超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究
切削过程中材料去除机制及切屑形态演化研究
切削过程中材料去除机制及切屑形态演化研究切削是一种常见的机械加工方法，通过在工件上施加切削力，去除材料以形成所需的形状和尺寸。
然而，在切削过程中，材料的去除机制以及切屑的形态演化是一个复杂而关键的问题。
研究这些问题不仅有助于深入理解切削过程的本质，还能够指导切削工艺的优化和刀具的设计。
在切削过程中，材料的去除主要通过切削刀具与工件的相对运动来完成。
刀具与工件之间形成一定的切削角，并施加一定的切削力。
切削刀具的刀尖与工件表面相交，形成一个刀尖接触区域。
在这个接触区域内，切削角与切削力共同作用下，材料开始发生塑性变形和切削磨损，从而被去除。
材料的去除机制可分为切削剪切和切削破碎两种。
切削剪切是指材料沿着刀具刃口形成的剪切面上的原子间滑动和轧制，最终导致材料的断裂。
在切削过程中，切削剪切是主要的去除机制。
在搬运切屑的同时，切削刀具也会受到一定的摩擦磨损。
切削剪切的具体机理涉及塑性变形、切削力分析以及刀具与工件接触面的应力分布等方面，仍然是切削研究的重要课题。
切削破碎是指材料在切削过程中发生裂纹和破碎，从而被去除。
切削破碎主要发生在脆性材料或强脆性材料的加工中。
在加工过程中，由于切削刀具的剧烈冲击或高应力作用下，材料发生裂纹、破碎或剥落，并随着切削过程的进行而脱离工件表面。
切削破碎的研究对于脆性材料的切削加工具有重要的指导意义。
切削过程中形成的切屑是切削去除过程的副产品，除了研究切削机理外，研究切屑形态演化也是切削研究的重要内容之一。
切屑的形态与切削工艺参数、材料性质以及刀具性能都密切相关。
切屑可以分为连续切屑、不连续切屑和层状切屑三种形态。
连续切屑具有光滑的表面和较大的形变能，是切削过程中的预期形态。
而不连续切屑和层状切屑通常是由于材料的脆性或切削参数不当引起的，会导致切削过程的变动和不稳定，影响加工质量和效率。
切削过程中材料的去除机制和切屑形态演化的研究一直是学术界关注的热点。
通过对切削剪切和切削破碎的研究，可以优化切削工艺参数、提高刀具的设计和材料的加工性能。
超精密车削表面微观形貌的几何建模与仿真研究
和进给量 ／ 。 ］ 由几 何关 系可 知 ， 型 的切 削 有 以 典
下 ３ 情 况 ： 进 给 量 厂较 小 ， 种 ① 刀尖 圆 弧半 径 ｒ 较
大 ， 时 残 留面 积 由 圆弧 刃 形 成 ， 已加 工 表面 形 此 在
鉴 于 上述 情况 ， 实 际 超精 密 车 削 时 ， 用圆 在 采
圈 １ 金 刚 石 车 刀 的 几 何 形 状
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弧刃 金 刚 石 车 刀对 铝 合 金 进 行 超精 密 车 削 ， 验 实 研 究所 用 的刀 具是 英 国 Ｃ ｎ ｏ ｒＦｎ ｏｉｇ公 ｏ ｔ ｕ ｉｅＴｏ ｌ ｎ
石 刀 具 的 主偏 角 、 副偏 角 ， 刀 尖 圆弧 半 径 ｒ 、
角 ａ ＝７ ， ｏ 。刀尖 圆 弧 半径 ｒ＝１ ５ ． ｍｍ， 削 刃钝 圆 切
半 径 ｒ≈ １ ０ ｍ。金刚 石 车 刀 的几 何形 状 见 图 ｌ ｎ ９ｎ 。
采 用 圆 弧 刃 车 刀 超 精 密 车 削 生 成 的 表 面 几
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１ 超 精 密 车 削表 面微 观 形 貌 的形 成 机 理
在超 精密 车 削时 ， 了获得 超 光 滑 表面 ， 往 为 往
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导
不 采 用 主切 削刃 和副 切 削 刃相 交 为 一 点 的尖锐 刀
尖 ， 采 用 主 切 削 刃 和 副 切 削 刃 之 间具 有 直 线 过 而 渡 刃 的金 刚石 刀 具 。 削外 圆 时 ， 车 当参 与切 削 的切 削 刃 与工 件轴 线平 行 ， 进 给量 足够 小 时 ， 已加 且 在 工 表 面形 成 理 论 残 留面 积 非 常 小 ， 时 容 易 获 得 这 理 想 的超 光滑 表 面 。但 直 线刃 金 刚 石 刀具 也存 在 明显不 足 之处 ： 为使 切 削 刃 与工 件 轴 线平 行 ， ① 直 线 刃 刀 具对 刀时 需 要 花 费 较 长 时 间 ； 直 线 刃 金 ② 刚石 刀 具 切 削 刃 与 工件 接 触 长 度 相 对 较 大 ， 削 切 时 易 产生 振动 ， 间接 增大 已加 工 表面 粗糙 度 。
镍基单晶高温合金DD5_磨削成屑机理研究
镍基单晶高温合金DD5磨削成屑机理研究*于贵华1， 朱 涛1， 蔡 明1， 安志欣1， 王成静2， 罗书宝1（1. 辽宁石油化工大学 机械工程学院, 辽宁 抚顺 113001）（2. 辽宁石油化工大学 石油化工学院, 辽宁 抚顺 113001）摘要 为研究镍基单晶高温合金DD5的磨削去除机理，提高其加工效率，针对镍基单晶高温合金具有显著各向异性的特点，建立基于Hill 模型的三维有限元磨削模型，研究镍基单晶高温合金DD5的表面加工形貌和切屑形貌，分析切屑形貌演变过程及其磨削力变化，探究磨削速度对切屑形貌和切屑形成频率的影响。
研究表明：在磨削参数范围内，加工DD5容易出现锯齿形切屑；磨削力呈稳定增加并伴有一定的周期性波动，其波动情况与锯齿形切屑相对应；随着磨削速度的增大，磨粒能更快进入切削阶段，其临界成屑厚度由0.225μm 最终降为0.158 μm ，成屑阶段占比由85.0%提高到89.5%；临界划擦厚度受磨削速度变化影响不大；随着磨削速度的增加，DD5切屑形貌由锯齿分节密集堆叠的单元节状向连续型锯齿状转变，最后发展为条形带状切屑。
关键词 磨削；切屑形貌；镍基单晶高温合金DD5；有限元分析中图分类号 TG58; TH161 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)06-0760-12DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0169收稿日期 2022-10-11 修回日期 2023-01-16作为航空发动机涡轮盘、转子叶片、涡轮导向叶片等关键零部件的主要材料，镍基单晶高温合金具有优异的物理和化学性能，例如抗蠕变性能、耐高温性能、抗冲击性能等[1-2]。
然而，这些优异的力学性能也给其加工制造带来了巨大困难，使其出现加工质量差、加工成本高等缺点[3]。
和其他传统加工方式相比，磨削加工具有加工质量好、精度高等特点，能够满足镍基单晶高温合金在特殊工况下的使用条件[4]。
但是，在磨削过程中镍基单晶高温合金仍出现磨削温度高、磨削力大、能量损耗高、加工效率低等难点[5]。
LECTURE2-超精密车削
超精密加工技术广东工业大学机电工程学院魏昕一、概述¾超精密加工技术的内涵¾超精密加工技术的地位与作用¾超精密加工技术所涉及的技术领域¾超精密加工技术的现状与发展趋势一、概述1. 超精密加工技术的内涵精密加工技术：加工精度1—0.1μm，表面粗糙度Ra <0.1 μm的加工技术；超精密加工技术：加工精度<0.1μm，表面粗糙度Ra <0.02μm的加工技术；纳米加工技术：加工精度达0.001μm(1nm)，表面粗糙度Ra <0.005 μm的加工技术。
随着加工技术的不断发展，超精密加工的技术一、概述2、超精密加工技术的地位与作用（1）超精密加工技术是实现现代制造业发展目标（提高机电产品的性能、质量和发展高新技术）的重要手段。
例如，集成电路的集成度。
（2）超精密加工技术已成为国际竞争中取得成功的关键技术。
所能达到的精度水平代表了一个国家的制造业能力和水平。
（3）精密工程、微细工程和纳米技术是现代制造技术的前沿。
/序超精密机械精度要求1导弹、飞机的惯性导航系统中的气浮陀及其马达轴承尺寸精度、圆度、圆柱度要求达到亚微米级2人造卫星仪表轴承表面粗糙度达到1纳米，圆度、圆柱度达纳米级3激光陀螺反光镜表面粗糙度达纳米，平面度达0.05微米4精确制导仪表零件精度达纳米级，若其陀螺转子轴线偏离0.5纳米,就会引起100米左右射程误差5计算机硬盘驱动器、光盘、复印机的精密零件精度达100纳米6微电子芯片刻线机刻线宽度在50纳米以下7基因操作机械移动距离在纳米级，移动精度在0.1纳米(原子尺度)现代超精密机械对精度的要求超精密加工是尖端技术产品发展不可缺少的关键加工手段关系到现代飞机、潜艇、导弹性能和命中率的惯性陀螺框架；激光核聚变用的反射镜；大规模集成电路的各种基片；计算机磁盘基底及复印机磁鼓；各种高精度的光学元器件；各种硬盘及记忆体的衬底等。
×一、概述3、超精密加工技术所涉及的技术领域（1）加工技术即加工方法与加工机理。
单点金刚石车削的工艺参数对表面粗糙度影响的实验研究
Ｗ ＡＮＧ ．ＹＵ ｉ ｇ ｃ ｉ Ｙｉ Ｊｎ － ｈ
（ｎｔｕｅｏ ｄ ｒ ｐｉａ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｓ ｏｈ ｗ Ｕ ｉｅｓｙ ｕｈ ｕ２ ０ ， ｈｎ ） Ｉｓｔｔ ｆ ｉ ＭｏｅｎＯ ｔ ｌ ｅｈ ｏ ｇ ， ｏｃｏ ｎｖｒｉ ，Ｓ ｚｏ ０ ６ Ｃ ｉａ ｃ ｏ ｔ １ ５
ｃｉ ｅ ｉ ｈ ｍｐｒ ａ ｒｌ ｆｒｎ ｒａｉｇｔｅｒｕｈ ｅｓｏ ｒ ｃ ｆ ｒ ｉｇ ｉ ｏ ｄｔｒｉｇ ｈｅ ｄｗｈｃ ｉ ｔｅｅ ｉ ｌｕｅｏ ｃ ｓ ｏ ｇｎ ｓ ｆ ｋｐｅｅ ｔ ｎｌ ｄａ ｎ ｎｎ ｖ ｈｓ ｉｃ ｉ ｅ ｎ ｈ ｗｏ ｉ ａｅ ｓ ｅ ｍ ｕ
ｉ ｕｔ ｒ ． １ ｆ ｕ ｅ ｌ
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｇ ｉ ｎ ｒｉｇ ｐ ｏ ｅｓ ｇｐ ｒｍｅｅｓ ｒｕ ｎ ｓ ｙｗｏｄ ： ｉ ｅｄａ ｄｔ ｎｎ ； ｒｃｓｉ ａａ ｔｒ；ｏ ｇ ｅｓ ｎ ｌ ｍｏ ｕ ｎ ｈ
Ｏ 引 言
超精 密 车削 技术 也 称 “ Ｐ Ｔ技 术 ” Ｓｎ ｌ Ｐ ｉｔ ＳＤ （ ｉｇｅ ｏｎ
／２ ，
具 切 削刃 口的 圆弧 半径 ， 当然 针 对不 同材 料 ， 佳 工 最
艺 参数 也有 所 不 同 ， 就 需 要 大 量 反 复 的 工 艺试 验 这 去 总结 。 有 关超 精密 车削 的工艺 参 数 与 工件 表 面 微 观形 貌 的研 究 ， 早在 ２ Ｏ世 纪 ９ ０年 代 ， 已经展 开 。１９ 就 ９５
Ａｃ ｏ ｄｎｇｔ ｈｅ ｅ ｐｅｉ ｅ ａ ｎ ｎ ｌ ｅ ｅ ｕ ｔ ，ｔ ｅ ｏ ｉ ｌｃ ｍｂ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｅ ｓ ｇｐａ ａ ｔ ｒｉ ‘ ｃ ｒ ｉ ｏ ｔ ｘ ｒｍ ｎｔ ｌａ ｄ ａ ａｙｚ ｄ ｒ ｓ ｌｓ ｈ ｐｔｍａ ｏ ｉ ｔｏ ｆｐｒ ｃ ｓ ｉ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ａ ｎ ｎ
试述超精密切削时积屑瘤生产规律和它对切削过程和加工表面粗糙度的影响。
试述超精密切削时积屑瘤生产规律和它对切削过程和加工表面粗糙度的影响。
介绍如下：
1.生产规律：
•在低速切削时，h0值比较稳定；在中速时，h0值不稳定。
•在进给量f很小时，h0较大。
•在背吃刀量ap＜25um时，h0变化不大；在ap＞25um时，h0将随ap的值增大而增大。
•刀具的微观缺陷也将直接影响积屑瘤的高度，完整刃的积屑瘤高度比有微小崩刃的刀刃积屑瘤高度小。
2.对切削过程的影响：
•积屑瘤高时切削力大，积屑瘤小时切削力小。
•积屑瘤如生长稳定，起到了保护了刀具，提高了刀具的使用寿命的作用；如频繁脱落，则加剧了刀具的磨损，降低了刀具的使用寿命。
3.对加工表面粗糙度的影响：
•积屑瘤伸出切削刃外的部分高低不平，外形极不规则，增大了已加工表面的粗糙度，降低了表面加工质量。
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究一、概述钻削过程是金属加工中常见的加工工艺之一，其切削过程中切屑的形成和受力情况对加工质量和工件表面粗糙度有着重要影响。
本文将针对钻削过程中切屑受力建模及有限元仿真研究展开深入探讨，从宏观和微观两个角度分析切屑的形成机理和受力情况，旨在为钻削工艺提供更深入的理论基础和实用指导。
二、切屑形成机理分析1. 切屑形成的基本过程在钻削过程中，切屑的形成是由刀具对工件进行切削，其中金属材料在刀具作用下形成的薄层即为切屑。
切屑形成的基本过程可以简要概括为切屑的起始、发展和脱离三个阶段。
切屑的形成机理主要包括切削热、切削变形、切削厚度和切屑形状等因素的综合作用。
2. 切屑形成的影响因素切屑形成受到诸多因素的影响，包括工件材料性能、刀具的材料和几何形状、切削参数、冷却液的使用等。
不同的工件材料、刀具材料和切削参数组合会导致切屑的形态、厚度和温度等特性的差异，从而影响切屑的排屑能力、切屑的排屑性能和对切屑的进一步加工。
三、切屑受力情况分析1. 切屑的受力特点切屑在形成过程中会承受来自刀具的切削力、切削热和切屑自身的重力等多种力的作用。
其中，切削力是切屑受力的主要载荷，其大小和方向直接影响切屑的形状和质量。
切屑受力还与刀具的几何形状、切削参数和切削状态等因素相关。
2. 切屑的受力模型有限元分析是研究切屑受力的有效方法之一，通过建立钻削加工的切屑受力模型，可以分析切屑在加工过程中的受力情况。
通过有限元仿真可以得到切屑的应变、应力分布以及切屑的变形情况，从而为钻削工艺的优化提供理论支持。
四、有限元仿真研究1. 切屑受力的有限元模型建立在进行有限元仿真时，首先需要建立钻削过程中切屑受力的有限元模型。
该模型需要考虑刀具、工件、切屑和切削液等多个物理对象及其之间的相互作用，同时要考虑切屑受力的非线性、瞬态和热传导等特性。
通过对切屑受力的有限元模型建立，可以准确地模拟切屑在切削过程中的受力情况。
超高速磨削表面形貌特征的模拟研究
尺寸在 某一范 围内呈正态 分布 。为使 问题简化 ，本 文作如下 分析及假 设：
１ 由于超 高速磨 削引起 的塑性变 形浅 ，磨粒 ）
值 。 由磨 粒 的 立 体均 匀 分 布 特 点 ，可 以得 到 （． ￣ ． ）ｄ，其中 ， １ ２ １１ ｏ ０ ４
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第３卷 第 ５ １ 期
２０ ０ ７年 ９月
燕 山 大学 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｓ ａ ｉ ｅ ｓｔ ｏ Ｙａ ｙ
Ｖ．Ｉ ０ ＿３１ Ｏ．５ Ｎ Ｓ ｐｔ ２ ０７ ｅ ． ０
磨粒 ，表面分布特 征不 同于磨料层 内部 。图 ｌ 是实 测 的几种砂轮外表层 工作磨粒 分布情况 。 轮表层 砂 平均磨粒 间隔大约 是磨粒平均 直径 的 １ － ． ２倍 。 ５
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淳 （９ ５ ） １６ 一 ，女，河北抚 宁人 。高级工程师。主要研 究方 向为数值分析与计算机模拟 。
维普资讯
第５ 期
张
淳 等
超 高速 磨 削 表面 形貌 特 征 的模 拟 研 究
３９ ９
２ ）超 高速砂 轮结合 剂弹性 模量远 大于普 通砂 轮。 由砂轮基体 和结合剂弹 性变形 引起 的受 力退让
磨粒顶 锥角对 磨粒 切削性 能影响显著 。 由于超
高速砂轮 一般采 用微进 给修整且 磨削 比很 高， 故认 为 有效切刃 的顶锥角是其 原始磨粒 的顶锥角 。由统 计 结果可知 ：磨粒顶 锥角分布一 般变化不大 ，对于
大型、重载、精密滚珠丝杠副设计及硬旋铣加工装备关键技术(续)
工 ，存在加工效率低 、成本高、污染大等缺陷 。高速切 削淬 硬钢时 ，要求 比切削率高 ，因此切削温度也很高 ， 导致 刀具容易发生塑性变形 。根据工件材料与 刀具材料
合理 匹配 的原则 ，高速硬切 削要 求刀具材料应有较高的
用于螺纹 硬旋铣 。大型螺 纹高速硬 铣削 不仅是高 速切 削，还是干式重载切 削，都需要通过理论分析和大量切 削试验进行切削机理和工艺基础的研究 。 丝杠的旋 风铣 削是一种 渐进式 切 向断续 切 削 ，现 代旋风铣削技术通过采用先进的刀片材料 、精密 刀具和 刀盘制造技 术可 以实现丝杠的精密硬铣削 ，采用Ｐ Ｎ ＣＢ
作为一 种先进 的机械 加工 方法 ，硬旋铣 必须解 决 从原材料到产 品性能的一系列性能评价与控制的基础性 问题 。主要研 究旋铣 前坯料 的性能调 控 、硬旋铣切 削 性 、硬加工 中细观力学行为评价 、组织性能演变以及对 产品的疲劳性能影响规律等 方面 的基础问题。
滚珠 丝杠 （０～６ ＨＲＣ）采用的 淬硬钢是典 型的 ６ ４ 高硬度 、高 强度 的结 构材料 ，采用旋 铣方 式进行精 加
大 载 精 滚 丝 副 计 型 重 密 珠 杠 设 及 硬 铣 工 备 键 术 （） 旋 加 装 关 技 续
南京理工大学 （ 江苏 ２０ ９ ） 冯虎田 １０ ４
四 大型螺纹高效、精密数控旋风铣削 加工装备关键技术
１大型螺纹绿色高效切 削机理 ．
围绕加 工机理 与特性研 究 ，拟 解决 的关键科 学 问 题 包括 ：大型精密螺纹绿 色高效硬旋铣切 屑形成和表面 形貌的形成机理、大 型螺纹高速硬铣削过程 动力学特性 与模型、大型螺纹高速硬铣 削工艺基础研究。高速旋风 硬铣削是解决这类螺纹 的高效加工的有效途径 ，但其切
超声振动辅助车削SiCp
表面技术第53卷第6期超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究林洁琼1，于行1，周岩1，谷岩1*，周晓勤2（1.长春工业大学 机电工程学院，长春 130000；2.吉林大学 机械与航空航天工程学院，长春 130000）摘要：目的研究切屑形成机理对加工过程的影响。
方法超声振动辅助车削技术通过刀具振动的拟间歇切削特征控制切屑尺寸和切屑形态，从而提高了加工表面质量。
针对SiCp/Al复合材料的切屑形成机理，探究常规车削和超声振动辅助车削的切屑形成过程。
研究了颗粒分布对第一变形区变形阶段的影响，以及不同加工方式下切削参数对切屑形态的影响。
最后，描述了切屑自由表面和刀-屑接触界面的颗粒损伤形式，以直观地描述常规车削与超声振动辅助车削SiCp/Al复合材料加工中切屑的形成过程。
结果通过测试加工后工件表面形貌发现超声振动辅助车削的切屑更加连续、切屑尺寸较小的加工表面粗糙度更小，常规车削的表面粗糙度为0.805 μm，超声振动辅助车削的表面粗糙度为0.404 μm，超声振动辅助车削比常规车削的表面粗糙度降低了49.8%。
结论与常规车削相比，超声振动辅助车削有利于减小切屑厚度。
超声振动辅助车削得到的切屑更加连续，避免了切屑碎裂，促进了切屑的顺利排出。
通过对切屑形态进行研究，选择最优切削参数可以有效提高工件表面质量。
关键词：超声振动辅助车削；SiCp/Al；切屑形成机理；颗粒损伤；表面完整性；粗糙度中图分类号：TG663 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)06-0144-13DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.06.013Chip Formation Mechanism and Surface Roughness of SiCp/AlComposites by Ultrasonic Vibration-assisted TurningLIN Jieqiong1, YU Hang1, ZHOU Yan1, GU Yan1*, ZHOU Xiaoqin2(1. College of Electrical Mechanical Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130000, China;2. School of Mechanical and Aerospace Engineering, Jilin University, Changchun 130000, China)ABSTRACT: SiCp/Al is a metal matrix composite. It has excellent properties such as wear resistance, high temperature resistance, and fatigue resistance, and is widely used in fields such as aerospace, automobiles, electronics. The excellent physical and chemical properties of SiCp/Al composite materials have attracted widespread attention from the industry.With the application of SiCp/Al composite materials in these fields, there is an urgent demand for their precision收稿日期：2023-04-06；修订日期：2023-07-03Received：2023-04-06；Revised：2023-07-03基金项目：国家自然科学基金（U19A20104）；吉林省高性能制造及检测国际科技合作重点实验室（20220502003GH）Fund：National Natural Science Foundation of China (U19A20104); Jilin Province Key Laboratory of International Science and Technology Cooperation for High Performance Manufacturing and Testing (20220502003GH)引文格式：林洁琼, 于行, 周岩, 等. 超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究[J]. 表面技术, 2024, 53(6): 144-156.LIN Jieqiong, YU Hang, ZHOU Yan, et al. Chip Formation Mechanism and Surface Roughness of SiCp/Al Composites by Ultrasonic Vibration- assisted Turning[J]. Surface Technology, 2024, 53(6): 144-156.*通信作者（Corresponding author）第53卷第6期林洁琼，等：超声振动辅助车削SiCp/Al切屑形成机理及表面粗糙度研究·145·machining technology, as well as research on machining methods and cutting mechanisms to improve surface quality.In the processing of SiCp/Al composite materials, the smooth discharge of chips and the prevention of chip fragmentation and adhesion on the processed surface can effectively improve the surface quality of the work piece. The effect of chip formation mechanism on the machining process was explored. Ultrasonic vibration assisted cutting technology improved the chip size and shape through the quasi-intermittent cutting characteristics of tool vibration, thereby improving the surface quality of machining. The chip morphology of SiCp/Al composite materials was analyzed through comparative experiments of conventional cutting and ultrasonic vibration assisted cutting. The particle distribution in the shear deformation zone stage and the effect of cutting parameters on chip morphology were studied.The chip morphology of conventional and ultrasonic vibration assisted cutting was compared from three aspects: feed rate, cutting depth and rotational speed. Due to the presence of SiC particles in SiCp/Al composite materials, the material began to deform along the boundaries of the particles, and the effective stress reached the material yield strength for the first time. During the deformation process, the increase of stress might cause particle movement and fracture. Therefore, during the cutting process, due to the continuous changes in the position of the particles cut by the tool, the angle of the boundary line at the beginning of deformation changed, leading to fluctuations in the shear angle within a certain range.And the chip segmentation degree Gs was introduced for quantitative comparison between conventional cutting and ultrasonic vibration assisted cutting experiments. It was found by comparison that the sawtooth degree of conventional cutting was 0.264-0.685, and the sawtooth degree of ultrasonic vibration assisted cutting was 0.085-0.364. The sawtooth shaped chips formed by ultrasonic vibration assisted cutting were not obvious, which avoided the fracture of the free surface of the chip at the crack. Finally, the particle damage forms of the chip free surface and the tool chip contact interface were described to visually describe the chip formation process in conventional cutting and ultrasonic vibration assisted cutting of SiCp/Al composites. Ultrasonic vibration assisted turning with more obvious elastic recovery was beneficial for reducing chip thickness.The chips obtained by ultrasonic vibration assisted cutting are more continuous, avoiding chip fragmentation and promoting the smooth discharge of chips. By observing the surface morphology of the work piece after processing, it is concluded that the smaller and more continuous the chip size, the smaller the surface roughness of the machined surface, while the surface roughness for conventional cutting is 0.805 μm. The surface roughness of ultrasonic vibration assisted turning is0.404 μm. Compared with traditional turning, ultrasonic vibration assisted turning can reduce surface roughness by 49.8%. Byobserving the morphology of chips and selecting the optimal cutting parameters, the surface quality of work piece processing can be effectively improved.KEY WORDS: ultrasonic vibration assisted turning; SiCp/Al; chip formation mechanism; particle damage; surface integrity;roughness近年来，以SiC、TiB等硬质颗粒为主增强的新型金属基复合材料因性能优异而在汽车等领域表现出良好的市场应用价值，然而SiC等增强颗粒的加入，导致加工过程变得困难，例如切削力急剧增大、刀具使用寿命减少以及表面质量下降等，切屑形成过程反映了SiCp/Al复合材料的加工过程，研究SiCp/Al 复合材料的切屑形成，有助于掌握SiCp/Al复合材料的加工状态，对优化SiCp/Al复合材料加工参数有重要意义[1-2]。
超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究
超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究摘要：在亚微米级cnc 超精密车床上进行了单晶金刚石刀具切削试验，根据试验结果分析了切屑形成机理和最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，建立了加工表面微观形貌的几何模型。
研究结果表明：通过计算最小切削厚度值可预测金刚石车削加工可获得的表面粗糙度值。
1 引言随着超精密切削机床及其控制技术的迅速发展，切削加工范围已由金属等塑性材料逐渐延伸到玻璃、陶瓷等各种难加工材料。
由于金刚石刀具的物理化学性能以及极薄切削层特性等的影响，使超精密切削具有与普通切削不同的特殊规律。
早在几十年前，国外许多学者就对超精密加工表面形成机理进行了理论探讨和试验研究，但受当时条件的局限，对超光滑表面微观形貌形成机理的解释还具有一定的片面性。
本文通过用单晶金刚石刀具对铜合金和铝合金材料进行超精密微切削试验，在试验结果的基础上系统研究了最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系，并从微切屑的形成、最小切削厚度、变形等方面研究了超光滑加工表面微观形貌的形成机理。
2 切屑的形成机理通过研究微切屑的形成与加工表面粗糙度之间的关系，可以揭示刀具几何形状和切削参数对加工表面粗糙度的影响。
为此，我们在哈尔滨工业大学自行研制的hcm-1 型亚微米级超精密车床上进行了一系列切削试验。
试验材料为铜合金；切削深度为1～10μm；进给量为3μm/r；主轴转速为1500r/min。
从局部放大的切屑sem照片上可以看出：切削铜合金时产生的切屑是由剪切滑移的层状薄片堆积形成，且卷曲成螺旋状。
试验表明：沿圆弧刀具切削刃的有效切削厚度是一个变量，在切削刃与待加工表面接触点处切削厚度达到最大值。
当切削厚度较大时，切屑的表面结构较紧密；切削厚度较小时，切屑的表面结构则较疏松；同时，随着切削深度的减小，切屑的卷曲半径增大。
观察加工表面微观形貌的afm 照片和切屑的sem照片可以发现：因刀具磨损造成的切削刃不完整性复映到加工表面上，从而产生平行于切削方向的刀具刮痕。
超精密切削加工主要指金刚石刀具的超精密切削
超精密切削加⼯主要指⾦刚⽯⼑具的超精密切削超精密切削加⼯主要指⾦刚⽯⼑具的超精密切削。
超精密切削的⼯作机理：普通的切削的切削深度⼀般远⼤于材料晶粒的尺⼨，切削加⼯以数⼗计的晶粒团为加⼯单位，在切削⼒的作⽤下从基体上去除⾦属。
⽽超精密加⼯的切削层很薄或尺⼨很⼩，切削深度和进给量必然很⼩，特别是亚微⽶和纳⽶级的超精密切削，切削深度通常⼩于材料晶粒直径，使的切削只能在晶粒内部进⾏。
超精密切削时的切削⼒的特征为：切削⼒微⼩，单位切削⼒很⼤，切削⼒随着切削深度的减⼩⽽增⼤，⽽在切深很⼩时切削⼒却急剧上升。
超精密切削加⼯的特点与应⽤（1）单位切削⼒⼤实现纳⽶级的超精密加⼯的物理实质是切断材料的分⼦、原⼦间的结合，实现原⼦或者分⼦的去除，因此切削⼒必须超过晶体内部的分⼦、原⼦结合⼒。
（2）切削温度由于超精密切削的切削⽤量极⼩以及⾦刚⽯⼑具和⼯件材料具有的⾼导热性，因此超精密切削温度相当低。
（3）⼑刃圆弧半径对最⼩切削厚度的限制⼑具刃⼝半径限制了其最⼩的切削厚度，⼑具刃⼝越⼩，允许的最⼩切削厚度也越⼩。
超精密切削的应⽤超精密加⼯主要⽤于加⼯软⾦属材料以及光学玻璃、⼤理⽯和碳素纤维板等⾮⾦属材料，主要加⼯对象是精度要求很⾼的镜⾯零件。
（下图是超精密切削球⾯镜的加⼯原理图）球⾯镜的加⼯原理1-主轴；2-凹⾯镜；3-⼑具轴超精密磨削超精密磨削是当代能达到最低磨削表⾯粗糙度值和最⾼加⼯精度的磨削⽅法。
超精密磨削去除量最薄，采⽤较⼩修整导程和吃⼑量来修整砂轮，是靠超微细磨粒等⾼微刃磨削作⽤，并采⽤较⼩的磨削⽤量磨削。
超精密磨削要求严格消除振动，并保证恒温及超净的⼯作环境。
超精密磨削的光磨微细摩擦作⽤带有⼀定的研抛作⽤性质。
1.超精密砂轮磨削的磨削超精密砂轮磨削机理：( 1 ) 超微量切除超精密磨削是⼀种极薄切削，切屑厚度极⼩，磨削深度可能⼩于晶粒的⼤⼩，磨削就在晶粒内进⾏，因此磨削⼒⼀定要超过晶体内部⾮常⼤的原⼦、分⼦结合⼒，从⽽磨粒上所承受的切应⼒就急速地增加并变得⾮常⼤，可能接近被磨削材料的剪切强度的极限。
超精密磨削PPT课件
修锐：通过去除结合剂增加磨粒突出高度，在 磨料层中形成足够的容屑空间。
普通磨料砂轮，其整形和修锐是同时进行，超 硬磨料砂轮的修整则分为两个独立过程，即整 形和修锐。
.
31
金刚石车削修整方法
用单点或聚晶金刚石笔，金刚石修整片等车削超硬磨 料砂轮。
用粗粒度砂轮(60# -80#)精细修整后进行精密磨削时，光磨次数视 加工表面粗糙度的要求不同可取5~10次单行程；用细粒度砂轮 (240#-W7)精细修整后进行精密磨削时，光磨次数可取10-25次单 行程。
1.粗粒度砂轮（PA60KV）
2.细. 粒度砂轮（WA/GCW10KR）
24
4.2.2采用弹性砂轮精密磨削
超硬磨具：超硬磨料耐磨性好、比较昂贵，硬度一般较高。在标 志中，无硬度项。
磨具硬度等级名称及其代号
大级
硬度等级名称
小级
代号 （GB2484-84）
超软 软
中软 中
中硬 硬
超硬
超软1 超软2 超软3
软1 软2 软3
中软1 中软2
中1
中2
中硬1 中硬2 中硬3
硬1
硬2
超硬.
DE F
GH J
KL
MN
PQR
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13
普通磨料磨具的标志
普通磨料固结磨具的标志按国标GB2484-84规定，其书写顺序为： 磨具形状、尺寸、磨料、力度、组织、结合剂、最高工作线速度。
国标GB2484-84
国际标准ISO
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14
超硬磨料磨具的标志
书写顺序为：形状、尺寸、磨料、粒度、结合 剂和浓度等。平行砂轮标志示例如下：
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超精密切削加工技术
技术发展趋势
1 2
智能化控制
利用传感器和智能算法，实时监测切削过程和工 件表面质量，实现超精密切削加工过程的智能控 制。
复合加工技术
结合多种加工技术，如磨削、抛光和电加工等， 以提高超精密切削加工的效率和表面质量。
3
新材料应用
探索和开发适用于超精密切削加工的新材料，以 提高刀具的耐磨性和工件的表面完整性。
04
超精密切削加工技 术的挑战与解决方 案
技术瓶颈
刀具磨损
超精密切削加工过程中， 刀具与工件的高速摩擦导 致刀具快速磨损，影响加 工精度和效率。
工件表面完整性
超精密切削加工后，工件 表面容易出现微裂纹、残 余应力和加工硬化等表面 完整性问题。
切削液的纯净度
超精密切削加工需要高纯 净度的切削液以减小误差， 但切削液的纯净度控制难 度较大。
应对策略
刀具材料与涂层
采用高硬度、高耐磨性的刀具材料和涂层技术，提高刀具的耐久 性和切削性能。
切削参数优化
根据不同材料和加工条件，优化切削速度、进给速度和切削深度等 参数，以减小刀具磨损和工件表面完整性问题。
切削液纯净度控制
采用高精度过滤设备和检测技术，确保切削液的纯净度满足超精密 切削加工的要求。
精密仪器制造
光学仪器
精密机械
超精密切削加工技术可用于制造高精 度光学仪器，如显微镜、望远镜等， 以提高其成像质量和稳定性。
超精密切削加工技术可用于制造精密 机械，如钟表、精密机床等，以提高 其运动精度和稳定性。
测量仪器
超精密切削加工技术可用于制造高精 度测量仪器，如传感器、测微器等， 以提高其测量准确性和可靠性。
微电子行业
集成电路
超精密切削加工技术可用于制造 集成电路，如芯片、微处理器等，
切屑形成机理与切屑控制技术
切屑形成机理与切屑控制技术引言：在金属加工过程中，切割金属材料时产生的切屑往往会对加工表面质量、切削力和工具寿命等产生重要影响。
因此，研究切屑的形成机理及采取相应的切屑控制技术，对于提高金属加工的效率和质量具有重要意义。
本文将深入探讨切屑的形成机理，并介绍一些常见的切屑控制技术。
一、切屑形成机理切削过程中，切削刃对工件材料产生剪切作用，使其沿剪切面断裂形成切屑。
切屑形成的主要机理可以总结如下：1. 剪切切屑机制剪切切屑在主要为金属材料由剪切力沿着剪切面发生形变和破坏，最终形成顺着剪切面滑移的切屑。
这种切屑机制在高速切削中最为常见。
2. 挤压切屑机制挤压切屑机制主要适用于某些低可塑性金属材料，例如铸铁、铝合金等。
在切削过程中，由于材料可塑性较低，无法顺利地进行流动，使其在切削区域发生挤压而形成切屑。
3. 破碎切屑机制破碎切屑机制主要适用于一些硬度较高的材料，例如高速钢、硬质合金等。
在切削过程中，由于材料的硬度较大，切削刃与材料发生剪切作用时，材料很难产生滑移，而是发生局部破碎，最终形成破碎切屑。
二、切屑控制技术为了克服切屑对金属加工过程的不利影响，研究人员提出了多种切屑控制技术，并在实践中取得了显著的效果。
以下列举几种常见的切屑控制技术：1. 切向切削切向切削是一种通过增大切削刃的前微倒角来控制切屑形状的技术。
通过增大切削刃的前微倒角，可以使切削刃对工件材料施加的剪切力变小，从而减少切屑的形成。
2. 冷却润滑技术冷却润滑技术是通过在切削过程中对切削区域进行冷却和润滑，减少切削温度和摩擦，从而降低切削力和改善切屑的形成。
常用的冷却润滑技术包括切削液喷射冷却、切削油润滑等。
3. 切屑断裂技术切屑断裂技术是通过在切削过程中断裂切屑来改善切削效果。
在切削过程中，通过添加切削冲击、振动等外力，可以使切屑发生断裂，减少其长度和表面质量，从而提高切削效率。
4. 切削参数优化技术切削参数优化技术是通过调整切削参数，如进给速度、转速、切削深度等，来改善切屑形成和控制效果。
微切削加工单位切削力及表面加工质量的尺寸效应研究
微切削加工单位切削力及表面加工质量的尺寸效应研究一、本文概述随着现代制造业的快速发展，微切削加工技术在微电子、光学、生物医疗等领域的应用日益广泛。
微切削加工具有高精度、高效率、低能耗等优点，是实现微型零件高精度制造的关键技术之一。
然而，由于微切削加工中切削厚度、切削速度等参数较小，导致单位切削力及表面加工质量出现显著的尺寸效应。
因此，深入研究微切削加工中的单位切削力及表面加工质量的尺寸效应，对于提高微切削加工精度、优化加工参数、提升加工效率具有重要意义。
本文旨在通过理论分析和实验研究，探讨微切削加工中单位切削力及表面加工质量的尺寸效应。
通过理论模型建立微切削加工过程中的力学模型，分析切削参数对单位切削力的影响规律。
通过实验手段，研究不同切削参数下微切削加工表面的形貌特征和加工质量，揭示尺寸效应对表面加工质量的影响机制。
结合理论分析和实验结果，提出优化微切削加工参数的策略和方法，为提高微切削加工精度和效率提供理论支持和实践指导。
本文的研究内容不仅有助于深入理解微切削加工过程中的力学行为和表面加工质量变化规律，还为微切削加工技术的进一步发展和应用提供理论支撑和实践指导。
通过本文的研究，有望为微型零件的高精度制造和微型器件的制造提供新的思路和方法。
二、微切削加工基本理论微切削加工，也称微细切削加工或微型切削加工，是指在微米甚至纳米尺度上进行的切削加工过程。
这一加工领域与传统的宏观切削加工有着显著的区别，主要体现在切削深度、切削宽度和切削速度等参数上。
微切削加工的理论基础建立在传统的切削加工理论之上，但由于其尺度效应，许多宏观切削加工中的假设和理论在微观尺度下可能不再适用。
在微切削加工中，单位切削力是一个重要的参数，它直接影响到切削过程的稳定性和加工效率。
单位切削力的大小取决于刀具的几何形状、切削材料的物理性质以及切削条件等因素。
在微观尺度下，由于材料去除的体积非常小，单位切削力对加工过程的影响变得更加显著。
高速切削锯齿形切屑形成机理的研究现状与发展_杨奇彪
(a) 不连续切屑
( b) 波浪形切屑
( c) 有积屑瘤的切屑
2011 年第 45 卷 3
5
( d) 锯齿形切屑 图 4 周期性切屑[ 19]
Sutter 和 Molinari[ 20] 通过实验观察, 将切屑分为 带状切屑、波纹状切屑和锯齿形切屑。其中带状切 屑又分为有剪切带的带状切屑和无剪切带的带状切 屑; 波纹状切屑分为有剪切带的波纹状切屑和无剪 切带的波纹状切屑; 锯齿形切屑也分为有剪切带的 锯齿形切屑和无剪切带的锯齿形切屑, 具体分类如 图 5 所示。
中图分类号: TG506
文献标志码: A
Current Situation and Development of Mechanism of Serrated Chip Formation in High Speed Machining
Yang Qibiao, Liu Zhanqiang, Su Guosheng
绝热剪切( 又称剪切局部化, 突变性热塑剪切) 是材料在高应变率变性条件下塑性变形局部化的一 种常见现象, 普遍存在于爆炸复合、高速撞击、侵彻、 高速撞击、冲孔、切削、高速成型、冲蚀等涉及冲击载 荷的高速变形过程中。 绝热 是指由于应变速率很 高, 由塑性功转化而来的热量来不及散失而将其过 程近似地认为是一个绝热过程。由于此时大的剪切 变形高度集中在一个相对狭小的区域内, 变形过程 中塑性功转化的热量引起材料局部温升, 导致材料 热软化, 当热软化效应占优势时, 材料就会发生热粘
Keywords: high speed machining ; serrated chip; chip formation; chip classification加工方法 之一, 大力提高切削加工的生产效率和质量, 降低生 产成本, 对适应机械制造业新的发展, 促进国民经济 和社会发展及国防建设有着极其重要的意义, 为适 应高 效、高 精 度加 工 需求, 高速 切削 加 工应 运 而 生[ 1] 。高速切削是加工技术的发展方向, 具有广阔 的应用前景。
超精密车削切削力的试验研究
3航天支撑技术基金资助项目(项目编号:0223HIT 07)黑龙江省自然科学基金资助项目(项目编号:E01220)收稿日期:2002年9月超精密车削切削力的试验研究3王洪祥1 孙 涛1 张龙江1 张 昊2 1哈尔滨工业大学 2黑龙江省科技评估中心摘 要:通过超精密车削试验,分析了微薄切削时进给量和背吃刀量对切削力的影响规律,指出吃刀抗力F t的特殊变化将直接影响加工表面粗糙度,为保证超精密加工表面质量,应在合理范围内选取刀具进给量。
关键词:超精密车削, 切削力, 进给量, 背吃刀量Experimental R esearch on Cutting Force in U ltra 2precise TurningWang H ongxiang Sun T ao Zhang Longjiang et alAbstract :Based on the ultra 2precise turning experiments ,the in fluences of feeds and back cutting depth on the cutting force in micro 2thin cutting are analyzed.I t is pointed out that the machined sur face roughness will be affected by the special change of cutting resisting force Ft ,the feeds of cutter should be selected in a rational range to ensure the ultra 2precise sur face quality.K eyw ords :ultra 2precise turning , cutting force , feed , back cutting depth 1 引言经过近二十年的不断发展,超精密机床的加工性能已达到相当高的水平。
超声振动钻削皮质骨切屑形成机理及表面粗糙度研究
超声振动钻削皮质骨切屑形成机理及表面粗糙度研究史于涛; 胡亚辉; 李向军; 郑清春; 张春秋【期刊名称】《《天津理工大学学报》》【年(卷),期】2019(035)006【总页数】5页(P9-12,40)【关键词】超声振动; 皮质骨; 切屑; 表面粗糙度【作者】史于涛; 胡亚辉; 李向军; 郑清春; 张春秋【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室机电工程国家级实验教学示范中心天津300384【正文语种】中文【中图分类】TH164在医学骨科领域小载荷高精度钻孔中，通常采用医用麻花钻钻孔，但其存在入钻精度低，不易断屑长切屑缠绕钻头、孔壁表面质量较差等问题，周围组织损伤大严重影响术后恢复.通过研究超声振动钻削皮质骨切屑形成机理可以解释超声振动易于断屑的原理，而对表面粗糙度的研究对指导医疗骨科手术中骨钉精准定位和术后恢复具有重要意义.随着应用领域的推广，传统钻削的问题愈加突出，目前，机械加工领域通过改善制孔方法来解决这些问题，常用的有电火花加工、螺旋铣孔以及超声振动钻孔.电火花加工局限于导电材料，尺寸精度较低，对于皮质骨加工效率低；基于骨材料的特殊性以及制孔原理的差异，国内外多采用超声振动[1]钻削并对其进行了大量的研究.拉夫堡大学K.Alam 等通过钻削牛皮质骨实验，研究发现超声振动钻削相比常规钻削的钻削力、扭矩更小[2].MA Kadivar，J Akbari等对不同的振动方法（钻头振动与工件振动）进行钻削试验对比发现，两者的钻削规律大致相同[3].国内南京理工大学学者郑侃等进行旋转超声加工烧结氧化锆陶瓷试验，发现超声加工不仅抑制边缘碎裂，而且显著减少其亚表面微裂纹[4].张青云等运用Abaqus有限元软件建立了皮质骨三维仿真模型并实验验证其模型的正确性，在此基础上探讨了钻削用量与钻削力、切削温度的关系[5].刘森等搭建了骨铣削实验平台，研究了钻速、进给速度、径向切削深度等切削参数与切削力的关系，并建立了骨切削力预测模型[6].超声振动加工技术可以有效抑制脆性材料边缘破损，减少表面裂纹的产生，提高工件的表面加工质量.目前的研究主要集中在切削参数与切削力、温度的关系，本文通过研究超声振动钻削皮质骨的切屑形成机理，理论上解释了超声振动钻削易于断屑的原理；在此基础上，研究了主轴钻速、进给速度、频率、振幅对表面粗糙度的影响程度.1 超声振动钻削皮质骨的切屑形成机理1.1 超声振动钻削的运动学分析超声振动钻削方法主要包括轴向超声振动钻削、扭转超声振动钻削以及复合超声振动钻削.研究表明虽然扭转超声振动钻削和复合超声振动钻削加工效果好但加工功率较大、换能器强度要求高、振动结构复杂[7]，对于医疗骨科手术操作难度增大.因此本文研究针对轴向超声振动钻削.常规钻削中切削刃上任一点的轴向位移：式中fr 为麻花钻每转进给量；n 为钻头转速；t 为钻削时间.沿轴向的超声振动位移为：式中A 为超声振动的振幅；f 为超声振动的频率.超声振动钻削即是常规钻削与超声振动运动的合成，故超声振动钻削的位移：在钻削过程中，切削刃上任一点的角位移θ =2πnt，则t=θ/2πn，代入（1）、（3）式得出常规钻削与超声振动钻削切削刃的运动方程如式（4）、（5）.其运动轨迹如图1 所示.图1 切削刃的运动轨迹Fig.1 Movement of the cutting edge分析图1 可知，超声振动钻削实际上是一种脉冲运动，一个周期内与工件是周期性接触这异于常规钻削，切削轨迹不是平滑的曲线而是周期性正弦曲线，接触时间大大减少其切削轨迹更加细密，表面粗糙度得到改善，由此可知超声振动钻削孔壁质量应优于常规钻削.1.2 超声振动钻削的断屑机理由图1 可知，医疗麻花钻的两条主切削刃a 和b 成中心对称，即切削刃上对应半径相同点角度相差180°，因此常规钻削中两条切削刃的轴向运动轨迹为：则一个周期内的切削厚度：同理超声振动钻削的切削厚度：运用MATLAB 进行模拟仿真，设置其钻削参数fr 取0.009 mm/r；主轴转速取2200 rpm；超声振动频率取20 kHz，振幅取5 μm.常规钻削与超声振动钻削切削厚度如图2 所示.图2 常规钻削与超声振动钻削的切削厚度Fig.2 Cutting thickness of conventional drilling and ultrasonic vibration drilling由图2 可知理论上常规钻削的切削厚度是定量而超声振动钻削的厚度是随角度周期性变化的.切削厚度随钻头旋转角度变化，其切屑的尺寸也会随钻头旋转角度变化，进而切屑尺寸随时间呈时间变化；常规钻削切屑厚度不变，其切屑尺寸理论上是定量.超声振动钻削过程中刀具与工件是有规律的间断性接触，周期性的接触、分离会产生一定冲击，超声振动的冲击特性更有利于断屑，综合考虑超声振动钻削应有利于断屑.依据此特性，可以通过控制超声振动参数改变切削刃的运动轨迹进而改变钻头的瞬时切削厚度，进而更好的控制切屑形状与尺寸.2 皮质骨钻削试验设计2.1 试验材料本实验工件材料选取与人骨较为相似的新鲜猪股骨[8]，并对其进行去除表面的软组织处理；钻头选取选取常规的医疗麻花钻，实验所用麻花钻几何参数如表1.表1 医疗麻花钻的几何参数Tab.1 Geometric parameters of medical drill直径顶角螺旋角横刃斜角4 mm118°25°55°2.2 皮质骨钻削实验平台及试验设计2.2.1 皮质骨钻削实验平台本试验在台湾永进YCM-V65A 立式加工中心上进行，超声振动设备为本课题组自行设计、定制的，钻削过程中使用Fluke TiX600 公司的红外摄像仪监测钻削温度，钻削过程完成后立即收集切屑观察并使用Taylor-Hobson 生产的Talysurf i-Series 测量孔壁的表面粗糙度，常规钻削试验时将超声振动平台电源关闭，超声振动钻削试验平台及测量装置如图3.图3 超声振动钻削试验平台及测量装置Fig.3 Ultrasonic vibration drilling test platform and measuring device2.2.2 皮质骨钻削试验设计已有研究表明超声振动钻削参数、振动参数取表2 所示的范围时可获得较好的钻削温度、切削力[9-10].为研究在合理的切削力、钻削温度范围内得到主轴钻速、进给速度、频率、振幅对表面粗糙度的影响程度，本文设计了4 因素3 水平的正交试验，如表3 所示.其中每组实验重复三次，每两组试验更换钻头，防止长时间工作钻削温度升高以及刀具磨损对骨孔表面质量产生影响.表2 参数的取值范围Tab.2 Value range of parameters主轴钻速rev/min 进给速度mm/rev频率/kHz振幅/μm 1 000~2 00030~5015~2510~20表3 正交试验设计Tab.3 Orthogonal test design序号主轴钻速/rpm进给速度mm/min 频率/khz 振幅/μm 11 000301510 21 000402015 31 000502520 41 500302020 51 500402510 61 500501515 72 000302515 82 000401520 92 0005020103 试验结果与分析3.1 切屑形态由理论分析可知超声振动钻削厚度是规律性变化的而常规钻削的钻削厚度始终保持不变，超声振动钻削切屑形态理论上应该呈现短小、切屑一边厚一边薄；常规钻削钻削切屑较长，呈现切屑厚度一致的螺旋状.由图4 可见，超声振动钻削皮质骨切屑短小，且切屑两边厚度不一呈针状；而常规钻削皮质骨切屑较长，且切屑两边厚度大致相同，一端出现螺旋.这很好的验证了超声振动钻削的断屑机理.图4 皮质骨钻削的切屑形态Fig.4 Chip shape for drilling cortical bone3.2 频率、振幅及切削参数对骨孔表面粗糙度影响程度在主轴钻速为2 000 rpm，进给速度50 mm/min时，实验测得超声振动钻削（频率20 kHz、振幅10 μm）皮质骨骨孔壁的粗糙度值为0.63 μm；常规钻削皮质骨骨孔壁粗糙度值为1.52 μm，表明超声振动钻削显著改善加工表面粗糙度获得更优的表面质量.本文中对正交试验结果采用极差法分析，结果分析如表4所示. 表4 正交试验结果及分析表Tab.4 Orthogonal test results and analysis tableimages/BZ_15_1273_477_2243_592.png111110.32 212220.25 313330.64 421230.23 522310.35 623120.99 731320.57 832130.75 933210.63 K11.211.122.061.30 K21.571.351.111.81 K31.952.261.561.62k10.400.370.690.43 k20.520.450.370.60 k3-0.650.750.520.54极差0.250.380.320.17最优方案A3B3C1D2其中A 为主轴钻速，B 为进给速度，C 为超声振动频率，D 为振幅，K1、K2、K3 分别为因素A、B、C、D的第一、第二、第三水平所在试验中对应粗糙度之和；k1、k2、k3 分别为对应K1、K2、K3 的平均值.极差分析可知，对骨孔表面粗糙度的影响程度由大到小依次是进给速度、频率、主轴钻速、振幅，并且得出获得最佳表面粗糙度的最优方案即主轴钻速为2 000 rpm、进给速度为50 mm/min、频率为15 kHz、振幅为15 μm时在研究范围内获得最优表面粗糙度.4 结论本文理论分析超声振动钻削皮质骨过程中切削刃的运动轨迹和切屑形成机理，研究了超声振动钻削的切屑形态在此基础上解释了超声振动钻削易于断屑的原理，并搭建了超声振动钻削试验平台，试验观察其切屑形态并研究了超声振动频率、振幅、主轴钻速以及进给速度对孔壁粗糙度的影响.得出如下结论：1）超声振动钻削的厚度是随角度周期性变化的；使得切屑的厚度不一致，加之冲击特性使其切削性能得到改善，断屑效果更好.2）超声振动钻削皮质骨切屑呈短小的针状，常规钻削皮质骨切屑呈较长的螺旋状. 3）参数对皮质骨骨孔壁的表面粗糙度影响程度依次是进给速度、频率、主轴钻速、振幅，在研究范围内主轴钻速为2 000 rpm、进给速度为50 mm/min、频率为15 khz、振幅为15 μm 时获得最优表面粗糙度.参考文献：【相关文献】［1］房善想，赵慧玲，张勤俭.超声加工技术的应用现状及其发展趋势［J］.机械工程学报，2017，53（19）：22-32.［2］Alam K，Mitrofanov A V，Silberschmidt V V.Experimental investigations of forces and torque in conventional and ultrasonically-assisted drilling of cortical bone［J］.Medical Engineering & Physics，2011，33（2）：234.［3］Kadivar M A，Akbari J，Yousefi R，et al.Investigating the effects of vibration method on ultrasonic-assisted drilling of Al/SiCp metal matrix composites［J］.Robotics and 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上的残留区域 ,有关文献将其命名为 spanzipfel 区域。
由图 2 几何关系可知
hth = f2/ 8 R
(1)
h = R - y1 = R - R2 - x2c
(2)
又因为
tanα=
R2 - x2c xc
(3)
因此由式 (3) 可推导出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
α= arctan
R2 - x2c xc
(4)
sinRα=
关键词 :超精密车削 , 金刚石刀具 , 微切屑 , 表面粗糙度 , 表面微观形貌
Study on Formation Mechanism of Chip and Surface Micro2topography in Ultraprecise Turning
Wang Xiaoxia et al
3 表面微观形貌的几何建模与试验研究
在超精密加工中 ,除机床本身的性能外 ,刀具切 削刃有效切除工件材料的最小切削厚度 (MTC) 的可 控性和重复性也是影响加工精度的主要因素 。最小 切削厚度不仅可反映切削刃的纳米级微观结构 ,还 可反映刀具与工件材料之间的相互作用状态 。最小 切削厚度 (MTC) 定义为能够从工件材料上有效去除 金属的最小厚度 。切削厚度越小 ,工件材料抵抗塑 性变形的能力越强 ,刀具与材料原子之间的相互作 用力越弱 。在金刚石刀具切削刃半径仅几个纳米的 特定微切削环境下 ,最终可达到的加工精度与最小 切削厚度为同一个数量级 。日本学者在具有高稳定 性的机床上使用特制的金刚石刀具切削单晶铜 ,获 得了非常微细的切屑 , 并使最小切削厚度达到了 1nm[3 ,4 ] 。
图 2 所示为在理想状态下用圆弧刃金刚石车刀 进行超精密加工时表面形成过程的几何模型 。由图 可知 :在金刚石车削过程中 ,沿车刀圆弧各点形成的 切屑厚度是变化的 ,切屑厚度理论上由零变化到最 大值 。当采用圆弧刃金刚石刀具超精密车削加工软 金属时 ,刀具圆弧半径 R 和进给量 f 是决定加工表 面粗糙度大小的主要因素[5 ,6 ] 。
根据金刚石刀具超精密车削试验结果 ,分析了 微切屑的形成过程 ,讨论了加工过程中刀具切削刃 半径和被加工材料的塑性变形 、弹性恢复变形对加 工表面粗糙度的影响 ,并据此建立了最小切削厚度 与表面粗糙度之间关系的几何模型 ,同时提出一种 通过估算最小切削厚度来预测金刚石车削加工所能
获得的加工表面粗糙度的新方法 。大量试验表明 , 使用该方法估算出的表面粗糙度值与实测表面粗糙 度值具有很好的一致性 。
Keywords : ultraprecise turning , diamond cutter , micro chip , surface roughness , surface micro2topography
1 引言
随着超精密切削机床及其控制技术的迅速发 展 ,切削加工范围已由金属等塑性材料逐渐延伸到 玻璃 、陶瓷等各种难加工材料 。由于金刚石刀具的 物理化学性能以及极薄切削层特性等的影响 ,使超 精密切削具有与普通切削不同的特殊规律 。早在几 十年前 ,国外许多学者就对超精密加工表面形成机 理进行了理论探讨和试验研究 ,但受当时条件的局 限 ,对超光滑表面微观形貌形成机理的解释还具有 一定的片面性 。本文通过用单晶金刚石刀具对铜合 金和铝合金材料进行超精密微切削试验 ,在试验结 果的基础上系统研究了最小切削厚度与表面粗糙度 之间的关系 ,并从微切屑的形成、最小切削厚度、变形 等方面研究了超光滑加工表面微观形貌的形成机理 。
度与切削刃半径之间的关系 ,我们进行了一系列车
削试验 。试验车床为哈尔滨工业大学研制的 HCM21
型亚微米级超精密车床 ;工件材料为铝合金 ;切削深 度为 3μm , 进 给 量 为 10 ～ 50μm/ r , 主 轴 转 速 为
1500r/ min ;刀具切削刃半径约为 175nm。车削铝合
金时 ,最小切削厚度约为采用的刀具切削刃半径的
2001 年第 35 卷 №9
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加工表面的完整性在很大程度上受到每一晶粒的晶 向和结构的影响 ;当切削深度与刀具刃口半径尺寸 相当时 ,由刀具刃部的磨光和挤压作用产生的塑性 变形在切削中占据主导作用 ,此时在连续切削加工 过程中加工表面将产生不规则变形层 ,这是造成加 工表面和切屑表面金属晶粒边界不明显的主要原 因[1 ,2 ] 。
Abstract :The cutting tests with single crystal diamond tools are carried out on a submicron CNC ultraprecise lathe. According to test results , the chip formation mechanism and the relationship between the minimum cutting thickness and surface roughness are analyzed , and the model of micro2topography on the machined surface is established. The investigation shows that it is possible to predict the surface roughness obtained in the diamond turning by calculating the minimum cutting thickness.
2 切屑的形成机理
通过研究微切屑的形成与加工表面粗糙度之间 的关系 ,可以揭示刀具几何形状和切削参数对加工 表面粗糙度的影响 。为此 ,我们在哈尔滨工业大学 自行研制的 HCM21 型亚微米级超精密车床上进行 了一系列切削试验 。试验材料为铜合金 ;切削深度 为 1 ～ 10μm ; 进 给 量 为 3μm/ r ; 主 轴 转 速 为
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工具技术
超精密车削时切屑形成及表面微观形貌形成机理的研究
黑龙江佳木斯大学 (154007) 王晓霞 哈尔滨工业大学 (150001) 王洪祥 中国人民解放军防化指挥工程学院 李明洪
摘 要 :在亚微米级 CNC 超精密车床上进行了单晶金刚石刀具切削试验 ,根据试验结果分析了切屑形成机理 和最小切削厚度与表面粗糙度之间的关系 ,建立了加工表面微观形貌的几何模型 。研究结果表明 :通过计算最小 切削厚度值可预测金刚石车削加工可获得的表面粗糙度值 。
图 2 超精密车削表面形成过程几何模型
图 2 中 , hth为理想状态下加工表面形成的轮廓 峰与轮廓谷之间的距离 ,即理论粗糙度值 。在加工 过程中 ,由于最小切削厚度的存在 ,在实际加工表面
形成的轮廓峰与轮廓谷之间的距离 h 通常与理论粗
糙度值 hth不同 。tmin为最小切削厚度 ,它是决定最终 加工精度的主要因素之一 。图中阴影表示加工表面
0. 4～0. 6 倍 ,这一比值随着被加工材料和切削条件
(如进给量 、刀具圆弧半径等) 的不同而略有差异 。
利用上述公式中的中间变量 xc 建立起加工表 面形成的轮廓峰与轮廓谷之间距离 h 与最小切削
厚度 tmin之间的关系 ,利用这一几何关系仿真出的表 面形貌在形状上与较理想状态下形成的表面微观形
2001 年 8 月 16 日 ,机床杂志社在中国科技会堂举行了 《制造技术与机床》杂志创刊 50 周年庆典 ,全国政协委员 、提 案委员会主任 、中国机械工程学会理事长 、原机械工业部部 长何光远和中国机床工具工业协会名誉理事长梁训王宣等 140 余位领导 、专家学者和企业代表到会祝贺 。
2 T Nishiguchi. Mechanism of micro chip formation in diamond turning of Al2Mg alloy. Annals of the CIRP ,1986 ,37 (1) :117～ 120
3 Naoya Ikawa , Shoichi Shimada. Minimum thickness of cut in micromachining. Nanotechnology , 1992 , 3 :6～9
(a) 切屑全貌 (b) 切屑表面形貌 (c) 切屑边部 图 1 超精密车削铜合金时形成切屑的 SEM 照片
观察加工表面微观形貌的 AFM 照片和切屑的 SEM 照片可以发现 :因刀具磨损造成的切削刃不完 整性复映到加工表面上 ,从而产生平行于切削方向 的刀具刮痕 。当采用较大切削深度时 ,加工表面和 切屑表面的晶粒边界比较清晰 ;采用较小切削深度 时 ,可观察到的金属晶粒边界也较小 (从切屑的 SEM 照片中几乎观察不到金属晶粒边界) 。由此可得出 结论 :当切削深度大于刀具刃口半径尺寸时 ,工件材 料主要以传统切削方式被切除 ,形成的切屑表面和
5 S Asai. Observation of chip producing behaviour in ultra2preci2 sion diamond machining and study on mirror2like surface gene2 rating mechanism. Precision Engineering , 1990 ,12 (3) :137～ 143
收稿日期 :2001 年 4 月
1500r/ min 。从局部放大的切屑 SEM 照片上可以看 出 :切削铜合金时产生的切屑是由剪切滑移的层状 薄片堆积形成 ,且卷曲成螺旋状 。试验表明 :沿圆弧 刀具切削刃的有效切削厚度是一个变量 ,在切削刃 与待加工表面接触点处切削厚度达到最大值 。当切 削厚度较大时 ,切屑的表面结构较紧密 ;切削厚度较 小时 ,切屑的表面结构则较疏松 ;同时 ,随着切削深 度的减小 , 切屑的卷曲半径增大 。当切削深度为 1μm 时所形成切屑的 SEM 照片如图 1 所示 。