论文部分内容阅读
摘 要：微细切削加工时由于特征尺寸的减小使得在微细切削在微尺度表面力学、微尺度摩擦学、微尺度传热学等方面有所不同。因此必须分析在微尺度切削条件下的尺寸效应以及由此产生的位错缺陷。同时，在微细切削条件下，切削的厚度与刀具刃口圆弧半径几乎在同一级别，导致了最小切削厚度的存在，以及切削过程中弹性恢复力的影响。
关键词：微细切削加工；尺寸效应
一、尺寸效应
微细切削与常规切削既有相同点，也有不同点。其相同点主要是两者均是采用机械式去除材料，但在常规微细切削加工中，每齿进给量通常比切削刃圆弧半径小，通常仅为微米，在微细切削加工过程中为了追求加工零件的微小化，刀具的尺寸非常小，刀尖圆弧半径通常为微纳米级。由于切削厚度与常规切削的不同，微细切削加工的切削厚度经常会接近最小切削厚度，甚至比最小切削厚度还要低，有时就会导致无法产生切削的现象，工件仅仅是被“碾压”过去，产生“犁耕”现象，工件材料表面产生塑性变形，导致不能正常切削。
当切削厚度减小到一定程度时，常规切削的理论不再适用于微切削，例如宏观条件下的各种假设不再成立，宏观表面力相对于体积力极其的微小，可忽略表面力作用；假设材料为均匀连续的介质可忽略材料的围观结构特性；宏观上通过假设的温度场连续而建立的温度梯度理论等。
微细切削中的尺度效应主要有三个方面：
（一）微表面力学的尺度效应，由于微细切削的尺度非常小，刀具与工件间的摩擦增大，因此不可忽略的是表面之间的相互作用力对微细切削的影响，当切削厚度接近最小切削厚度时，表面间的摩擦力将比切削刃产生切削的切削力更大，因此对微铣削的研究要更注重表面力而非体积力。
（二）微摩擦学的尺度效应，微细切削中刀具与工件间的摩擦将产生热能，由于工件与刀具间的接触面积比较小，故产生的热能尤为集中，对切削加工不利，通过改变切削刀具的几何角度可以降低摩擦，切削力降低，切削产生的热能减少，切削质量提高。
（三）微传热学的尺度效应，由于切削尺度和切削面积极小，导致切削产生的热量较为集中，热量的传递并不符合常规传热理论，应考虑微观状态下声子间相互作用和声子散射等的影响。
二、位错理论
位错是指材料晶体中存在的一种具有特殊结构内部缺陷，位错主要是用来解释材料发生塑性变形的理论。宏观切削时刀具切削尺度较大，故假设材料是均匀的、连续的，因而虽然在宏观切削时位错理论虽然也起作用，但是常常被忽略。在微细切削加工时候，当切削的尺度小于晶粒的直径时，金属内部应视为各向异性的、不连续的结构来进行切削。微细切削过程可以看做是材料晶格发生错位、微裂纹生成以及裂纹扩展的过程。位错常见的形态主要有2种，主要包括刃型位错和螺型位错，刃型位错主要是指在立方体结构的晶体中，晶体切应力的作用下发生局部滑移，后又在晶体内产生一个多余的半原子面，这种半原子面缺陷称为位错。
微细切削领域利用位错理论来研究微细切削时，认为位错在力的作用下需要发生塑性变形、微裂纹、形成切屑这三个阶段。
工件材料发生塑性变形是加工的初始阶段，塑性变形的逐渐增加，在宏观上将产生加工硬化。工件发生塑性变形及加工硬化，从微观上来说既是位错运动作用的结果。随着塑性变形及加工硬化的产生，材料内部将出现微裂纹。斯特洛提出了最简单的裂纹源模式下，位错塞积群顶端的应力集中，可能导致塞积头部的几个位错聚合形成裂纹源。在外加切应力作用下，自位错源运动的位错碰到强大的可锁住的障碍，就形成了塞积群。位错塞积到足够数量时，顶端的位错被迫尽可能靠近，当靠近到一个原子间距时，便形成了一个大位错，好像在解理面间插入了几个原子面厚的楔。后面的位错为了使应力得以松弛，相继进入解理面间，增大楔厚，直到形成一个裂纹。
三、最小切削厚度
微细切削加工中，由于切削的厚度非常小，刀具切削工件时的弹性恢复量不可忽略，导致了微细切削最小厚度acmin的存在。如图3.1，当切削厚度ac小于acmin时，切屑将不能形成，刀具与工件之间作用仅仅是使切削层发生弹性变形，而当切削厚度ac超过最小切削厚度acmin时，将会产生切屑，并且刀具与工件之间的相互作用将使工件切削层产生塑性变形，如果切削厚度与最小切削厚度接近或者等于最小切削厚度时，将同时存在弹性变形和塑性变形。
微细切削刀具的切削刃圆弧半径在微细切削中不容忽视，在传统切削中，由于在切削时切削刃起主要切削作用，故一般忽略刀尖的圆弧半径对切削的影响，然而当每齿进给量和切削厚度的逐渐减少到微米级的时候，切削刃圆弧半径同切削厚度非常接近，切削主要由切削刃圆弧半径处来完成，故在微细切削中切削刀具的切削刃圆弧半径尺寸不但不能忽略，反而起到了一个主导作用。
四、结论
本文对尺寸效应、位错理论、最小切削厚度等微细切削理论与常规切削理论进行对比分析，引用了國内外的学术研究成果，对微细切削研究有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]石学诚.微细铣削加工工艺参数优化与试验研究[D].吉林大学，2011.
关键词：微细切削加工；尺寸效应
一、尺寸效应
微细切削与常规切削既有相同点，也有不同点。其相同点主要是两者均是采用机械式去除材料，但在常规微细切削加工中，每齿进给量通常比切削刃圆弧半径小，通常仅为微米，在微细切削加工过程中为了追求加工零件的微小化，刀具的尺寸非常小，刀尖圆弧半径通常为微纳米级。由于切削厚度与常规切削的不同，微细切削加工的切削厚度经常会接近最小切削厚度，甚至比最小切削厚度还要低，有时就会导致无法产生切削的现象，工件仅仅是被“碾压”过去，产生“犁耕”现象，工件材料表面产生塑性变形，导致不能正常切削。
当切削厚度减小到一定程度时，常规切削的理论不再适用于微切削，例如宏观条件下的各种假设不再成立，宏观表面力相对于体积力极其的微小，可忽略表面力作用；假设材料为均匀连续的介质可忽略材料的围观结构特性；宏观上通过假设的温度场连续而建立的温度梯度理论等。
微细切削中的尺度效应主要有三个方面：
（一）微表面力学的尺度效应，由于微细切削的尺度非常小，刀具与工件间的摩擦增大，因此不可忽略的是表面之间的相互作用力对微细切削的影响，当切削厚度接近最小切削厚度时，表面间的摩擦力将比切削刃产生切削的切削力更大，因此对微铣削的研究要更注重表面力而非体积力。
（二）微摩擦学的尺度效应，微细切削中刀具与工件间的摩擦将产生热能，由于工件与刀具间的接触面积比较小，故产生的热能尤为集中，对切削加工不利，通过改变切削刀具的几何角度可以降低摩擦，切削力降低，切削产生的热能减少，切削质量提高。
（三）微传热学的尺度效应，由于切削尺度和切削面积极小，导致切削产生的热量较为集中，热量的传递并不符合常规传热理论，应考虑微观状态下声子间相互作用和声子散射等的影响。
二、位错理论
位错是指材料晶体中存在的一种具有特殊结构内部缺陷，位错主要是用来解释材料发生塑性变形的理论。宏观切削时刀具切削尺度较大，故假设材料是均匀的、连续的，因而虽然在宏观切削时位错理论虽然也起作用，但是常常被忽略。在微细切削加工时候，当切削的尺度小于晶粒的直径时，金属内部应视为各向异性的、不连续的结构来进行切削。微细切削过程可以看做是材料晶格发生错位、微裂纹生成以及裂纹扩展的过程。位错常见的形态主要有2种，主要包括刃型位错和螺型位错，刃型位错主要是指在立方体结构的晶体中，晶体切应力的作用下发生局部滑移，后又在晶体内产生一个多余的半原子面，这种半原子面缺陷称为位错。
微细切削领域利用位错理论来研究微细切削时，认为位错在力的作用下需要发生塑性变形、微裂纹、形成切屑这三个阶段。
工件材料发生塑性变形是加工的初始阶段，塑性变形的逐渐增加，在宏观上将产生加工硬化。工件发生塑性变形及加工硬化，从微观上来说既是位错运动作用的结果。随着塑性变形及加工硬化的产生，材料内部将出现微裂纹。斯特洛提出了最简单的裂纹源模式下，位错塞积群顶端的应力集中，可能导致塞积头部的几个位错聚合形成裂纹源。在外加切应力作用下，自位错源运动的位错碰到强大的可锁住的障碍，就形成了塞积群。位错塞积到足够数量时，顶端的位错被迫尽可能靠近，当靠近到一个原子间距时，便形成了一个大位错，好像在解理面间插入了几个原子面厚的楔。后面的位错为了使应力得以松弛，相继进入解理面间，增大楔厚，直到形成一个裂纹。
三、最小切削厚度
微细切削加工中，由于切削的厚度非常小，刀具切削工件时的弹性恢复量不可忽略，导致了微细切削最小厚度acmin的存在。如图3.1，当切削厚度ac小于acmin时，切屑将不能形成，刀具与工件之间作用仅仅是使切削层发生弹性变形，而当切削厚度ac超过最小切削厚度acmin时，将会产生切屑，并且刀具与工件之间的相互作用将使工件切削层产生塑性变形，如果切削厚度与最小切削厚度接近或者等于最小切削厚度时，将同时存在弹性变形和塑性变形。
微细切削刀具的切削刃圆弧半径在微细切削中不容忽视，在传统切削中，由于在切削时切削刃起主要切削作用，故一般忽略刀尖的圆弧半径对切削的影响，然而当每齿进给量和切削厚度的逐渐减少到微米级的时候，切削刃圆弧半径同切削厚度非常接近，切削主要由切削刃圆弧半径处来完成，故在微细切削中切削刀具的切削刃圆弧半径尺寸不但不能忽略，反而起到了一个主导作用。
四、结论
本文对尺寸效应、位错理论、最小切削厚度等微细切削理论与常规切削理论进行对比分析，引用了國内外的学术研究成果，对微细切削研究有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]石学诚.微细铣削加工工艺参数优化与试验研究[D].吉林大学，2011.