影響超微細切削加工質量的因素及解決措施

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   時間:2014-03-14 00:44:27
影響超微細切削加工質量的因素及解決措施簡介
    精細切削加工主要是指對零件尺寸在1mm以下、加工精度為0.01~0.001mm的微細尺寸零件的加工;微細切削加工是指對尺寸在1μm以下的微細零件的加工;……
影響超微細切削加工質量的因素及解決措施正文

 

精細切削加工主要是指對零件尺寸在1mm以下、加工精度為0.01~0.001mm的微細尺寸零件的加工;微細切削加工是指對尺寸在1μm以下的微細零件的加工;超微細切削加工是指對微細度為1nm以下的零件進行的加工。
1.影響超微細切削加工的主要因素:
(1)單位切削力的影響:實現超微細加工的物理實質是切斷材料分子、原子間的結合,實現原子或分子的去除,因此切削力必須超過晶體內部的分子、原子結合力。當背吃刀量和進給量極小時,單位切削麵積上的切削力將急劇增大,單位切削力將非常大,同時產生很大的熱量,使刀刃尖端局部區域的溫度升高,直接影響到切削加工的正常進行。
(2)材料微量加工特性的影響:材料的去除過程不僅取決於切削刀具,同時也嚴格受制於被加工材料本身。超微細切削加工材料的選擇以納米級的表面質量為前提,稱為材料的「微量加工性」(可用表面粗糙度及在某一加工距離上對刀具磨損的可忽略性來定義)。.影響材料微量加工性的因素包括被切削材料對金剛石刀具的內部親合性(化學反應),材料本身的晶體結構、缺陷、分佈和熱處理狀態等(如多晶體材料的各向異性對零件加工表面完整性具有較大影響)。
(3)刃口圓弧半徑對超微量切削厚度的限制:刀具刃口半徑限制了其最小切削厚度,刀具刃口半徑越小,允許的最小切削厚度也越小。公式hmin=(0.165~0.246)ρ給出了一般情況下超微細切削中刀具刃口半徑和其可加工最小切削厚度的關係;目前常用的金剛石刀具的刀刃鋒利度約為ρ=0.2~0.5μm,最小切削厚度可達0.03~0.15μm;經過特殊刃磨的刀具可達ρ=0.1μm,最小切削厚度可達0.014~0.026μm.若需加工切削厚度為1nm的工件,刀具刃口半徑必須小於5nm,而目前對這種極為鋒利的金剛石刀具的刃磨和應用都非常困難。
(4)刀具的磨損和破損:由於金剛石刀具存在微磨損,在切削一段時間后,刀具磨損會逐漸加劇,有時甚至會突然惡化。金剛石刀具的失效有兩種形式:崩刃和磨損。金剛石刀具的機械磨損和微觀崩刃是由刀刃處的微觀解理造成的,其磨損的本質是微觀解理的積累。累積的金剛石刀具磨損主要發生在刀具的前、后刀面上,在經過數十萬米的切削長度之後,這種磨損變為亞微米級磨損。由於氧化、石墨化、擴散和碳化的作用,金剛石刀具也會產生熱化學磨損。崩刃是當刀具刃口上的應力超過金剛石刀具的局部承受力時發生的,是最難預測和控制的損傷,而且對加工表面質量的影響比前、后刀面磨損的影響要大。降低切削溫度可有效減少刀具磨損。此外,在充滿飽和碳氣體中進行切削也可抑制金剛石刀具的碳化作用。
(5)切削過程中的微振動:工件表面形貌是由於刀具的輪廓映射到工件上的結果,因此加工表面粗糙度由刀具和工件之間相對運動的精度及刀具刃口形狀決定。微細切削時,由於背吃刀量常常小於材料的晶粒直徑,所以相當於對一個個不連續體進行切削。這種微觀上的斷續切削及機床的動特性會引起切削過程中的微振動。微細切削中的微振動對加工表面質量的影響也不容忽略。
(6)積屑瘤對加工過程的影響超:微細切削時,積屑瘤的影響不容忽視。積屑瘤影響切削力和切削變形,冷焊在刀刃上的積屑瘤還會影響加工表面粗糙度。除刀刃的微觀缺陷對積屑瘤的產生有直接影響外,切削速度和進給量對積屑瘤產生的影響也是顯而易見的。微細切削時,在所有切削速度範圍內都有積屑瘤存在,但切削速度的大小將影響積屑瘤的高度,切削速度越低,積屑瘤越高;進給量越小,積屑瘤也越高。
2、解決措施:
要解決上述因素對超微細切削加工的影響,加工時可採取以下解決措施:
(1)正確選用刀具材料:針對超微細加工單位切削力非常大,產生大量熱量,使得刃尖區域溫度很高的特徵,在加工時必須選用符合要求的刀具,所選用刀具材料需具備耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強度好的特性,在超微細加工中,最常用的是金剛石刀具。
(2)合理選擇工件材料:為了提高超微細加工表面質量,應合理選擇工件材料。選擇微量加工性較好的工件材料(如非晶體材料或擁有精細晶粒結構的材料)可以得到加工表面完整性較好的工件表面。
(3)減小刃口圓弧半徑:用金剛石刀具超精密切削加工有色金屬和非金屬材料,能獲得Ra=0.02~0.002μm的鏡面,精細研磨刀具后可切出厚度達1nm的切屑。目前金剛石刀具的刃口質量主要靠在旋轉的鑄鐵盤上對金剛石刀具刃口進行精細研磨、拋光獲得,而採用離子束加工及化學拋光加工可使被加工刀具具有亞微米級的形狀精度。
(4)採用斜角切削斜角切削:可以增大實際切削前角,減小切削刃圓弧半徑及極限最小切削厚度,從而實現超薄切削和微細切削。微細切削時,刃傾角的選擇需綜合考慮金剛石刀具晶面的選擇及刃磨。
(5)選擇適當的刀具前、后刀面:天然金剛石具有硬度高、耐磨性強、高溫強度高、導熱性好、與有色金屬間的摩擦係數低和能磨出極鋒利的刀刃等一系列優異特性。因此,雖然天然金剛石價格昂貴,但仍是不可替代的超微細切削刀具材料。

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