微细切削加工基本理论研究

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。WWw.yBASK.cOM
（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，引用了国内外的学术研究成果，对微细切削研究有一定的借鉴意义。