CN104209559B - 一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，将微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区，依据不同被加工材料的临界切削厚度分别确定并修整三个刃口区域各自的刃口半径，以增强刃口强度和优化切削性能；其包括：1)通过正交切削实验或切削有限元仿真确定被加工材料的临界切削厚度；2)将微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区；3)依据被加工材料的临界切削厚度分别确定三区域的刃口半径；4)使用聚焦离子束对主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区的刃口分别进行微米级修整，逐步将刃口修整到确定的刃口半径。本发明现实可行，提高了刃口强度，改善了切削状态，延长了刀具寿命，适用所有微细刀具。

Description

一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法

技术领域

本发明涉及用于微细加工的微细刀具，尤其涉及一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，属于微细加工技术领域。

背景技术

微小型系统是微小尺度范围内光、机、电、液、磁等高度集成的一类系统，微小型结构件是其中连接及支撑功能部件、承受载荷、执行运动或输出动力的纯机械或机电一体的零部件。微小型结构件在对象尺度、构件材料和结构形式方面具有以下特点：(1)特指整体尺度在毫米级、特征尺度在微米级的零件和结构；(2)主要由金属、合金、金属基复合材料等非硅材料制成，强度硬度高，机械特性好，具有一定的耐磨损、耐腐蚀、耐高温或抗过载能力，能够服役于高温、高压、高速旋转、高频率/高g值冲击、强酸碱盐、膛压发射、核辐射等恶劣工况条件；(3)包括座体、框架、腔体、薄壁、窄槽、轴、孔、轮系等多种三维或准三维的结构形式，零件之间以连接、装配或传动的方式构成微系统，因而对于其形状精度和位置精度的要求较高。微小型系统及其相关产品的应用包括有陀螺仪等惯性器件、微型注塑成型模具、微小卫星、微型机器人以及微机电引信等。

微小型结构件的结构与材料特点对于相应的加工技术提出了较高要求。硅基MEMS技术和LIGA技术是目前比较成熟的微细加工技术，但并不能完全满足微小型结构件的加工需求。以直接去除材料为主要特征的微细切削技术在三维加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面具有一定的综合优势，是发展微系统技术所必须突破的关键技术之一。

微细切削是指对毫米级总体尺度结构进行微米级切削层去除的切削加工。通常通过线度尺寸微小的实体刀具对微细切削层的挤压、变形、切离、摩擦作用实现材料的微量去除。微细切削中所用的微细切削刀具不是传统切削刀具在整体尺度或局部特征尺度上的简单缩小，而是基于微细切削的特点与加工机理，面向多种材料微小零件或结构具体加工需求的一类特种切削刀具。

美国、德国、日本等工业发达国家对于微细切削刀具的基础研究与技术开发比较重视，相继研制出一系列微细切削刀具，但是由于各种原因，关于微细刀具的刃口设计并没有非常精确，目前还只是集中在对刀具的几何形状的设计和研究上。一般的刀具刃口半径都在几十微米至几微米之间，在一般的加工中，切削厚度比刃口半径大很多，因此不考虑尺寸效应。而在微细切削中，切削厚度与刃口半径相近，甚至小于刃口半径，这样切削刃承受的法向应力迅速增加，从而容易导致切削刃因承受过大的应力而发生崩刃。现有微细刀具的刃口半径在全切削刃区域上都是一样的，因而有必要开发一种变刃口半径的微细刀具，以改善微细刀具刃口区的切削状况，提高刀具寿命。

临界切削厚度因被加工材料而异。现有的研究已经表明，在切削深度大于临界切削厚度的一般切削中，工件材料去除过程以剪切滑移为主，如图1所示，在此过程中能够产生连续的切屑，因而切削过程是平稳而顺利的。当切削厚度小于临界切削厚度时，工件材料的去除过程以耕犁和滑擦为主，剪切情况变少，甚至完全是耕犁和滑擦，材料的去除完全靠刃口对工件材料的挤压和剥离，材料先在刃口区域堆积，然后被刃口去除，这样加工表面往往是存在缺陷的。如图2所示，一般切削(右)过程中不存在负前角，而当切削厚度小于刃口半径的微细切削时，实际的工作前角是负的(γ<0)，这样不利于未定切削状态(剪切滑移)的形成，这种现象就是尺寸效应。

被加工材料的临界切削厚度的确定可以通过正交切削实验或切削有限元仿真的方法来实现。通过分析实验或仿真中主切削力和进给方向切削力的大小来判断切削状态何时是耕犁，何时是剪切。当主切削力大于进给力时切削状态以剪切滑移为主，反之则以耕犁和滑擦为主。

以常见的麻花钻来说，其主切削刃上不同位置处的切削状况是不同的。如图3所示，在靠近横刃处(图3c)是负前角切削(γ<0)，在外缘处(图3a)是正前角切削(γ>0)，在这中间的位置(图3b)则是由正前角切削逐渐过渡到负前角切削。在微细钻削中每转进给量都非常小的情况下(即切削厚度很小)，尺寸效应的影响就会出现，如果此时主切削刃上的刃口半径还是处处相等的话，靠近横刃区的切削状况就会进一步恶化。

目前微细刀具的刃口半径在全区域上都是均匀一致的，并没有考虑到被加工材料的临界切削厚度，也没有考虑到切削刃不同区域的切削状况，因此有必要寻找一种考虑到不同加工材料临界切削厚度，同时根据切削刃不同部位切削状况不同而变化的一种刃口强化方法。以前，刃口半径控制主要靠精密磨削，不能实现分段磨削，近年来随着技术的进步，控制刃口钝圆半径的方法日渐成熟。聚焦式离子束(FIB)加工技术已经在微细刀具的制备中得到应用，聚焦式离子束技术是利用静电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割技术，使用聚焦离子束可以对微细钻头的底刃进行修整，因此，微细刀具的刃口钝圆半径的控制完全可以借助聚焦式离子束(FIB)加工技术得以实现。

发明内容

本发明所要解决的问题是，克服传统微细刀具刃口半径一致引起的切削状况恶劣、容易崩刃的不足，提供一种现实可行的基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，以及采用该强化方法制备的微细钻头，以改善刃口区域的切削状况，提高加工精度，延长刀具寿命。

为解决上述问题，本发明提出如下技术方案：

一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，将所述微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区，依据不同被加工材料的临界切削厚度分别确定并修整该主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径，以增强所述微细刀具的刃口强度和优化切削性能。

作为进一步改进，所述强化方法的具体步骤包括：

1)通过正交切削实验或切削有限元仿真确定被加工材料的临界切削厚度；

2)将所述微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区；

3)依据步骤1)得到的被加工材料的临界切削厚度分别确定所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径；

4)使用聚焦离子束对所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区的刃口分别进行微米级修整，将离子束聚焦在所述刃口的后刀面上，移动聚焦离子束，将多余的刀具材料去除，使钝圆半径逐渐减小，逐步将所述刃口修整到步骤3)确定的刃口半径。

作为进一步改进，所述的主刃外缘区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的2/3，以增强该外缘区的刃口强度，所述中间过渡区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的1/2，以保证切削状态稳定，所述近横刃区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的1/3，以改善该近横刃区的切削状况，减少所述微细刀具对被加工材料的挤压。

作为进一步改进，所述微细刀具的材料为硬质合金、高速钢或聚晶金刚石。

本发明的另一种技术方案是，一种采用上述基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法制备的微细钻头，其直径为1mm以下。

本发明具有以下优点：

一、改善了微细刀具刃口区域的切削状况，提高了加工精度；

二、刃口修整采用聚焦式离子束(FIB)加工技术，现实可靠，便于实施；

三、所述强化方法适用于所有微细刀具，如用于端面加工或孔加工的直径1mm以下的微细钻头，刀具材料可以是硬质合金、高速钢、聚晶金刚石(PCD)等。

附图说明

图1为一般切削的的剪切滑移示意图。

图2为微细切削(左)与一般切削的对比示意图。

图3为本发明微细钻头主切削刃上不同部位的前角分布示意图。

图4为本发明微细钻头各刃口区域的刃口半径分布示意图。

图5为聚焦离子束修整刃口原理图。

具体实施方式

本发明涉及一种微细刀具的刃口强化技术，该技术可以提高微细刀具的刃口强度，改善微细刀具刃口区域的切削负荷分布，并改善切削状态，提高切削性能；其主要靠改变刃口区域的钝圆半径分布，而改变的依据是被加工材料的临界切削厚度和刀具刃口区域的加工状况，使刀具的主切削刃在不同部位的刃口都可以在最合理的情况下进行切削。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明所述基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，将所述微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区，依据不同被加工材料的临界切削厚度分别确定并修整该主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径，以增强所述微细刀具的刃口强度和优化切削性能。所述微细刀具的材料为硬质合金、高速钢或聚晶金刚石。

现结合微细钻头的制备进一步说明所述强化方法的具体步骤，请参阅图4：

1)通过正交切削实验或切削有限元仿真确定被加工材料的临界切削厚度。

2)将所述微细钻头主切削刃的刃口区域从外缘向中心依次分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区，该微细钻头的材料为硬质合金、高速钢或聚晶金刚石，直径为1mm以下。

3)依据步骤1)得到的被加工材料的临界切削厚度分别确定所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径r3、r2和r1；所述微细钻头主切削刃的外缘部分，尤其是主切削刃外缘转角处的切削速度最大，磨损很快，为了提高这一区域的刃口强度，将这一区域的刃口钝圆半径r3(图中A－A)确定为临界切削厚度的2/3(较钝)；在中间过渡区，刃口钝圆半径r2(图中B－B)确定为临界切削厚度的1/2，以保证切削状态稳定；将接近横刃区域的刃口钝圆半径r1(图中C－C)控制在临界切削厚度的1/3倍(较锋利)，使横刃附近的切削状况改善，尤其是减少微细钻头钻心区域对被加工材料的挤压，使切削状况得以改善。

4)使用聚焦离子束对所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区的刃口分别进行微米级修整，如图5所示，将离子束聚焦在所述刃口的后刀面上，移动聚焦离子束，将不同部位的多余的刀具材料去除，使钝圆半径逐渐减小，逐步将所述微细钻头刃口的主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自修整到步骤3)确定的刃口半径r3、r2和r1。

本发明所述刃口强化方法可以用于所有微细刀具，尤其是端面加工或孔加工用的微细钻头的底刃上。

以上是本发明的一种实施例，凡是按照本发明所述的刃口强化方法而制作的微细刀具，均属于本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，其特征在于，将所述微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区，依据不同被加工材料的临界切削厚度分别确定并修整该主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径，以增强所述微细刀具的刃口强度和优化切削性能，所述强化方法的具体步骤包括：

1)通过正交切削实验或切削有限元仿真确定被加工材料的临界切削厚度；

2)将所述微细刀具的刃口区域分成主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区；

3)依据步骤1)得到的被加工材料的临界切削厚度分别确定所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区各自的刃口半径；

4)使用聚焦离子束对所述主刃外缘区、中间过渡区和近横刃区的刃口分别进行微米级修整，将离子束聚焦在所述刃口的后刀面上，移动聚焦离子束，将多余的刀具材料去除，使钝圆半径逐渐减小，逐步将所述刃口修整到步骤3)确定的刃口半径。

2.如权利要求1所述的基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，其特征在于，所述的主刃外缘区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的2/3，以增强该外缘区的刃口强度，所述中间过渡区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的1/2，以保证切削状态稳定，所述近横刃区的刃口半径确定为被加工材料的临界切削厚度的1/3，以改善该近横刃区的切削状况，减少所述微细刀具对被加工材料的挤压。

3.如权利要求1所述的基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法，其特征在于，所述微细刀具的材料为硬质合金、高速钢或聚晶金刚石。

4.一种采用权利要求1所述基于临界切削厚度的微细刀具刃口强化方法制备的微细钻头，其特征在于，所述微细钻头的直径为1mm以下。