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椭圆振动切削微V槽切削形成特点
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2007 J. Micromech。Microeng。 17 1458
(http://iopscience.iop.org/0960-1317/17/8/007)
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椭圆振动切削微V槽切削形成特点
Gi Dae Kim1和Byoung Gook Loh2。
1 .韩国大鼓山市天主教大学机械与汽车工程学院，韩国京机道庆州市712-702。
2 .韩国汉城大学机械系统工程系，汉城大学，三栋楼389号，汉城136-792。
电子邮件:bgloh@hansung.ac.kr
2007年2月12日收到，最终形式于2007年5月15日。
2007年6月25日出版
在网上stacks.iop.org/JMM/17/1458
摘要
研究了使用椭圆振动切削毛刺形成微V型开槽（EVC）的影响。切削刀具的椭圆振动采用两并联压电致动器的90◦相位差的两个正弦电压激励实现。在芯片的形状变化和切削力，并用EVC在微V型开槽表面织构。结果表明，摩擦力的方向与剪切角的增加明显的逆转，这是EVC过程中的两大特点，改变剪切流芯片内，降低切削力、切削厚度和晶片的曲率半径。当工具的激励频率增加至65千赫的超声波频率，更明显的特征EVC进行观察。切削力与EVC微V型开槽在65千赫减少约10%的切削力的大小在普通切削。在EVC过程低切削力抑制塑性变形的工件上，从而形成一个微V型槽无毛刺，这促成了一个微V型槽的形状精度显著提高。（本文中的一些数字只有在电子版上有颜色）
命名法
普通切削
椭圆振动切削
超声椭圆振动切削
芯片厚度
毛边的芯片厚度
普通切割中的剪切角
椭圆振动切割中的剪切角
由产生的纵向位移
刀具在x（y）方向上的位移
半距离PZTs在x方向
刀具刃径与压电陶瓷y方向的距离
切割深度（微米）
进给速度（毫米每秒）
刀具在椭圆振动的应用频率
- 简介
随着光学、通讯、成像和微细加工等工业的发展，超精密加工技术在制造微小零件方面的重要性和必要性也大大提高。微型零件的微机械和微模具，激光打印机的多边形的镜子，磁盘的磁性数据存储设备，用于等离子显示面板（PDP）模具障壁，液晶显示器（LCD）面板的导光板等，超精密加工技术提出了更高的要求。
微机械加工技术目前包括微放电加工（电火花加工）、光刻电铸成型（LIGA）、激光加工、电化学加工（ECM）和光刻技术等。微细电火花加工可以应用于导电材料。LIGA的成本太高，这使得它不适合制作预生产样品。激光加工在加工表面产生热应变，当采用飞秒激光时，会导致非线性光学问题。表面光洁度不如其他微加工技术，需要在加工前产生电极，从而降低电火花加工和ECM有效性。光刻技术与其他微加工技术相比，由于采用多级掩蔽和蚀刻的基本中间过程，所以使用时间更长，只能应用于硅基材料。
研究开发的微型切削装置和微切削特性的开发装置一直处于活跃状态。刘等人[ 1, 2 ]建立了微切削中最小切屑厚度值的分析模型，研究了切削速度和刀具刃口半径对钢和铝最小切屑厚度的影响。摩根等人[ 3 ]利用电火花加工制造聚晶金刚石（PCD）工具，并将其应用于微机械玻璃。碱石灰玻璃槽和超低膨胀玻璃口袋的实验结果表明，脆韧转变下的切削深度导致韧性切削而不是脆性断裂，表明PCD刀具微细加工的实用性。然而，微切削过程的可加工性在很大程度上取决于切削刀具的形状，并且对加工表面的形状精度没有进行实质性的分析。
为了解决微加工技术的上述缺点，一种新型的微加工方法称为椭圆振动切削（EVC）是由森崎和Shamoto提出的[4–6]。在EVC下，切削工具连接到压电致动器的边界沿椭圆路径渗入工件时刀具由压电致动器驱动带进接触工件。这是在EVC边，切削阻力显著降低实验发现。Cerniway [ 7 ]，Negishi[ 8 ]，Bracato [ 9 ]开发椭圆振动切削采用一对平行的压电致动器装置和显示EVC可能通过各种实验精密机加工方式。基姆等人[ 10 ]运动学分析椭圆刀具路径平行的压电致动器的创造和发现一个微V型槽的形状精度可大大提高超声椭圆振动切削（uevc）。
本文研究了在二变形区的摩擦力发生变化和剪切对切削力的大小角的影响，芯片的厚度和曲率，在芯片和EVC毛刺的形状创建剪切流。在EVC过程中，摩擦力发生在工具和芯片接口和有效剪切角的改变。其结果是，芯片内部和芯片本身的剪切流动的形状，即厚度和曲率变化。切削力的大小也被修改，这抑制了在工件表面产生毛刺，提高了形状精度。
图1 普通切削中韧性材料的切屑形成示意图[ 11 ]。
- 椭圆振动切削中的剪切流
图1说明了在韧性工件的普通切削过程中发生的切屑的剪切变形。一次剪切变形发生在剪切面上，二次剪切变形是由切屑与刀具之间的摩擦力引起的。在普通切削中，二次变形区的摩擦力与切屑的方向相反。因此，芯片中的剪切流动形状应该类似于图1 [ 11 ]中所示的形状。
如图2所示，一个切削过程，刀具在一个包含切削和切屑流动（或推力）方向的平面上通过一条椭圆形路径切割工件。这个切割的过程称为椭圆振动切削（EVC）。图2（a）的情况下脆性材料是用在推力方向的切削刀具的振动幅值大于普通切削加工的切削厚度（OC）更大。在EVC中，未切割的芯片厚度，TUC（EVC），周期性变化的幅度随着逆铣而变化，随着切割工具具的激励频率的增加而变小。在这种情况下，芯片的形状是不连续的。
然而，如果该工具的振动振幅的毛边的芯片厚度小于普通切割或者韧性材料加工，虽然工具振幅大于未雕琢的芯片的厚度、厚度和形状的芯片将从图2（a）由于不同刀具沿一个椭圆形的路径不能完全打破芯片移动而把它排屑方向。
如图2所示是韧性材料的EVC过程（B）。由于工件材料具有延展性，所以产生了连续不断的芯片。图1和图2（b）中所示的芯片在外形上是相似的，即连续的，但在芯片内部产生的剪切流是不同的。对于图2中EVC的情况，而切削刀具接触工件，刀具的旋转方向是在排屑方向。因此，二次变形区中的摩擦力是在普通切削的相反方向上产生的，扭曲的剪切流流向椭圆刀具路径的切线方向。
图2 二维椭圆振动切削切屑形成示意图。（a）脆性材料的切屑形成；（b）韧性材料的切屑形成。
二次变形区摩擦力方向的反转对切屑形成有重要影响。剪切平面通过一个点在工件的应力集中在目前的变形比，不包括应力集中点，一个较低的名义应力值。由于切削过程的进展，由于刀具体积的连续性，刀具表面附近的工件材料应变增加，放电速度增加，如图1 [ 11 ]所示。这种不均匀的材料应变使芯片卷曲，导致芯片背面出现波状表面。另一方面，如图2（b），在EVC切削刀具与工件之间的摩擦力沿排屑方向创造，这有助于进一步增加的速度与出料。因此，刀具表面附近的材料放电速度比普通切削速度大，导致芯片曲率的显著增加。
由于刀具的椭圆路径和摩擦力的方向逆转，剪切角在EVC（phi;EVC）往往要高于普通切削。剪切角的增加降低了芯片的厚度，如图3所示的普通切削，从而降低了切削力。
图3 剪切角对切屑厚度影响的示意图。
- 实验装置
3.1 椭圆刀具轨迹生成原理
图4显示了一个示意图和设计为EVC压电致动器的照片。两个并联的压电致动器以这样的方式被激励，使得刀具在一个椭圆的平面上被强制通过指定的路径。刀具的位移（XCT、YCT），表示为Y1和Y2的功能在方程（1）和（2）[ 10 ]。当单位正弦电压与90◦相位差应用于压电驱动器，分别驱动的工具沿椭圆路径如方程（3）由于与工具的压电致动器的运动建设。通过改变励磁电压的大小和相位到压电致动器，可以很容易地改变椭圆的形状[ 10 ]：
（1）
（2）
（3）
然而，没有考虑连接螺钉的预紧力和压电致动器的弹性变形，导出了方程（3）。因此，将需要一个有限元分析，估计更精确的轨迹的工具，这将是未来的工作的作者。
3.2 超声波椭圆振动切削系统（uevcs）
图5显示了使用扫描电子显微镜（SEM）的单晶金刚石刀具的图像。与切削深度范围从5到20mu;m微V型开槽，刀具的刀尖半径设置为1mu;米以下，鼻角80◦，前角和后角0◦6◦，分别。uevc包括切削工具，叠压电致动器和装配金属结构安装在三轴翻译机动阶段磁尺然后放在空气中的振动隔离表如图6所示。夹具上的工件连接用螺栓紧固到轴工具测力计（基斯特勒9257b）测量切削力。测得的工具力被放大并发送到PC进行分析。工件材料（10times;20times;5毫米）测试包括黄铜（c2801，cu60 % zn40 %）和韧铜（C1100，铜：99.9%以上）已被广泛使用的微型电子零件。
图4 产生椭圆运动的压电陶瓷结构。（a）素描、（b）照片。
- 结果与讨论
4.1 用EVC芯片的特性
探讨EVC的特点，微V形槽加工的普通切削和EVC，分别如图7所示。EVC是表1中的条件下进行，而芯片和毛刺的形成，是该工具的激励频率与切削力变化的影响。
刀具的切削速度在普通V型开槽相当于舞台的进给速度。然而，在EVC切削速度是由一个矢量和进给速度的阶段平行于进给方向和速度的工具沿着椭圆轨迹运动。
图5 对单晶金刚石刀具刀尖的扫描电镜照片（前角＝0角＝6◦，◦，鼻角= 80◦，刀尖半径：1以下mu;m）。
图6 实验装置示意图。
图7 通过普通切削和EVC V型开槽过程示意图（尺寸均以毫米为单位）。
普通切削和EVC的实验结果如图8所示。切削工具的椭圆振动的频率为100 Hz，振幅的椭圆形切割方向约为1.5mu;M.的进给速度和切削深度为1毫米的minus;1和5mu;m，分别。光学显微镜拍摄的芯片照片如图8（a）所示。在普通切削产生的芯片比较厚，比产生在EVC芯片较大的曲率半径。在EVC，预计将产生连续切屑，切削深度（切削厚度）远远大于椭圆刀具路径的振幅，但增长的晶片的曲率，这是由于在二次剪切变形区和剪切角增加摩擦力的逆转，出现作为断屑，产生不连续切屑。图8（b）显示主切削力测量在EVC。切削力与切削力的降低、切屑角的增大和切屑厚度的减小，使初级切削力与普通切削相比减少了约40%。
图8 OC和EVC的比较（工件材料为铜（C1），切削深度（D）= 5mu;m，进给速度（VF）= 1毫米minus;1、激励频率（F）= 100 Hz）。（a）光学显微镜下的芯片照片，（b）初级切削力变化。
表1 实验条件。
|
刀具激励频率 |
100赫兹，65千赫 |
|
工件 |
黄铜（铜c2801）铜（C1100） |
|
切削深度 |
5mu;m，10mu;m，20mu;m |
|
进给速度 |
1mm/s,5mm/s |
|
在切削方向的振动幅度 |
1.5mu;m，0.8mu;m |
4.2 通过uevc芯片的特性
为了研究激励频率在EVC过程的影响，uevc（超声波椭圆振动切削）进行增加工具的激励频率为65 kHz。工件材料为黄铜（c2801）。利用两个位移为30 nm的光纤位移传感器同时测量了沿切削方向和推力方向的振动幅值。图9显示了在切削和推力方向上由测量振幅组成的刀具椭圆轨迹。
图9。刀具椭圆轨迹的测量。
进给速度和切削深度为5毫米的minus;1和5mu;m，分别。如图10所示，芯片的厚度变薄，芯片的曲率半径显著减小，将芯片分割成小片，即不连续的芯片。主切削力测量被发现是约60%，小于普通切削，而主切削力减少EVC在100赫兹为40%左右。
图10 切屑形状OC和uevc之间的比较（工
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