极薄车削中切屑形貌的实验分析 - 文章

极薄车削中切屑形貌的实验分析

作者：哈尔滨工业大学赵奕李旦董申周明

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在超精密车削过程中，由于切削厚度极小，金刚石车刀的刃口半径对切削过程的影响已不容忽视。由于切屑形貌包含有切削过程中丰富的信息，所以对切屑形貌进行深入的观察分析将有助于人们对极薄切削过程的认识。当切削厚度极小时，切屑呈粉尘状漂浮于空气中，所以对切屑的搜集非常困难。笔者采用圆弧刃金刚石车刀对铝和单晶锗进行了超精密车削实验。由于圆弧刃车刀的车削过程是变切深切削，所以搜集切屑显得相对容易，并在扫描电子显微镜(SEM)下对切屑形貌进行了观察。

1 最小切削厚度的推导

图1为采用圆弧刃金刚石车刀的超精密车削过程切削截面示意图。图中f为进给量；R为金刚石车刀的圆弧半径；ac为在圆弧上任一点的切削厚度；d为圆弧上切厚为ac的点到已加工表面的距离；ap为切削深度；O1、O2分别为进给前和进给后车刀刀尖圆弧的圆心位置。可以看出，在切削过程中，沿着金刚石车刀圆弧各点的切削厚度是不一样的。从刀具中心与工件已加工表面的接触点到刀具与工件待加工表面的接触点，切削厚度由0变成最大值。所以这段切屑的形貌将反映在相同车刀刃口半径下，不同切削厚度对切屑变形的影响程度。

图1 切削过程几何示意图

在实际切削过程中，由于刀具刃口半径的影响，当切削厚度小到一定程度时，工件无法被切除。工件刚好能被切除时的切削厚度称为最小切削厚度，用acmin表示。实际切除的切屑宽度称为切屑宽度，用Wr表示。假设切屑完全切削下来，则切屑的宽度是从刀具中心到工件待加工表面这一段的圆弧距离，称为切削宽度，用Wth表示。

由于在实际切削过程中R＞＞f，所以θ非常小，经推导可得切削厚度ac和进给量f的关系

a_c=f×(2d/R-d²/R²)^½

(1)

由于d＜＜R，上式可化简成

a_c=f×(2d/R)^½

(2)

根据图1，可以得到切削宽度

W_th=(2Ra_p)^½

(3)

结合式(2)和式(3)，可得到最小切削厚度

a_cmin=[(2Ra_p)^½-W_r]f/R

(4)

切屑宽度Wr可从实验所搜集到的切屑的SEM照片上测量得到，利用上式就可以计算出最小切削厚度。

2 实验结果分析

本实验是在自行研制的HCM-I型亚微米超精密车床上进行的，分别对铝和单晶锗进行了车削实验。所采用的金刚石车刀为英国Contour Fine Tooling公司生产的圆弧刃车刀，车刀前角为-25°，圆弧半径为1.5 mm。实验室内温度控制在(20±1)℃，为便于收集切屑，未采用切削液。

实验所采用的铝材为直径90mm的LY12铝棒。车削所采用的切削深度为3μm；进给量为1.8μm/r，主轴转速为1200r/min。图2是所得到的切屑整体形貌的SEM照片。这是较为典型的连续带状切屑，实测切屑宽度约为65μm，则由式(4)可得到最小切削厚度为36 nm。图3和图4分别是切屑的薄边和厚边的局部放大SEM照片。从中可以明显看出切屑是由剪切滑移的层状薄片堆积形成的。当切削厚度比较大时，切屑结构比较紧密；切削厚度变小时，切屑结构比较疏松。对图4中可测得最小切削厚度所对应的切屑厚度，约为860 nm。结合由式(4)得到的最小切削厚度acmin为36 nm，发现此时的切屑厚度约为切削厚度的24倍，远远大于常规切削中的切屑变形系数。这是因为此时金刚石车刀的刃口半径已经和切削厚度处于同一数量级，甚至已经超过切削厚度，实际切削过程就好像一个圆柱体在工件表面进行滑动挤压一样，会使剪切角变得非常小。这说明当切削厚度减小到纳米级时，切屑变形将会显著增加。

图2 铝切屑的整体形貌SEM照片图3 切屑较薄边SEM照片图4 切屑较厚边SEM照片

单晶锗是一种脆性材料，在对它的切削实验中，仍采用和车削铝材实验中相同的车刀。选取较大进给量(3～5 μm)时，切屑为崩碎粒状断屑，形成尘雾漂浮于空气中。当进给量减小时，可发现连续带状的切屑。切削深度为2.5μm，进给量为1.0μm/r，主轴转速为2500r/min时得到的切屑照片见图5。实际切屑宽度由图5可得，约为60μm。由式(4)可以得到最小切削厚度约为19 nm。这要小于采用同样车刀对铝进行车削得到的最小切削厚度，可能是由于铝是塑性材料，在车刀作用下会产生较大的弹性变形，当切削厚度很小时，难以切除；而单晶锗是脆性材料，弹性变形极小，所以在切削厚度很小时仍能切除。

图5 单晶锗切屑整体形貌SEM照片图6 单晶锗切屑局部SEM照片

图6为单晶锗切屑的局部SEM照片。由于单晶锗是半导体材料，所以要用SEM显微镜在更大的放大倍数下观察到切屑形貌非常困难。从图中可以看出，切屑的厚度大约是400 nm左右，这和对铝进行车削的切屑变形基本一致。目前认为，对脆性材料车削中存在脆塑转变点，当切削厚度小于临界切削厚度时，材料将以剪切滑移塑性变形方式去除；当切削厚度大于临界切削厚度时，材料将会产生脆性破坏，这将严重地影响表面质量。从图5和图6中发现，虽然切屑的整体呈连续带状，但是其中也存在一些由于脆性破坏造成的坑点。这些坑点是由两部分造成的：本次车刀进给时，在切削厚度较大处产生的脆性破坏；由于产生的破坏坑点有一定的深度，前几次进给时在圆弧面上产生坑点对本次进给车削造成了一定的影响。因此，从切屑照片上来看，破坏坑点的分布显得杂乱无章。对破坏坑点产生的深度和切削厚度之间的关系还有待进一步研究。

3 结论

笔者采用圆弧刃金刚石车刀对铝、单晶锗进行车削实验，实现了对塑性材料和脆性材料的纳米级微薄切削。在超精密车削过程中，当切削厚度达到纳米级时，由于金刚石车刀的刃口半径造成的影响，切屑的变形系数远远大于常规下的切屑变形系数，一般可达20以上。因此在超精密车削中，为了得到超光滑表面，金刚石车刀的刃口半径应严格控制，应选用刃口较好的车刀。在对脆性材料单晶锗的切削实验中得到的最小切削厚度要小于塑性材料金属铝的最小切厚。这是因为脆性材料能产生的弹性变形极小，所以在切削厚度很小时，仍能切除。在单晶锗的切屑上有一些由于脆性破坏产生的坑点，若这些坑点扩展到已加工表面，将会严重影响表面质量。对破坏坑点产生的深度和切削厚度之间的关系还有待进一步研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/26/2006)


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