度值略微減小，這種變化主要受機床動態(tài)特性的影響。當f=5.0μm/r，ap=6.00μm時，利用模型作出如圖5所示的切削速度與外表粗糙度對應關系曲線，從中也可看到切削速度變化時，外表粗糙度的變化范圍僅為2nm左右，因此說切削速度對外表粗糙度根本無影響。金剛石車削銅合金時也能夠得到同樣的結論。

圖5切削速度和外表粗糙度對應關系曲線

圖6背吃刀量和外表粗糙度對應關系曲線

圖7進給量和外表粗糙度對應關系曲線車削鋁合金時，背吃刀量對加工外表粗糙度的影響也不明顯，當切削速度為314m/min、進給量為5μm/r時，利用模型作出如圖6所示的背吃刀量與外表粗糙度對應關系曲線，從中可看到背吃刀量小于6μm時，對加工外表粗糙度根本無影響。當切削速度為314m/min、背吃刀量為6μm時，利用模型作出如圖7所示的進給量與外表粗糙度對應關系曲線，從中可知小進給量可得到小的外表粗糙度值。但是由于最小切削厚度的存在，實測的外表粗糙度值往往要比理論粗糙度值大幾倍。5振動對外表粗糙度的影響盡管超精密車床具有很高的剛度，但振動仍然是影響外表粗糙度的主要因素之一。超精密機床通常都有很高的固有頻率，在超精密加工過程中，實際的工藝系統(tǒng)是一個非常復雜的振動系統(tǒng)，系統(tǒng)中的振動使工件與刀具之間的相對位置發(fā)生了微幅變動，終極使工件外表粗糙度增大、外表質量降低。有關學者通過研究發(fā)現(xiàn)：機床主軸的振動、導軌的振動以及刀具的振動都具有高頻率、小振幅的特征，積屑瘤、外界干擾、機床剛性缺乏以及高速旋轉部件不平衡也會引起切削振動，終極導致加工外表微觀特征的改變。另外，切削系統(tǒng)中的動態(tài)效應對振動也有明顯