[發明專利]一種基于臨界切削厚度的微細刀具刃口強化方法

有效

• 申請號: 201410333712.5
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104209559A
• 公開（公告）日: 2014-12-17
• 發明（設計）人: 陳明;鄭小虎;魏瑩瑩;于德棟;董大鵬
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院
• 主分類號: B23B51/00
• 分類號: B23B51/00;B81C99/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發明涉及用于微細加工的微細刀具，尤其涉及一種基于臨界切削厚度的微細刀具刃口強化方法，屬于微細加工技術領域。

背景技術

微小型系統是微小尺度范圍內光、機、電、液、磁等高度集成的一類系統，微小型結構件是其中連接及支撐功能部件、承受載荷、執行運動或輸出動力的純機械或機電一體的零部件。微小型結構件在對象尺度、構件材料和結構形式方面具有以下特點：(1)特指整體尺度在毫米級、特征尺度在微米級的零件和結構；(2)主要由金屬、合金、金屬基復合材料等非硅材料制成，強度硬度高，機械特性好，具有一定的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫或抗過載能力，能夠服役于高溫、高壓、高速旋轉、高頻率/高g值沖擊、強酸堿鹽、膛壓發射、核輻射等惡劣工況條件；(3)包括座體、框架、腔體、薄壁、窄槽、軸、孔、輪系等多種三維或準三維的結構形式，零件之間以連接、裝配或傳動的方式構成微系統，因而對于其形狀精度和位置精度的要求較高。微小型系統及其相關產品的應用包括有陀螺儀等慣性器件、微型注塑成型模具、微小衛星、微型機器人以及微機電引信等。

微小型結構件的結構與材料特點對于相應的加工技術提出了較高要求。硅基MEMS技術和LIGA技術是目前比較成熟的微細加工技術，但并不能完全滿足微小型結構件的加工需求。以直接去除材料為主要特征的微細切削技術在三維加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面具有一定的綜合優勢，是發展微系統技術所必須突破的關鍵技術之一。

微細切削是指對毫米級總體尺度結構進行微米級切削層去除的切削加工。通常通過線度尺寸微小的實體刀具對微細切削層的擠壓、變形、切離、摩擦作用實現材料的微量去除。微細切削中所用的微細切削刀具不是傳統切削刀具在整體尺度或局部特征尺度上的簡單縮小，而是基于微細切削的特點與加工機理，面向多種材料微小零件或結構具體加工需求的一類特種切削刀具。

美國、德國、日本等工業發達國家對于微細切削刀具的基礎研究與技術開發比較重視，相繼研制出一系列微細切削刀具，但是由于各種原因，關于微細刀具的刃口設計并沒有非常精確，目前還只是集中在對刀具的幾何形狀的設計和研究上。一般的刀具刃口半徑都在幾十微米至幾微米之間，在一般的加工中，切削厚度比刃口半徑大很多，因此不考慮尺寸效應。而在微細切削中，切削厚度與刃口半徑相近，甚至小于刃口半徑，這樣切削刃承受的法向應力迅速增加，從而容易導致切削刃因承受過大的應力而發生崩刃。現有微細刀具的刃口半徑在全切削刃區域上都是一樣的，因而有必要開發一種變刃口半徑的微細刀具，以改善微細刀具刃口區的切削狀況，提高刀具壽命。

臨界切削厚度因被加工材料而異。現有的研究已經表明，在切削深度大于臨界切削厚度的一般切削中，工件材料去除過程以剪切滑移為主，如圖1所示，在此過程中能夠產生連續的切屑，因而切削過程是平穩而順利的。當切削厚度小于臨界切削厚度時，工件材料的去除過程以耕犁和滑擦為主，剪切情況變少，甚至完全是耕犁和滑擦，材料的去除完全靠刃口對工件材料的擠壓和剝離，材料先在刃口區域堆積，然后被刃口去除，這樣加工表面往往是存在缺陷的。如圖2所示，一般切削(右)過程中不存在負前角，而當切削厚度小于刃口半徑的微細切削時，實際的工作前角是負的(γ<0)，這樣不利于未定切削狀態(剪切滑移)的形成，這種現象就是尺寸效應。

被加工材料的臨界切削厚度的確定可以通過正交切削實驗或切削有限元仿真的方法來實現。通過分析實驗或仿真中主切削力和進給方向切削力的大小來判斷切削狀態何時是耕犁，何時是剪切。當主切削力大于進給力時切削狀態以剪切滑移為主，反之則以耕犁和滑擦為主。

以常見的麻花鉆來說，其主切削刃上不同位置處的切削狀況是不同的。如圖3所示，在靠近橫刃處(圖3c)是負前角切削(γ<0)，在外緣處(圖3a)是正前角切削(γ>0)，在這中間的位置(圖3b)則是由正前角切削逐漸過渡到負前角切削。在微細鉆削中每轉進給量都非常小的情況下(即切削厚度很小)，尺寸效應的影響就會出現，如果此時主切削刃上的刃口半徑還是處處相等的話，靠近橫刃區的切削狀況就會進一步惡化。