CN103357964B - 一种微粒刀 - Google Patents

Abstract

一种微粒刀，其特征在于：所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm。本发明的优点在于：微粒刀刀头上的切削刃极细，达到微米级或纳米级，可以实现纳米级的切削加工；微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床主轴上靠主轴的旋转驱动，利用微粒刀的切削装置不需要主轴，结构简单。

Description

一种微粒刀

技术领域

本发明涉及一种用于微切削加工的微粒刀。

背景技术

随着社会的发展，工业产品的微型化成为高品质的重要特征，而实现产品微型化转变的关键在于微型零件加工技术水平的提高。

在目前的多种微型零件加工技术中，微切削是其中的重要手段之一。微切削主要包括微车削、微铣削和微特种加工等。其中，微铣削加工在微结构的制造和材料去除加工中，表现出了很好的发展潜力，它不仅克服了硅微结构法的加工材料单一、无法进行复杂的三维微零件加工的不足，而且加工材料范围广，是实现金属、合金、复合材料、陶瓷、玻璃、硅等多种材料微小型结构件微细加工的有效途径，尤其对于特征尺寸为0.01μm～1mm的精密微小零件的加工具有更大的优势。不过，在微铣削过程中，当切削层厚度从数微米到亚微米级时，微铣刀的切削刃受到很大的应力作用，单位面积上产生很大的热量，导致刀尖局部极高的温升，因此，微铣削对所用的铣刀有极高的要求。

目前，美国、德国、日本等国家相继研制出一系列微铣刀，微铣刀不是传统铣刀在整体尺度或局部特征尺度上的简单缩小，而是针对微铣削的特点和加工机理的一类特种切削刀具。如日本东京电子通讯大学通过抛光方法用单晶金刚石制造出了直径为φ0.2mm的微铣刀；又如德国卡尔斯鲁厄大学通过离子束溅射和激光束成形的方法，采用硬质合金工具钢制造出直径为φ100μm的微铣刀；再如美国桑迪亚国家实验室和美国路易斯安娜理工大学采用M42高速钢和C2硬质合金材料，通过离子束溅射的方法加工得到的微铣刀直径可以达到φ25μm。尽管如此，微铣刀仍存在着加工工艺复杂、制造成本高、产品数量少、使用条件要求苛刻、使用寿命受限等问题，尚不能从根本上满足微切削对于刀具的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种可用于微切削加工的结构简单且加工方便的微粒刀。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种微粒刀，其特征在于：所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm。

作为优选，所述的刀头呈凸尖形状，刀本体的外表面上可以只设置有一个所述刀头。所述刀本体可以呈规则的立体几何形状，如球形或椭圆形，也可以为不规则的任意形状。

为了提高切削效率，作为另一优选，所述的刀头呈凸尖形状，所述刀本体的外表面上可以设置有多个间隔分布的所述刀头。

为了保持刀头朝下的状态，使得刀头能够始终与切削加工面接触，作为优选，所述刀本体内设置有能使所述刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：微粒刀本体的外表面设置有刀头，刀头尺寸范围在10nm～1mm（微米级或纳米级），刀头上的切削刃极细，可以实现纳米级的切削加工；微粒刀整体结构简单、方便加工制造；微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床主轴上靠主轴的旋转驱动，因此，利用微粒刀的切削装置不需要主轴，结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例的微粒刀结构示意图。

图2为图1所示微粒刀的立体剖视图。

图3为采用如图1所示微粒刀的切削装置。

图4为本发明实施例的微粒刀受力分析图。

图5为本发明实施例的微粒刀在射流作用下的有效作用面积计算图。

图6为本发明实施例的切削装置的喷头剖视图。

图7为图6所示喷头的仰视图。

图8为本发明实施例采用另一种微粒刀结构的切削装置。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例涉及一种微切削刀具和微切削技术，与普通切削不同，在微切削时，吃刀深度通常为微米级到纳米级，而一般材料的晶粒大小为数微米，这就意味着微切削是在晶粒内部进行的，切削过程是在切削一个一个的晶粒，这势必导致单位面积上的切削应力急剧增大，从而在切削刃的单位面积上产生极大的热量，使刀尖处的温度升高，处于高温、高应力的工作状态。

为了解决上述微切削过程中的问题，如图1～图8所示，本实施例提出了一种新型的切削装置，该切削装置包括有微粒刀、切削工作台3、位于该工作台3上方的微射流喷头4和为微射流喷头4提供喷射液体的液压装置，微射流喷头4开设有喷射腔，喷射腔的顶部设置有入液口，入液口连接液压装置的出液管路，喷射腔的底部设置有喷射口，该喷射口形成环形流，微粒刀1的外径与该环形流的内径相适配；微射流喷头4包括有喷座41和喷嘴42，喷座41开设有沿轴向贯穿的通孔411，喷嘴42连接于喷座41的底部，喷嘴42在对应通孔的位置开设有多个沿周向呈环形分布的喷射小孔421。

本实施例的切削装置是采用微粒刀为刀具进行切削加工，如图1、图2所示，该微粒刀1包括有刀本体11和刀头12，刀头12呈凸尖形状，刀本体11的外表面上可以设置有一个或多个间隔分布的刀头12；刀本体11的几何尺寸一般设置为毫米级或微米级，作为优选，可以选择尺寸范围在20mm～10mm之间，刀头12外凸地设置于刀本体11的外表面上，刀头12的几何尺寸要小于刀本体11的几何尺寸，刀头12的几何尺寸范围优选地在10nm～1mm的微米级或纳米级。本实施例微粒刀的刀本体可以为规则立体几何形状结构，如球形或椭圆形等；本实施例微粒刀的刀本体也可以为不规则的其他立体几何形状，如图8所示刀本体1’即呈非规则的晶体结构。

其中，微粒刀1、微射流喷头4和切削工作台3之间可以有以下几种运动方式：第一种，微射流喷头4为固定设置，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第二种，切削工作台3为固定设置，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，微射流碰头4可相对于切削工作台3做直线移动；第三种，微粒刀1固定容置于微射流喷头4内，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动；第四种，切削工作台3为固定设置，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4做直线移动；第五种，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4固定设置，切削工作台3可相对于微射流喷头4做直线移动；第六种，微粒刀1做旋转运动，微射流喷头4和切削工作台3同时沿相反方向做直线移动。

当采用上述第一种、第二种和第三种运动方式时，微粒刀的刀本体11内设置有配重块2，该配重块2能使刀本体11上的刀头12始终朝下偏转并与切削加工面相接触，工作时，以液体为介质，微射流喷头的喷嘴形成环形流，该环形流作用于微粒刀的表面，在微粒刀表面产生了向内的水平分力和向下的垂直分力，向内的水平分力对微粒刀具有“钳制”作用，会像镊子一样牢牢地“钳”住位于微射流喷头下方的微粒刀；向下的垂直分力和配重块共同作用于微粒刀，使刀头12始终朝下，当切削工作台与微射流喷头发生相对运动时，可以实现对工件的切削。

当采用上述第四种、第五种和第六种运动方式时，要实现微粒刀在水势阱中的旋转，微粒刀必须受到一个转矩的作用，为此，可以将微粒刀置于待加工材料表面，水射流的对称中心线偏离微粒刀的回转中心，始终保持微粒刀的一部分与射流水束接触、另一部分不接触，我们将接触部分称为作用区，作用区受到水束的压力作用，未接触的区域不受压力作用，压力为零，由于压差的存在，便产生了旋转力矩，使微粒刀具有了旋转的可能性；当微粒刀的重心线与射流中心线重叠，并且射流与微粒刀重心线两侧的接触面积相等时，由于压力对称分布，不会对微粒刀产生净力矩，微粒刀不会在水势阱中发生旋转；当微粒刀重心线与射流中心线不重叠时，即微粒刀的重心线偏离微射流喷头的中心线设置，水势阱中的微粒刀两侧存在压力差，压力差在微粒刀上产生旋转力矩，微粒刀便可以绕其轴线旋转。于是，微粒刀受转矩作用旋转，当微射流喷头同时做水平移动时，微粒刀微粒刀便可以一边移动一边旋转，通过工作台和微射流喷头二者之间的相对运动完成对工件的切削。

具体地，当微粒刀1和切削工作台3采用第四种、第五种和第六种工作方式时，要实现微粒刀的旋转，微粒刀和微射流喷头之间还需要满足如下初始条件：

其中，上式中k为作用系数；r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作用点之间的距离；ρ为微射流液体的密度；v₀为微射流在微射流喷头的喷射口处的速度；g为重力加速度；h为微射流喷头的底部到微射流与微粒刀接触点的高度；f为静摩擦系数；m为微粒刀的质量；θ为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的连线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。

上述初始条件通过以下力学分析推导获得：设定微粒刀形状为类球体，取微粒刀为研究对象，受力分析如图4所示；

静止时，微粒刀处于平衡状态，由：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{F}_x=0\\ \mathrm{\Σ}{F}_y=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x-F_f=0\\ F_y+\mathrm{mg}-F_N=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

e=rsinθ(3)

F_f=fF_N(4)

由动量矩定理：

Jα=F_ye-F_fr-F_xrcosθ(5)

若微粒刀旋转，则需要α>0，即：

F_ye-F_fr-F_xrcosθ>0(6)

将式(2)、式(3)、式(4)代入式(6)，解得：

$F_y>\frac{F_x\cos \mathrm{\θ}+\mathrm{fmg}}{\sin \mathrm{\θ}-f}---\left(7\right)$

若F_y存在，则需sinθ-f>0,即：

f<sinθ(8)

微粒刀旋转初始状态时，F_x=0，式(7)化简为：

$F_y>\frac{\mathrm{fmg}}{\sin \mathrm{\&theta;}-f}---\left(9\right)$

当射流冲击微粒刀时，如图3所示，在微粒刀表面形成的压强为：

$P=\mathrm{\&rho;g}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)---\left(10\right)$

如图5所示，阴影部分为射流对微粒刀的最大作用面积，即1/4球面，图中体现为半圆，此时，作用效果最好。

假设射流对微粒刀的作用面积为S，则：

S=kπr²(11)

$F_y=\mathrm{PS}=\mathrm{k\&pi;}{r}^2\mathrm{\&rho;g}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)---\left(12\right)$

将式(12)代入式(9)：

$\mathrm{k\&pi;}{r}^2\mathrm{\&rho;}(\sqrt{\frac{v_0^2}{2g}}+h)>\frac{\mathrm{fm}}{\sin \mathrm{\&theta;}-f}---\left(13\right)$

式(13)为微粒刀旋转并进行切削加工的初始条件。

其中：π、r、ρ、g、f、m为已知，k、v₀、h、θ为变化的参数。

以下确定k和θ的关系。

当射流冲击微粒刀时，其作用面积(即相互接触面积)的投影为弓形。根据理论力学教材查得其面积S为：

将式(11)和式(14)合并：

整理得：

k和θ是相互关联的变量，与射流、微粒的尺寸、二者之间的相对位置等有关。根据图4，θ的取值范围为：

0≤θ<90°(17)

将式(17)代入式(16)，得k的取值范围为：

0<k≤0.5(18)

综上所述，微粒刀旋转并进行切削的初始条件为：

以上(1)～(19)式中的符号意义如下：

F_x为液体对微粒刀的水平合力；

F_y为液体对微粒刀的垂直合力；

F_f为微粒刀与待加工表面的摩擦力；

F_N为待加工表面对微粒刀的支持力；

f为静摩擦系数；

r为微粒刀半径；

m为微粒刀质量；

g为重力加速度；

e为Fy作用点到微粒刀圆心的水平距离；

J为微粒刀相对质心的转动惯量；

P为射流对微粒刀表面的压强；

h为喷头底部到射流与微粒刀接触点的高度；

k为作用系数；

S为射流对微粒刀的作用面积；

ρ为射流液体的密度；

θ为F_y作用点与圆心连线与垂直方向的夹角；

α为角加速度；

v₀为射流在喷头出口处的速度。

因此，只要保持旋转力矩的存在，微粒刀便不停地旋转，这样就实现了微粒刀的水致旋转，换句话说，微粒刀的旋转就像风吹动风车转动一样，射流的压力作用在微粒刀上，会产生旋转力矩，从而使微粒刀旋转，类似于现实中风力对风车的作用，微粒刀这个“风车”就可以在水射流产生的“风”的作用下旋转起来了；另外，微粒刀的旋转方向取决于其在水势阱中的初始位置和微粒刀本身的形状（“初始位置”指水势阱成功捕获到微粒刀的瞬间，微粒刀在水势阱中的位置）。

采用水致旋转驱动微粒刀或者水致钳制住微粒刀进行微切削，微流束及时地带走了切削过程中产生的热量，大大减小了热-力耦合作用产生的不均匀变形场，降低了微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响，提高了切削效率和质量。

在实际工作过程中（微粒刀为旋转方式），我们可以选用单晶硅为实验材料，采用如图1、图2所示的呈球形结构的微粒刀1分别进行微米切削和纳米切削实验。由于单晶硅属于脆性材料，根据断裂力学的原理，加工脆性材料时存在着脆塑转变。由于刀尖的切入，待加工表面刀尖处原子的势能被改变，并导致硅原子的动能突然增加，打破了原子的排列，引起局域晶格结构向无序状态的相变，这种无序状态位于刀尖前部的下面，随着切削方向发展，之后在前部形成气穴，这一过程是靠刀尖处高应变能提供的能量驱动的。当应变能转变为动能时，空穴扩展，最后发展成清晰的裂纹。空气与晶体的化学反应能又增加了原子的动能，原子运动加剧，拉长了原子间的距离，使裂纹扩展，材料发生剥离，形成切屑，完成切削加工。

Claims (1)

1.一种微粒刀，其特征在于：所述的微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm；

所述的刀头呈凸尖形状，所述刀本体的外表面上设置有一个所述刀头，所述刀本体内设置有能使所述刀本体上的刀头始终朝下偏转的配重块。