[科普中国]-微切削

微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式。 随着微机电系统和微机械的多样化发展，对拥有不同机械性能与电子特性的微元件的需求也显得越来越迫切。微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物、医疗装备、光学以及微电子 ( 包括移动通信和电脑组件 ) 等都有大量的需求。然而，并非每种应用在微机电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术生产出来，因此新的材料和新的微制造技术以及微切削技术陆续被研究发展出来。

尺度对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m～10-9m 之间的尺度属于量子力学研究范畴；1 -9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；1-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。

机理微切削时，由于工件尺寸微小，从强度、刚度上来说都不允许采用较大的切削深度和进给量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切削用量必须很小。如切削深度有时小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，切削的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除，因而传统的以连续介质力学为基础的切削理论已不适于微切削，所以，微切削机理的研究需要采用与传统塑性理论不同的方法进行研究。

采用应变梯度理论，可以预测出尺度效应和位错影响，获得与试验相吻合的结果，在微机械与微构件领域已成功分析了微米压痕、裂纹尖端场、界面裂纹、细丝扭转与微薄梁弯曲等问题，并开始在微成型研究中得到应用，采用应变梯度塑性理论研究微切削变形将是微切削机理研究的方向。1

应变梯度塑性理论是传统塑性理论的推广和完善，是连接经典塑性力学理论与原子模拟之间的必要桥梁。近年来已发展起来多种应变梯度塑性理论，较为典型的有CS（couple stress）应变梯度塑性理论、SG（stretch and rotation gradients）应变梯度塑性理论和MSG（mechanism - based strain gradient）应变梯度塑性理论。

机床为了提高加工效率，微切削机床主轴的转速非常快。为满足扭矩要求，通常采用电主轴和混合角接触轴承。微切削精密机床的工作台一般是由直线电机驱动的，能提供较大的加速度。微切削精密机床的刚度好，振动小，而且大都带有各种传感器和执行器。但是由于其尺寸较大，对周围环境的控制要求较严格，使得加工微小零件的成本较高。由于微小机械产品的加工特征尺寸很小，研究人员正尝试开发微小机床来加工微小零件。微小机床的定位精度可达到纳米尺度，加工精度为亚微米。

使用CNC加工中心可实现2D、2.5D简单特征到复杂3D曲面零件的微加工，通过使用此方法加工出的微小模具，可达到批量生产的目的。

刀具微切削的切削深度和进给量都非常小，因此单位切削面积上的切削力较大，同时产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度升高，因此在微切削对刀具材料的性能要求较高，需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的刀具材料，随着回转最小直径的微小化，要求回转刀具的抗弯强度、刚性与断裂韧性均应较高。

除了刀具材料外，刀具的几何形状对于实现微切削加工至关重要。在微切削条件下，精确地切除极薄的材料需要极其锋利的切削刃，也就是极小的刃口半径。不仅如此，刃口锋利度还关系到切削表面质量、微观组织型貌以及晶格位错等。精确测量刀具刃口轮廓是保证刀具刃口研磨和进行微细切削过程质量分析的前提。

研究课题(1)微切削应用基础研究：包括微型零件切削加工装备关键技术的研究 ，主要研究高速主轴系统，精密工作台的定位、运动及控制技术 ，复合微切削加工设备与技术；微切削刀具材料和刀具制作技术的研究；微切削刀具、工件的快速装夹、测试及微切削加工过程的监控技术 。

(2)微切削机理的研究：主要研究热 —力耦合应力作用下的微切削不均匀变形场， 研究微尺度下工件材料的本构方程 ， 分析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 ；研究最小切削厚度对切屑形态、已加工表面形成、切削力 、切削温度等的影响及工件材料微观组织结构对表面粗糙度和次表面损伤的影响 ，建立微切削加工理论和技术体系；研究多尺度微细切削模拟仿真技术， 奠定微切削加工技术的应用基础。

(3)微切削工艺研究：包括各种新材料如钢铁、钛合金 、不锈钢、铝合金、陶瓷和其它非金属材料及各种复合材料的微切削加工工艺 ， 微切削 CAD CAM技术 。

(4)微切削加工技术的经济性和可靠性研究。2

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院