在超精密車削過程中鲫尊，由于切削厚度極小雨饺，金剛石車刀的刃口半徑對(duì)切削過程的影響已不容忽視。由于切屑形貌包含有切削過程中豐富的信息耿窍，所以對(duì)切屑形貌進(jìn)行深入的觀察分析將有助于人們對(duì)極薄切削過程的認(rèn)識(shí)榴烦。當(dāng)切削厚度極小時(shí)杀打，切屑呈粉塵狀漂浮于空氣中，所以對(duì)切屑的搜集非常困難绝壹。筆者采用圓弧刃金剛石車刀對(duì)鋁和單晶鍺進(jìn)行了超精密車削實(shí)驗(yàn)蕉殴。由于圓弧刃車刀的車削過程是變切深切削，所以搜集切屑顯得相對(duì)容易判阀，并在掃描電子顯微鏡(SEM)下對(duì)切屑形貌進(jìn)行了觀察歹嘹。
1 最小切削厚度的推導(dǎo)
圖1為采用圓弧刃金剛石車刀的超精密車削過程切削截面示意圖箩绍。圖中f為進(jìn)給量；R為金剛石車刀的圓弧半徑尺上；ac為在圓弧上任一點(diǎn)的切削厚度材蛛；d為圓弧上切厚為ac的點(diǎn)到已加工表面的距離；ap為切削深度怎抛；O1卑吭、O2分別為進(jìn)給前和進(jìn)給后車刀刀尖圓弧的圓心位置÷砭可以看出豆赏，在切削過程中，沿著金剛石車刀圓弧各點(diǎn)的切削厚度是不一樣的迹淌。從刀具中心與工件已加工表面的接觸點(diǎn)到刀具與工件待加工表面的接觸點(diǎn)河绽，切削厚度由0變成最大值。所以這段切屑的形貌將反映在相同車刀刃口半徑下唉窃，不同切削厚度對(duì)切屑變形的影響程度耙饰。
在實(shí)際切削過程中，由于刀具刃口半徑的影響纹份，當(dāng)切削厚度小到一定程度時(shí)卫殷，工件無法被切除。工件剛好能被切除時(shí)的切削厚度稱為最小切削厚度培幽，用acmin表示嗡沈。實(shí)際切除的切屑寬度稱為切屑寬度，用Wr表示绎编。假設(shè)切屑完全切削下來蔑串，則切屑的寬度是從刀具中心到工件待加工表面這一段的圓弧距離，稱為切削寬度演穗，用Wth表示柱涕。
由于在實(shí)際切削過程中R＞＞f，所以θ非常小垛墙，經(jīng)推導(dǎo)可得切削厚度ac和進(jìn)給量f的關(guān)系
由于d＜＜R籍钱，上式可化簡(jiǎn)成
根據(jù)圖1，可以得到切削寬度
結(jié)合式(2)和式(3)携喳，可得到最小切削厚度
| acmin=[(2Rap)?-Wr]f/R
| (4) |
切屑寬度Wr可從實(shí)驗(yàn)所搜集到的切屑的SEM照片上測(cè)量得到种慕，利用上式就可以計(jì)算出最小切削厚度。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本實(shí)驗(yàn)是在自行研制的HCM-I型亞微米超精密車床上進(jìn)行的巍糯，分別對(duì)鋁和單晶鍺進(jìn)行了車削實(shí)驗(yàn)啸驯。所采用的金剛石車刀為英國(guó)Contour Fine Tooling公司生產(chǎn)的圓弧刃車刀，車刀前角為-25°，圓弧半徑為1.5 mm坯汤。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度控制在(20±1)℃虐唠，為便于收集切屑，未采用切削液惰聂。
圖2 鋁切屑的整體形貌SEM照片
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圖3 切屑較薄邊SEM照片
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圖4 切屑較厚邊SEM照片 |
實(shí)驗(yàn)所采用的鋁材為直徑90mm的LY12鋁棒。車削所采用的切削深度為3μm咱筛；進(jìn)給量為1.8μm/r搓幌，主軸轉(zhuǎn)速為1200r/min。圖2是所得到的切屑整體形貌的SEM照片迅箩。這是較為典型的連續(xù)帶狀切屑溉愁，實(shí)測(cè)切屑寬度約為65μm，則由式(4)可得到最小切削厚度為36 nm饲趋。圖3和圖4分別是切屑的薄邊和厚邊的局部放大SEM照片拐揭。從中可以明顯看出切屑是由剪切滑移的層狀薄片堆積形成的。當(dāng)切削厚度比較大時(shí)奕塑，切屑結(jié)構(gòu)比較緊密愧陈；切削厚度變小時(shí)，切屑結(jié)構(gòu)比較疏松搭吵。對(duì)圖4中可測(cè)得最小切削厚度所對(duì)應(yīng)的切屑厚度煮啡，約為860 nm。結(jié)合由式(4)得到的最小切削厚度acmin為36 nm棒论，發(fā)現(xiàn)此時(shí)的切屑厚度約為切削厚度的24倍馁祈，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)切削中的切屑變形系數(shù)。這是因?yàn)榇藭r(shí)金剛石車刀的刃口半徑已經(jīng)和切削厚度處于同一數(shù)量級(jí)委董，甚至已經(jīng)超過切削厚度银薪，實(shí)際切削過程就好像一個(gè)圓柱體在工件表面進(jìn)行滑動(dòng)擠壓一樣，會(huì)使剪切角變得非常小血明。這說明當(dāng)切削厚度減小到納米級(jí)時(shí)夫石，切屑變形將會(huì)顯著增加。
單晶鍺是一種脆性材料堕常，在對(duì)它的切削實(shí)驗(yàn)中赌羽，仍采用和車削鋁材實(shí)驗(yàn)中相同的車刀。選取較大進(jìn)給量(3～5 μm)時(shí)缤弦，切屑為崩碎粒狀斷屑领迈，形成塵霧漂浮于空氣中。當(dāng)進(jìn)給量減小時(shí)碍沐，可發(fā)現(xiàn)連續(xù)帶狀的切屑狸捅。切削深度為2.5μm，進(jìn)給量為1.0μm/r累提，主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)得到的切屑照片見圖5尘喝。實(shí)際切屑寬度由圖5可得磁浇，約為60μm。由式(4)可以得到最小切削厚度約為19 nm朽褪。這要小于采用同樣車刀對(duì)鋁進(jìn)行車削得到的最小切削厚度置吓，可能是由于鋁是塑性材料，在車刀作用下會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形缔赠，當(dāng)切削厚度很小時(shí)衍锚，難以切除；而單晶鍺是脆性材料嗤堰，彈性變形極小戴质，所以在切削厚度很小時(shí)仍能切除。
圖5 單晶鍺切屑整體形貌SEM照片
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圖6 單晶鍺切屑局部SEM照片 |
圖6為單晶鍺切屑的局部SEM照片卒抖。由于單晶鍺是半導(dǎo)體材料氏腐，所以要用SEM顯微鏡在更大的放大倍數(shù)下觀察到切屑形貌非常困難。從圖中可以看出栏葬，切屑的厚度大約是400 nm左右冻哈，這和對(duì)鋁進(jìn)行車削的切屑變形基本一致。目前認(rèn)為嚣褐，對(duì)脆性材料車削中存在脆塑轉(zhuǎn)變點(diǎn)萌烁，當(dāng)切削厚度小于臨界切削厚度時(shí)，材料將以剪切滑移塑性變形方式去除逸茅；當(dāng)切削厚度大于臨界切削厚度時(shí)绎儡，材料將會(huì)產(chǎn)生脆性破壞，這將嚴(yán)重地影響表面質(zhì)量详不。從圖5和圖6中發(fā)現(xiàn)蚯氯，雖然切屑的整體呈連續(xù)帶狀，但是其中也存在一些由于脆性破壞造成的坑點(diǎn)妖救。這些坑點(diǎn)是由兩部分造成的：本次車刀進(jìn)給時(shí)橄浓，在切削厚度較大處產(chǎn)生的脆性破壞；由于產(chǎn)生的破壞坑點(diǎn)有一定的深度亮航，前幾次進(jìn)給時(shí)在圓弧面上產(chǎn)生坑點(diǎn)對(duì)本次進(jìn)給車削造成了一定的影響荸实。因此，從切屑照片上來看缴淋，破壞坑點(diǎn)的分布顯得雜亂無章准给。對(duì)破壞坑點(diǎn)產(chǎn)生的深度和切削厚度之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。
3 結(jié)論
筆者采用圓弧刃金剛石車刀對(duì)鋁重抖、單晶鍺進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)露氮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塑性材料和脆性材料的納米級(jí)微薄切削。在超精密車削過程中，當(dāng)切削厚度達(dá)到納米級(jí)時(shí)畔规，由于金剛石車刀的刃口半徑造成的影響局扶，切屑的變形系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)下的切屑變形系數(shù)，一般可達(dá)20以上叁扫。因此在超精密車削中三妈，為了得到超光滑表面，金剛石車刀的刃口半徑應(yīng)嚴(yán)格控制陌兑，應(yīng)選用刃口較好的車刀却师。在對(duì)脆性材料單晶鍺的切削實(shí)驗(yàn)中得到的最小切削厚度要小于塑性材料金屬鋁的最小切厚。這是因?yàn)榇嘈圆牧夏墚a(chǎn)生的彈性變形極小素司，所以在切削厚度很小時(shí)，仍能切除赌置。在單晶鍺的切屑上有一些由于脆性破壞產(chǎn)生的坑點(diǎn)押逾，若這些坑點(diǎn)擴(kuò)展到已加工表面，將會(huì)嚴(yán)重影響表面質(zhì)量蓝捌。對(duì)破壞坑點(diǎn)產(chǎn)生的深度和切削厚度之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究眶洗。
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