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超精密車削切削力的試驗研究
1 引言
經過近二十年的不斷發展，超精密機床的加工性能已達到相當高的水平。由于超精密切削加工選用的背吃刀量極小(幾微米甚至小于1微米)，因此切削力對加工精度的影響不容忽視。在超精密切削中，由于金剛石刀具的切削刃具有鈍圓半徑，因此前刀面被分為平面和圓柱面兩部分(圓柱面部分均為負前角)。當選用不同的背吃刀量時，刀具前刀面的兩個部分在切削過程中所起作用和所占比重也各不相同。以前刀面圓弧部分為主要工作部分時，其單位切削面積所受切削力比以平面部分為主要工作部分時大得多，切削層越薄，單位面積所受切削力越大。切削力對被加工工件的尺寸和形狀精度、加工表面粗糙度、加工變質層和刀具耐用度等均具有直接或間接影響。在以往的研究中，對于切削用量、刀具幾何參數、工件材質等因素對表面粗糙度的影響較為重視，而往往忽視了切削力對表面粗糙度的二次影響。因此，減小切削力對表面粗糙度的影響已成為超精密切削領域一個亟待解決的重要課題。本文通過超精密車削試驗，研究了各切削參數對切削力的影響規律。
2 超精密車削試驗條件
1) 超精密機床
切削試驗所用機床為哈爾濱工業大學自行研制的HCM-I型亞微米級超精密車床。機床工作臺由直流伺服電機驅動，進給分辨率0.01µm;采用空氣靜壓主軸(回轉精度±0.1µm);導軌部件采用可抗溫度干擾的花崗巖材料，空氣導軌直線度誤差0.13µm/100mm;采用空氣彈簧作為減振、隔振系統;機床固有頻率：水平方向≤1.12Hz，垂直方向≤2Hz。
2) 工件材料
切削試件材料為鋁合金LY12，其化學成分及物理性能指標分別見表1和表2。
表1 LY12的化學組分(%)
| 組成元素 | Cu | Mn | Mg | Al |
| GB 3190標準值 | 3.80-4.90 | 0.30-0.90 | 1.20-1.80 | - |
| 測試值 | 4.5 | 0.51 | 1.42 | - |
表2 LY12的物理性能
| 彈性模量E(×103MPa) | 74.2 |
| 切變模量G(×103MPa) | 27.3 |
| 剪切強度t(MPa) | 252 |
| HBS硬度(GPa) | 1.40 |
| 強化系數n | 0.32 |
3) 金剛石刀具
天然單晶金剛石具有極高的硬度、耐磨性和彈性模量，制成的刀具工作壽命長，尺寸耐用度高，切削刃極為鋒利，可實現超薄切削，切削刃形可復映在已加工表面上，加工出超光滑表面;金剛石刀具與工件材料間抗粘結性好、摩擦系數低、加工表面完整性好。本切削試驗所用刀具為英國Contour Fine Tooling&11>3/0 公司生產的圓弧刃金剛石車刀，刀具前角g0=0°，后角a0=7°，刀尖圓弧半徑re=1.5mm，切削刃鈍圓半徑rn≈190mm。
4) 切削力測量系統
為獲得超光滑加工表面，除了采用超精密加工機床、金剛石刀具以及對加工環境進行嚴格控制外，還需利用測量儀器對加工過程進行實時監控、分析與優化。超精密車削選用的進給量和背吃刀量通常比普通車削小三個數量級，因此加工中產生的切削力也非常小(一般不超過1N)，為此，需要采用高精度、高靈敏度、高可靠性的切削力測量系統。本切削試驗采用的切削力測量系統如圖1所示。該測量系統由安裝在機床刀架上的Kistler 9256A1型高靈敏度壓電式三向測力儀、5019B型多通道電荷放大器、DynoWare System數據采集系統軟件、5261型A/D轉換卡、主機及顯示系統等組成，附帶的驅動軟件可通過RS-232C接口對電荷放大器進行遙控，利用系統的多種圖形顯示功能可方便地對測量數據進行分析和研究。
圖1 切削力測量系統示意圖
3 進給量對切削力的影響
進給量是影響切削力的重要因素之一。通過切削試驗，得到當背吃刀量ap=10µm時進給量f與主切削力Fc、吃刀抗力Ft的對應關系曲線如圖2所示。
圖2 進給量f與切削力Fc、Ft的對應關系曲線
由圖可見，進給量f對切削力的影響比較顯著，Fc和Ft隨著進給量的增大而增大。當進給量f大于一定值時，Fc和Ft的變化趨勢與普通切削相同，即始終保持Fc>Ft;當進給量f小于一定值時，Fc和Ft則具有特殊變化規律，即出現Fc>Ft的現象。
當背吃刀量ap=10µm，進給量分別為f=5µm/r、f=12µm/r時，測力儀實際測得的切削力曲線分別如圖3a、3b所示。
(a)f=5µm/r (b)f=12µm/r
圖3 切削力測量曲線
4 背吃刀量對切削力的影響
通過切削試驗，得到當進給量f=10µm/r時背吃刀量ap與主切削力Fc、吃刀抗力Ft的對應關系曲線如圖4所示。
圖4 吃刀量ap與切削力Fc、Ft的對應關系曲線
由圖可見，當背吃刀量ap小于一定值時，也會出現Ft>Fc的現象;當背吃刀量ap大于一定值時，則始終保持Fc>Ft。隨著背吃刀量的增大，Fc、Ft值逐漸增大，且Fc的增幅大于Ft的增幅。
5 分析與討論
在超精密微薄切削時，出現Ft>Fc現象的主要原因分析如下：作用于前刀面上的切削力主要與進給量f和背吃刀量ap有關，而作用于切削刃刃口和后刀面上的切削力除與f和ap有關外，還與切削刃鈍圓半徑rn有關。當選用的進給量和背吃刀量與切削刃鈍圓半徑相比較大時，作用于切削刃刃口和后刀面上的正壓力比作用于前刀面上的正壓力小很多，刀—工接觸區以彈性變形為主，塑性變形較小。由于刀具與工件只在刀尖附近很小區域內接觸，其接觸面積遠小于刀—屑接觸面積，因此刀—工之間的摩擦力也遠小于刀—屑之間的摩擦力，此時容易出現Fc>Ft的現象。但當選用的進給量和背吃刀量與切削刃鈍圓半徑之比小到一定程度時，切削力的變化規律將發生變化。隨著進給量和背吃刀量的逐漸減小，與刀—屑接觸面積相比，刀—工接觸面積逐漸增大，刀—工接觸區以塑性變形為主，刀具與工件之間的擠壓和摩擦在切屑形成過程中起著關鍵作用。此時，作用于切削刃刃口和后刀面上的切削力在總切削力中所占比例較大，而作用于前刀面上的切削力在總切削力中所占比例相對較小，因此就會出現Ft>Fc的現象。由于Ft的這種特殊變化將對已加工表面粗糙度產生直接影響，因此在超精密微薄切削時，應視具體情況合理選擇進給量范圍，以保證加工獲得的表面粗糙度值較小。
6 結論
本文通過對鋁合金的超精密車削試驗，分析了微薄切削時進給量和背吃刀量對切削力的影響及其變化規律，提出了微薄切削時Ft的特殊變化將對加工表面粗糙度產生直接影響的觀點。在超精密切削時，并非選用進給量越小則獲得的加工表面粗糙度值越小，因此應考慮切削力變化的影響，在合理范圍內選取進給量，以保證超精密加工的表面質量。
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