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微切削理论及相关技术的研究现状及趋势

制造技术与机床 2010年第9期 35-38页

作者：张棉好刘智强浙江师范大学机电技术研究中心浙江金华321000

对国内外微切削理论及微机械装配等相关技术进行了整理和描述,并提出了今后在微切削领域研究的方向。

关键词：微切削最小切削厚度切削力刀具磨损毛刺

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微铣削切削力的解析模型分析

组合机床与自动化加工技术 2019年第9期 22-26页

作者：喻春明汪小军迟玉红杨衍帅王勃西京学院机械工程学院西安710123 西安科技大学机械工程学院西安710054 东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

针对传统铣削模型不能较好的反映出微铣削刀具因尺寸效应而易受切削力与切削振动的影响效果的问题,建立了微铣削刀具运动轨迹和动态切削厚度模型和考虑刀具磨损的微铣削犁力模型和剪切力模型,通过Deform-2D切削仿真获得了犁力系数和剪... 详细信息

针对传统铣削模型不能较好的反映出微铣削刀具因尺寸效应而易受切削力与切削振动的影响效果的问题,建立了微铣削刀具运动轨迹和动态切削厚度模型和考虑刀具磨损的微铣削犁力模型和剪切力模型,通过Deform-2D切削仿真获得了犁力系数和剪切力系数,建立了考虑刀具磨损的微铣削切削力模型。同时通过切削力测试实验与仿真结果进行比对,检验了切削力模型与测试结果的偏差,结果表明该切削力模型预测结果可以较好的反应实际切削力值,可以利用该模型进行微铣削切削力的近似计算,进而验证了模型的正确性与可信度。

关键词：微铣削犁力最小切削厚度切削比能

基于MSG理论的Al7075介观尺度切削的仿真与试验研究

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基于MSG理论的Al7075介观尺度切削的仿真与试验研究

作者：宋旭北京理工大学

学位级别：硕士

随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的需求与日俱增，介观尺度切削加工过程中的现象与机理也随之受到国内外学者的关注。介观尺度切削并不仅仅是宏观尺度切削在尺寸上的减小，还存在着尺度效应和最小... 详细信息

随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的需求与日俱增，介观尺度切削加工过程中的现象与机理也随之受到国内外学者的关注。介观尺度切削并不仅仅是宏观尺度切削在尺寸上的减小，还存在着尺度效应和最小切削厚度等新的理论与工艺问题，传统的塑性力学理论不能描述介观尺度切削中的应变梯度效应，因此需要有针对性地从微观力学和材料位错方面对其进行仿真分析和试验研究。本文基于位错机制的应变梯度（MSG）塑性理论，建立了能够体现尺度效应的适用于介观尺度切削的材料本构模型;根据所建立的本构模型，应用Fortran语言，对ABAQUS有限元软件的材料子程序进行二次开发;采用任意拉格朗日-欧拉ALE算法，建立了铝合金介观尺度切削过程的二维动力学有限元仿真模型，并通过准直角自由微细铣削实验对仿真模型进行了验证;应用所建立的仿真模型对铝合金介观尺度切削加工过程中的单位切削力、最小切削厚度、应变梯度效应、等效应力等进行了研究。研究结果表明：使用基于位错机制的应变梯度塑性理论的修正本构模型能够对介观尺度切削加工进行有效的仿真预测，比经典的JC模型所得到的切削力和单位切削力更接近试验值;PCD刀具切削铝合金的最小切削厚度大致为刀具钝圆半径的0.25-0.3倍，最小切削厚度取决于刀具钝圆半径;材料应变梯度的存在使得材料表现出强烈的尺度效应，并且使切削力与单位切削力随着进给量的减小明显地增大;随着切削速度的增加，切削区的最大应力在减小，随着刀具前角与刀具钝圆半径的增加，切削区的最大应力在增加;切削速度对切削力的影响非常小，随着刀具前角的增加，切削力在减小，随着刀具钝圆半径的增加，切削力在增加。

关键词：介观尺度最小切削厚度刀具钝圆半径 MSG

基于AFM的纳米机械刻划切屑形成过程试验研究

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基于AFM的纳米机械刻划切屑形成过程试验研究

作者：杨帆哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

扫描探针显微镜(SPM)包括原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)以其分辨率高,可以在真空、大气和液体环境下工作的优势,在纳米技术研究领域得到了广泛的应用。基于原子力显微镜的机械刻划加工具有精度高而且加工同时可以对表面监测... 详细信息

扫描探针显微镜(SPM)包括原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)以其分辨率高,可以在真空、大气和液体环境下工作的优势,在纳米技术研究领域得到了广泛的应用。基于原子力显微镜的机械刻划加工具有精度高而且加工同时可以对表面监测等优点。因此,对基于原子力显微镜的纳米刻划相关技术进行深入研究,具有重要的理论意义与实用价值。切屑的形成和对切屑产生影响的因素是机械加工中的一项重要研究内容。因此,本文通过AFM机械刻划加工方法,对超精密加工中切屑的形成、形貌的影响因素进行了研究。本文首先对针尖刻划过程以及AFM刻划机理进行了分析。AFM刻划加工可以分为两个过程,即压入过程和刻划过程。针尖压入样品表面,随着针尖的移动,针尖前材料堆积增多,发生断裂随着针尖被带走,形成切屑。本文随后通过变化不同参数(进给量、刻划速度、垂直载荷、循环次数和不同进给方向等)进行刻划试验,通过扫描电镜(SEM)对刻划后试件形成切屑进行观察。通过实验结果,分析各种参数的切屑形成、形貌的影响和变化规律。最后,本文对基于AFM机械刻划的最小切削厚度进行了研究,推导出最小切削厚度与针尖圆弧半径、垂直载荷与切向力比值以及针尖与样品间摩擦系数的近似关系。然后通过改变载荷的大小,进行刻划单线加工,加工后用原子力显微镜进行成像,找到形成切屑的临界载荷值以及加工厚度,之后又变换试件材料进行对比试验研究。实验结果与推导值相对比,基本相符。

关键词：原子力显微镜机械刻划加工切屑最小切削厚度

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典型多晶体金属微切削变形机理与试验研究

典型多晶体金属微切削变形机理与试验研究

作者：董经达长春理工大学

学位级别：硕士

微型产品在国防工业、医疗卫生、航空航天及微电子等领域运用越来越广泛,因此各领域对组成微型产品的关键微小型零件的需求越来越迫切。目前制造微小型零件的主要加工方法中,MEMS技术加工材料单一,相对精度较低,不能加工形状复杂的三维... 详细信息

微型产品在国防工业、医疗卫生、航空航天及微电子等领域运用越来越广泛,因此各领域对组成微型产品的关键微小型零件的需求越来越迫切。目前制造微小型零件的主要加工方法中,MEMS技术加工材料单一,相对精度较低,不能加工形状复杂的三维微小型零件;常规机床加工三维微小零件,其具有场地占用大,能源消耗大等局限性。而微切削加工技术可进行多种工程材料三维复杂结构微小零件的加工,具有成本低、效率高、精度高等优点,能够从根本上解决微小型零件目前加工方式中存在的问题,因此微切削技术作为微制造的基础和创新源泉亟待进一步发展和完善。本文对典型多晶体金属微切削变形过程进行深入分析,建立了微切削模型和微切削力计算公式,并通过自行研发的微切削加工试验系统进行正交直角微切削试验,及通过切削仿真软件ABAQUS进行微切削仿真试验,对微切削模型和微切削力计算公式进行了进一步验证和优化。由于微切削过程中刀具钝圆的不可忽略,本文把微切削过程根据刀具分为前刀面、刀具钝圆、后刀面三个部分对材料的变形机理进行分析,给出了切屑变形系数计算公式,得出通过减小刀具切削刃钝圆半径办法可以减小切屑的变形系数。建立了考虑切削刃钝圆影响的微切削模型和微切削力计算公式,理论分析出了切削刃钝圆对各部分切削力的影响,当切削深度一定时随着切削刃钝圆半径r增大,切削合力F增大,前刀面切削作用力F减小,后刀面切削作用力F增大。通过有限元软件ABAQUS切削仿真研究了切削刃钝圆半径对微切削过程中应力场和等效塑性应变场的影响规律,通过速率场停滞区方法,得出了铝合金Al6061-T6的最小切削厚度为切削刃钝圆半径的27%左右。通过正交直角微切削试验得出切削深度相对切削速度对微切削力的影响较大,且微切削力并不是随着切削深度的增大而线性增长的,通过对单位切削力深入研究验证了微切削中存在的尺度效应;对不同切削参数下的宏观和微观切屑形貌进行分析,得出随着切削厚度的增大,切屑由碎末状到节状到带状切屑,且切屑上褶皱和裂纹越来越少,在切屑的角度分析了产生尺度效应原因;通过对切屑根部微观形貌研究,发现了切屑根部的纤维化和晶粒拔出现象。

关键词：微切削变形机理尺度效应切屑形貌最小切削厚度

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微尺度铣磨复合加工工艺研究

微尺度铣磨复合加工工艺研究

作者：成忠海东北大学

学位级别：硕士

随着国内外航空工业、医疗器械、汽车行业、军工武器、通讯行业等的迅猛发展,相应的设备以及产品正朝着微型化的方向发展,使得微细加工技术的应用变得越来越广泛,与此同时,人们对产品的要求如功能、外形、可靠性等逐渐的提高。微尺度加... 详细信息

随着国内外航空工业、医疗器械、汽车行业、军工武器、通讯行业等的迅猛发展,相应的设备以及产品正朝着微型化的方向发展,使得微细加工技术的应用变得越来越广泛,与此同时,人们对产品的要求如功能、外形、可靠性等逐渐的提高。微尺度加工具有高柔性、高精度、高效率等特征,不仅能够加工微小尺度特征的零件,还可以加工具有复杂三维形状或者复杂曲面的微小零件,是加工微型产品的主要方法。国内外许多学者对微加工技术特别是微切削技术进行了研究,但是微切削加工的加工机理仍然有许多不够清楚的地方,微切削加工中的最小切削厚度、弹性恢复、耕犁作用等对加工过程的影响特别是对表面质量的影响仍然值得继续研究。微铣削加工技术是微切削加工技术中最为重要的一种,具有较高的材料去除率和高的柔性,但是微铣削加工的表面质量并不理想;微磨削加工具有较高的加工精度,能获得较好的表面质量,其缺点是加工效率比较低,故本课题提出了一种能同时具有微铣削的高效和微磨削的高表面质量的加工工艺,即微尺度铣磨复合加工。本文主要从以下几个方面对微铣磨复合加工工艺进行研究。（1）分析微尺度铣磨复合加工材料去除机理,对加工过程中的存在的最小切削厚度、弹性恢复高度等建立数学预测模型;并分析微铣磨复合加工的瞬时切削厚度,以及加工过程中切屑不连续现象。（2）利用ABAQUS对微铣磨复合加工过程进行仿真研究,对微铣磨加工过程中切屑的形成过程和加工过程的温度场进行分析。（3）分析微尺度铣磨刀具的制备工艺,并针对实验需要进行改进,对制备的铣磨刀具进行微观观测分析,为实验研究做准备。（4）对铝合金6061、黄铜H62、20钢进行侧铣磨加工实验,分析各加工因素对表面粗糙度的影响大小及规律：对铝合金6061进行侧铣磨和槽铣磨加工实验以及槽铣削和侧铣削加工实验,根据不同加工参数绘制出表面粗糙度变化规律,分析槽加工和侧加工两种加工方式的不同,并对比分析铣磨加工和铣削加工表面粗糙度的优劣。（5）总结本文得出结论以及课题研究不足的方面,对本课题未来研究提出一些建议。

关键词：微铣磨最小切削厚度表面粗糙度温度场弹性恢复加工参数

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单晶硅片超精密磨削表面损伤层深度解析预测

单晶硅片超精密磨削表面损伤层深度解析预测

作者：林彬大连理工大学

学位级别：硕士

集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片是电子信息领域的核心器件,是信息技术发展的基础。单晶硅作为IC芯片制造的主流导体衬底材料被广泛应用。单晶硅属于硬脆材料,通常采用线锯切割、超精密磨削、研磨以及抛光等方式进行加工。由于研... 详细信息

集成电路(Integrated Circuit,IC)芯片是电子信息领域的核心器件,是信息技术发展的基础。单晶硅作为IC芯片制造的主流导体衬底材料被广泛应用。单晶硅属于硬脆材料,通常采用线锯切割、超精密磨削、研磨以及抛光等方式进行加工。由于研磨和抛光等加工方法存在生产效率低,晶圆厚度均一性差等缺点,超精密磨削被认为是实现单晶硅衬底晶圆材料高效去除和高厚度均一性控制最适宜的方法。相较于普通端面磨削,工件旋转法磨削更是具有总厚度变化量(TTV)小、易实现延性域磨削和效率更高等优点,在当前集成电路制造领域被广泛采用。使用金刚石砂轮超精密磨削会不可避免地使工件材料产生表面/亚表面损伤,导致芯片强度下降,进而影响芯片的性能。因此,磨削损伤的预测和控制是超精密磨削的核心问题。磨粒切削深度决定了磨削损伤形式和深度,对其准确的预测有助于缩短磨削加工工艺优化周期、提高工件质量和减少加工成本。根据文献报道,采用现有工件旋转法磨削磨粒切削深度模型预测得到的表面粗糙度随着砂轮粒度的减小明显偏离磨削试验结果,得到的磨粒切深甚至已经不符合材料去除的基本物理原理。究其原因在于现有切削深度模型没有考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹对于磨粒切削深度的影响。同时现有亚表面损伤深度理论模型基本上是针对有裂纹产生的脆性域去除阶段,缺少针对塑性域去除阶段的亚表面损伤理论预测模型。基于上述分析,本文的主要研究内容有:(1)基于工件旋转法磨削原理,综合考虑磨粒刃圆半径、有效磨粒数、最小切削深度以及工件弹性回弹,推导得到适用于材料塑性域去除的磨粒切削深度模型,并讨论各个参数对磨粒切削深度数值大小以及径向差异性的影响。(2)由于直接测量纳米级切屑十分困难,因此建立磨粒切削深度与工件表面粗糙度R之间的联系,通过对磨削表面粗糙度R进行测量,并与现存模型进行对比,证明本文提出的磨粒切深模型具有合理性。(3)通过磨粒切削深度模型得到划擦沟槽塑性变形区大小,并以磨削沟槽塑性区大小来表征超精密磨削亚表面缺陷深度。通过透射电子显微镜(TEM)测量得到磨削工件的亚表面损伤深度,以此来证明亚表面损伤理论预测模型的准确性。

关键词：超精密磨削磨粒切削深度有效刃圆半径最小切削厚度亚表面损伤深度

微铣削表面粗糙度影响因素与刀具失效机制研究

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微铣削表面粗糙度影响因素与刀具失效机制研究

作者：王学彬哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着微铣削技术的发展，其应用领域也随之扩大，目前已广泛应用于航空航天工业、生物医学、电子器械等领域。由于尺寸效应的原因，微铣削加工工件表面粗糙度很难保证，且刀具失效速度快，这已成为限制微铣削技术应用的一个重要因素。微... 详细信息

随着微铣削技术的发展，其应用领域也随之扩大，目前已广泛应用于航空航天工业、生物医学、电子器械等领域。由于尺寸效应的原因，微铣削加工工件表面粗糙度很难保证，且刀具失效速度快，这已成为限制微铣削技术应用的一个重要因素。微铣削切削刃钝圆半径与刀具直径的比值远远超过传统铣削，使得最小切削厚度现象成为微铣削过程中常见现象。由于微铣削厚度一般在微米级，所以微小的径跳也会对加工精度和刀具失效有很大的影响。以往文献关于最小切削厚度的研究多以车削模型为研究基础，且很少学者对微铣削过程中径跳现象进行研究。故本文着重研究最小切削厚度、径跳和工艺参数三个方面对刀具失效和加工表面粗糙度影响。本文首先使用铣削模型对微铣削过程中最小切削厚度进行研究，主要研究最小切削厚度情况下，两切削刃的切削状态，刀具σ1极值和切削温度，从而对最小切削厚度情况下刀具失效形式及失效速度进行判断。之后对微铣刀动态性能影响因素进行分析，主要研究悬伸长度对微铣刀模态和刚度的影响。同时对微铣削过程中径跳现象进行研究，主要研究了安装误差对铣削轨迹、表面粗糙度、铣削力的影响;分析再生振颤对表面粗糙度、刀具σ1极值和铣削力的影响，并研究安装误差对再生振颤的放大作用。使用有限元分析软件分析工艺参数对刀具σ1极值和切削温度的影响，通过刀具σ1极值和切削温度的变化规律，分析工艺参数对刀具失效的影响。最后通过实验对文中部分分析进行验证。研究结果表明最小切削厚度情况下，微铣刀两切削刃切削厚度不均匀，刀具不易发生崩刃失效现象，失效形式主要以磨损为主，且磨损速度有一定增加。同时发现随着悬伸长度增加，刀具固有频率和刚度降低，使得刀具更容易发生变形和振颤，实验发现悬伸长度21mm时为最佳悬伸长度。分析发现安装误差对加工精度、表面粗糙度和铣削力具有一定的影响，当径跳角度为0°时影响最大，径跳角度为90°时影响最小，且安装误差使铣削过程中有离心力产生，离心力对夹头受力和刀具变形有很多影响;再生振颤对表面粗糙度有很大影响，且再生振颤现象会导致微铣刀发生崩刃破坏，安装误差对再生振颤具有一定的放大作用。最后提出可根据径跳对铣削力的影响规律，提出可以对铣削力的变化规律进行监测和分析，间接获得径跳的变化特点。

关键词：最小切削厚度安装误差再生振颤表面粗糙度刀具失效

微细铣削钛合金TC4刀具设计及铣削性能研究

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微细铣削钛合金TC4刀具设计及铣削性能研究

作者：邹子川贵州大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展,国防军事、航空航天、医疗器械等制造领域对于具有微细特征零件的需求显著增加,由于微细铣削技术具有高效率、高柔性、高纵横比结构等特点,微细铣削的刀具技术成为微细加工领域的研究热点。钛合金TC4作为一种典... 详细信息

随着科学技术的不断发展,国防军事、航空航天、医疗器械等制造领域对于具有微细特征零件的需求显著增加,由于微细铣削技术具有高效率、高柔性、高纵横比结构等特点,微细铣削的刀具技术成为微细加工领域的研究热点。钛合金TC4作为一种典型的难加工材料,因其具有耐高温、耐腐蚀等优越的综合性能而在工业领域得到广泛的应用。相比传统铣削刀具,微细铣刀整体尺寸与刀头直径很小,其刚度及整体强度不高,易出现折断等情况,加工机理也有着很大的特点。本文以加工钛合金TC4的微细铣刀为研究对象,基于有限元方法探讨微切削加工机理与传统切削机理的区别,并对直径为0.1mm的微细铣刀开展结构优化设计及铣削性能研究。首先,基于Deform仿真实验平台建立二维正交切削模型对微切削钛合金TC4过程进行有限元仿真模拟,获取应力云图,提取切削力数据,分析不同切削深度对应的切屑形貌,探讨了切削深度对最小切削厚度、尺寸效应现象的影响规律。通过提取稳定切削时工件材料的节点位移矢量分布,利用节点位移法,得出不同刃口圆弧半径下微切削钛合金TC4的切削深度与刃口圆弧半径之间的关系,并通过设置对照实验的仿真数据,根据小切深条件下的等效应力、切削分力及切削比能的变化趋势,验证了微切削过程中的尺寸效应现象。利用Solidworks造型平台建立相同直径,不同刃型结构的微细铣刀三维模型,导入Deform-3D仿真模块,研究刃型结构对切削力、切削温度的影响规律。并以直径为0.1mm的微细立铣刀为研究对象,通过建立单因素实验方案,得出微细铣刀几何参数及加工工艺参数对铣削力的影响规律,并以降低铣削力为目标求得三种刀具几何因素的最优组合,同时基于响应曲面法求得微细铣刀几何参数交互影响规律。验证了微铣削加工中同样有受最小每齿进给量影响的尺寸效应现象。利用有限元ANSYS Workbench对微细铣刀模型进行静动态力学分析,研究刃口形状、刀具悬伸量及刃口长径比等参数对刀具模态的影响规律,研究表明本结构的微细铣刀在实际加工过程中,应控制刀具悬伸量在15mm-20mm区间内,刃口长径比小于4;针对刀颈与刀头根部的连接处进行优化,以最大等效应力为评价指标,得到优化后的结构能明显降低应力集中现象,并由此提出新型锥颈结构微细铣刀,能够有效提高刀具模态频率,具有更优的动态性能。

关键词：微细铣刀最小切削厚度结构设计切削性能有限元仿真