技术领域

本发明涉及一种用于微切削的工具 /装置， 尤其指一种用于微切削加工的微粒刀， 以及使用该微粒刀进行加工的切削装置。 背景技术

随着社会的发展，工业产品的微型化成为高品 质的重要特征，而实现产品微型化转 变的关键在于微型零件加工技术水平的提高。

在目前的多种微型零件加工技术中，微切削是 其中的重要手段之一。微切削主要包 括微车削、 微铣削和微特种加工等。 其中， 微铣削加工在微结构的制造和材料去除加工 中， 表现出了很好的发展潜力， 它不仅克服了硅微结构法的加工材料单一、 无法进行复 杂的三维微零件加工的不足， 而且加工材料范围广， 是实现金属、 合金、 复合材料、 陶 瓷、 玻璃、 硅等多种材料微小型结构件微细加工的有效途 径， 尤其对于特征尺寸为 0.01 μ π！〜 lmm的精密微小零件的加工具有更大的优势。 不过， 在微铣削过程中， 当切削层 厚度从数微米到亚微米级时， 微铣刀的切削刃受到很大的应力作用， 单位面积上产生很 大的热量， 导致刀尖局部极高的温升， 因此， 微铣削对所用的铣刀有极高的要求。

目前， 美国、 德国、 日本等国家相继研制出一系列微铣刀， 微铣刀不是传统铣刀在 整体尺度或局部特征尺度上的简单缩小， 而是针对微铣削的特点和加工机理的一类特种 切削刀具。 如日本东京电子通讯大学通过抛光方法用单晶 金刚石制造出了直径为 Φ 0.2mm的微铣刀； 又如德国卡尔斯鲁厄大学通过离子束溅射和激 光束成形的方法， 采用 硬质合金工具钢制造出直径为 Φ 100 μ ιη 的微铣刀； 再如美国桑迪亚国家实验室和美国 路易斯安娜理工大学采用 Μ42高速钢和 C2硬质合金材料，通过离子束溅射的方法加工 得到的微铣刀直径可以达到 Φ 25 μ π。 尽管如此， 微铣刀仍存在着加工工艺复杂、 制造 成本高、 产品数量少、 使用条件要求苛刻、 使用寿命受限等问题， 尚不能从根本上满足 微切削对于刀具的需求。

另一方面，微切削是一种快速且低成本的微小 零件机械加工方式，而且不受加工材 料的限制， 零件的加工质量 (如精度、 表面粗糙度等)与其加工机床的性能 (如加工精度、 动态特性等)密切相关。 机床的性能主要与主轴、 工作台和控制系统有关， 微切削所用 刀具的直径非常小， 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，传统的微切削装置通常采用 电主轴和混合角接触轴承，这种轴承 由于摩擦生热造成热膨胀， 最高转速一般不超过 6万 rPmin。 当转速更高时， 应采用空 气轴承，但空气轴承提供的扭矩较小， 目前，空气轴承主轴的最高转速可达 20万 rPmin。 为了获得较高的切削速度， 主轴的锥度与高速切削刀柄的锥度一致。 微切削精密机床的 工作台一般是由直线电机驱动的， 与普通驱动如滚珠丝杠相比， 直线电机驱动系统没有 摩擦和电磁耦合产生的累积误差， 也没有由于磨损造成的精度损失， 不存在间隙， 而且 能提供较大的加速度，直线电机驱动系统的精 度可达 ± 1 μ m。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， 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。

综上所述，目前用于微加工的切削装置不是结 构过于复杂，就是生产制造成本过高, 而且操作时对环境要求较高，使得装配和调节 都不太方便，无法满足大规模生产的要求。 发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述 现有技术现状，而提供一种可用于微 切削加工的结构简单且加工方便的微粒刀。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述 现有技术现状，而提供一种整体结构 简单、 制造成本低且容易实现操作的切削装置。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术 方案为： 一种微粒刀， 其特征在于： 所述的微粒刀包括有刀本体和刀头， 所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表面上 ， 所 述刀头的几何尺寸为 10nm〜lmm。

作为优选，所述的刀头呈凸尖形状，刀本体的 外表面上可以只设置有一个所述刀头。 所述刀本体可以呈规则的立体几何形状，如球 形或椭圆形，也可以为不规则的任意形状。

为了提高切削效率， 作为另一优选， 所述的刀头呈凸尖形状， 所述刀本体的外表面 上可以设置有多个间隔分布的所述刀头。

为了保持刀头朝下的状态， 使得刀头能够始终与切削加工面接触， 作为优选， 所述 刀本体内设置有能使所述刀本体上的刀头始终 朝下偏转的配重块。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术 方案为： 该切削装置， 其特征在于： 该切削装置包括有微粒刀、 切削工作台、 位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射 流喷头提供喷射液体的液压装置； 其中， 所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对 直线移动； 所述微粒刀包括有刀本体和刀头， 所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表 面上， 所述刀头的几何尺寸为 10nm〜lmm， 所述刀本体内设置有能使该刀本体上的刀 头始终朝下偏转的配重块； 所述微射流喷头幵设有可与所述液压装置的出 液管路相连通 的喷射腔， 所述喷射腔的底部设置有喷射口， 该喷射口形成环形流， 所述微粒刀被所述 环形流所捕获， 并且， 所述微粒刀的外径与所述环形流的内径相适配 。

作为优选，所述切削工作台可以设置为做直线 移动，所述微射流喷头设置为固定不 动。

作为另一优选，所述切削工作台可以设置为固 定不动，所述微射流喷头则设置为做 直线移动。 作为再一优选，所述切削工作台和微射流喷头 还可以设置为同时沿相反的方向做直 线移动。

为了能够形成稳定的环形流， 并同时方便加工和安装， 作为优选， 所述的微射流喷 头包括有喷座和喷嘴， 所述喷座开设有沿轴向贯穿的通孔， 所述喷嘴连接于所述喷座的 底部， 所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿 周向呈环形分布的喷射小孔， 该多 个喷射小孔形成了所述的喷射口。

作为另一种优选方案， 本申请的切削装置还可以采用如下结构实现， 其特征在于： 该切削装置包括有微粒刀、 切削工作台、 位于该工作台上方的微射流喷头和为所述微射 流喷头提供喷射液体的液压装置， 其中， 所述切削工作台与所述微射流喷头之间做相对 直线移动； 所述微粒刀包括有刀本体和刀头， 所述刀头外凸地设置于所述刀本体的外表 面上， 所述刀头的几何尺寸为 10nm〜lmm _; 所述微射流喷头开设有可与所述液压装置 的出液管路相连通的喷射腔， 所述喷射腔的底部设置有喷射口， 该喷射口形成环形流， 所述环形流的内径与所述微粒刀的外径相适配 ； 并且， 所述微粒刀的重心线偏离于所述 环形 心线设置， 所述微粒刀和微射流喷头之间满足如下初始条 件：

其中， 上式中 A:为作用系数； r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作� �点之 间的距离； 为微射流液体的密度； 。为微射流在所述微射流喷头的喷射口处的速 度； g 为重力加速度； 为所述微射流喷头的底部到微射流与所述微粒 刀接触点的高度; /为静 摩擦系数； w为所述微粒刀的质量； 为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的 连 线与微粒刀的垂直方向外径之间的夹角。 于是， 在微粒刀做旋转运动的情况下， 可以同 时让工作台相对于微射流喷头做直线运动， 从而通过微粒刀旋转实现切削加工。

作为优选， 所述切削工作台可以做直线移动， 所述微射流喷头固定不动。

作为另一优选， 所述切削工作台可以固定不动， 所述微射流喷头做直线移动。 作为再一优选，所述切削工作台和微射流喷头 还可以设置为同时沿相反的方向做直 线移动。

作为优选，所述的微射流喷头包括有喷座和喷 嘴，所述喷座幵设有沿轴向贯穿的通 孔， 所述喷嘴连接于所述喷座的底部， 所述喷嘴在对应所述通孔的位置开设有多个沿 周 向呈环形分布的喷射小孔， 该多个喷射小孔形成了所述的喷射口。 微射流喷头的上述结 构一方面方便了加工和安装， 另一方面能够使得从喷射口出来的喷射液形成 稳定的环形 流， 保证微粒刀的工作稳定性和加工精度。

与现有技术相比， 本发明的微粒刀优点在于：

微粒刀本体的外表面设置有刀头， 刀头尺寸范围在 10nm〜lmm (微米级或纳米级)， 刀头上的切削刃极细， 可以实现纳米级的切削加工； 微粒刀整体结构简单、 方便加工制 造； 微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床主轴 上靠主轴的旋转驱动， 因此， 利用微 粒刀的切削装置不需要主轴， 结构简单。

本发明的切削装置优点在于：

首先， 微粒刀刀头上的切削刃极细， 达到微米级或纳米级， 可以实现纳米级的切削 加工； 其次， 通过水致 (微射流)旋转驱动微粒刀或者固定 "钳制"微粒刀进行微切削， 微粒刀不需要像传统刀具一样安装在机床上靠 主轴的旋转驱动， 使得切削装置不需要主 轴， 整体结构更加简单； 另外， 微流束及时地带走了切削过程中产生的热量， 大大减小 了热-力耦合作用产生的不均匀变形场， 降低了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等影响， 保证了微切削的质量和工作效率， 是一种新 型的微切削加工方式。 附图说明

图 1为本发明实施例的微粒刀结构示意图。

图 2为图 1所示微粒刀的立体剖视图。

图 3为采用如图 1所示微粒刀的切削装置。

图 4为本发明实施例的微粒刀受力分析图。

图 5为本发明实施例的微粒刀在射流作用下的有� �作用面积计算图。

图 6为本发明实施例的切削装置的喷头剖视图。

图 7为图 6所示喷头的仰视图。

图 8为本发明实施例采用另一种微粒刀结构的切� �装置。 具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描 述。

本实施例涉及一种微切削刀具和微切削技术， 与普通切削不同， 在微切削时， 吃刀 深度通常为微米级到纳米级， 而一般材料的晶粒大小为数微米， 这就意味着微切削是在 晶粒内部进行的， 切削过程是在切削一个一个的晶粒， 这势必导致单位面积上的切削应 力急剧增大， 从而在切削刃的单位面积上产生极大的热量， 使刀尖处的温度升高， 处于 高温、 高应力的工作状态。

为了解决上述微切削过程中的问题， 如图 1〜图 8所示， 本实施例提出了一种新型 的切削装置， 该切削装置包括有微粒刀、 切削工作台 3、 位于该工作台 3上方的微射流 喷头 4和为微射流喷头 4提供喷射液体的液压装置， 微射流喷头 4开设有喷射腔， 喷射 腔的顶部设置有入液口，入液口连接液压装置 的出液管路，喷射腔的底部设置有喷射口， 该喷射口形成环形流， 微粒刀 1的外径与该环形流的内径相适配； 微射流喷头 4包括有 喷座 41和喷嘴 42， 喷座 41开设有沿轴向贯穿的通孔 411， 喷嘴 42连接于喷座 41的底 部， 喷嘴 42在对应通孔的位置开设有多个沿周向呈环形� ��布的喷射小孔 421。

本实施例的切削装置是采用微粒刀为刀具进行 切削加工， 如图 1、 图 2所示， 该微 粒刀 1包括有刀本体 11和刀头 12， 刀头 12呈凸尖形状， 刀本体 11的外表面上可以设 置有一个或多个间隔分布的刀头 12;刀本体 11的几何尺寸一般设置为毫米级或微米级， 作为优选， 可以选择尺寸范围在 20 // m〜10mm之间， 刀头 12外凸地设置于刀本体 11 的外表面上， 刀头 12的几何尺寸要小于刀本体 11的几何尺寸， 刀头 12的几何尺寸范 围优选地在 10nm〜lmm的微米级或纳米级。 本实施例微粒刀的刀本体可以为规则立体 几何形状结构， 如球形或椭圆形等； 本实施例微粒刀的刀本体也可以为不规则的其 他立 体几何形状， 如图 8所示刀本体 Γ即呈非规则的晶体结构。

其中， 微粒刀 1、 微射流喷头 4和切削工作台 3之间可以有以下几种运动方式： 第 一种， 微射流喷头 4为固定设置， 微粒刀 1固定容置于微射流喷头 4内， 切削工作台 3 可相对于微射流喷头 4做直线移动； 第二种， 切削工作台 3为固定设置， 微粒刀 1固定 容置于微射流喷头 4内， 微射流碰头 4可相对于切削工作台 3做直线移动； 第三种， 微 粒刀 1固定容置于微射流喷头 4内，微射流喷头 4和切削工作台 3同时沿相反方向做直 线移动； 第四种， 切削工作台 3为固定设置， 微粒刀 1做旋转运动， 微射流喷头 4做直 线移动； 第五种， 微粒刀 1做旋转运动， 微射流喷头 4固定设置， 切削工作台 3可相对 于微射流喷头 4做直线移动； 第六种， 微粒刀 1做旋转运动， 微射流喷头 4和切削工作 台 3同时沿相反方向做直线移动。

当采用上述第一种、 第二种和第三种运动方式时， 微粒刀的刀本体 11内设置有配 重块 2， 该配重块 2能使刀本体 11上的刀头 12始终朝下偏转并与切削加工面相接触， 工作时， 以液体为介质，微射流喷头的喷嘴形成环形流 ，该环形流作用于微粒刀的表面， 在微粒刀表面产生了向内的水平分力和向下的 垂直分力， 向内的水平分力对微粒刀具有 "钳制"作用， 会像镊子一样牢牢地 "钳"住位于微射流喷头下方的微粒刀； 向下的垂 直分力和配重块共同作用于微粒刀， 使刀头 12始终朝下， 当切削工作台与微射流喷头 发生相对运动时， 可以实现对工件的切削。

当采用上述第四种、第五种和第六种运动方式 时，要实现微粒刀在水势阱中的旋转， 微粒刀必须受到一个转矩的作用， 为此， 可以将微粒刀置于待加工材料表面， 水射流的 对称中心线偏离微粒刀的回转中心， 始终保持微粒刀的一部分与射流水束接触、 另一部 分不接触， 我们将接触部分称为作用区， 作用区受到水束的压力作用， 未接触的区域不 受压力作用， 压力为零， 由于压差的存在， 便产生了旋转力矩， 使微粒刀具有了旋转的 可能性； 当微粒刀的重心线与射流中心线重叠， 并且射流与微粒刀重心线两侧的接触面 积相等时， 由于压力对称分布， 不会对微粒刀产生净力矩， 微粒刀不会在水势阱中发生 旋转； 当微粒刀重心线与射流中心线不重叠时， 即微粒刀的重心线偏离微射流喷头的中 心线设置， 水势阱中的微粒刀两侧存在压力差， 压力差在微粒刀上产生旋转力矩， 微粒 刀便可以绕其轴线旋转。 于是， 微粒刀受转矩作用旋转， 当微射流喷头同时做水平移动 时， 微粒刀便可以一边移动一边旋转， 通过工作台和微射流喷头二者之间的相对运动 完 成对工件的切削。

具体地， 当微粒刀 1和切削工作台 3采用第四种、第五种和第六种工作方式时， 要 实现 流喷头之间还需要满足如下初始条件：

其中， 上式中 A:为作用系数； r为所述微粒刀的重心到微射流在该微粒刀作� �点之 间的距离； 为微射流液体的密度； V。为微射流在微射流喷头的喷射口处的速度� � g为 重力加速度； /z为微射流喷头的底部到微射流与微粒刀接触� ��的高度； /为静摩擦系数; m为微粒刀的质量； 为微射流对微粒刀垂直分力的作用点到圆心的 连线与微粒刀的垂 直方向外径之间的夹角。

上述初始条件通过以下力学分析推导获得： 设定微粒刀形状为类球体，取微粒刀为 研究对象， 受力分析如图 4所示；

静止时， 微粒刀处于平衡状态， 由：

(4) 由动量矩定理: Ja = F、,e - F _f r - F cos θ (5) 若微粒刀旋转， 则需要《>0， 即:

F e - F _f r - F _x r cos θ>0 (6) 将式 (2)、 式 (3)、 式 (4)代入式 (6)， 解得:

~~ sine-f ~ 若/ 存在， 则需 sin0-/>O，即： f < %ηθ (8) 微粒刀旋转初始状态时， F _x =0， 式 (7)化简为： 当射流冲击微粒刀时， 如图 3所示， 在 如图 5所示， 阴影部分为射流对微粒刀的最大作用面积， 即 1/4球面， 图中体现为 半圆， 此时， 作用效果最好。

假设射流对微粒刀的作用面积为 5 贝 IJ:

S二 knr (Π)

将式（12)代入式 (9)

式（13)为微粒刀旋转并进行切削加工的初始 条件。

其中： π、 _r 、 p、 g、 f、 77为已知， k、 v。、 h、 为变化的参数。

以下确定 A和 的关系。

当射流冲击微粒刀时， 其作用面积（即相互接触面积）的投影为弓形 。 根据理论力学 教材査得其面积 S为： _ r ² (180° -2Θ - sin 2θ)

将式 (11)和式（14)合并:

r ² (l80°-2^-sin2^

km (15)

2

180°-2^-sin26>

k = (16)

2π

A和 是相互关联的变量， 与射流、 微粒的尺寸、 二者之间的相对位置等有关。 根据图 4， 的取值范围为：

0≤ ^ < 90° (17) 将式（17)代入式（16)， 得 的取值范围为-

0<A:<0.5 (18) 综上所述， 微粒刀旋转并进行切

f < si O (19)

0≤θ<90°

0< t<0.5 以上（1)〜（19)式中的符号意义如下：

/ ^; ；为液体对微粒刀的水平合力；

Fy为液体对微粒刀的垂直合力；

A为微粒刀与待加工表面的摩擦力；

为待加工表面对微粒刀的支持力；

为静摩擦系数；

r为微粒刀半径；

77为微粒刀质量；

g为重力加速度；

e为 作用点到微粒刀圆心的水平距离；

/为微粒刀相对质心的转动惯量；

为射流对微粒刀表面的压强；

h为喷头底部到射流与微粒刀接触点的高度;

A为作用系数；

5 "为射流对微粒刀的作用面积；

为射流液体的密度； Θ为 Α作用点与圆心连线与垂直方向的夹角;

a为角加速度；

v。为射流在喷头出口处的速度。 因此， 只要保持旋转力矩的存在， 微粒刀便不停地旋转， 这样就实现了微粒刀的水 致旋转， 换句话说， 微粒刀的旋转就像风吹动风车转动一样， 射流的压力作用在微粒刀 上， 会产生旋转力矩， 从而使微粒刀旋转， 类似于现实中风力对风车的作用， 微粒刀这 个 "风车"就可以在水射流产生的 "风"的作用下旋转起来了； 另外， 微粒刀的旋转方 向取决于其在水势阱中的初始位置和微粒刀本 身的形状（ "初始位置"指水势阱成功捕 获到微粒刀的瞬间， 微粒刀在水势阱中的位置)。

采用水致旋转驱动微粒刀或者水致钳制住微粒 刀进行微切削，微流束及时地带走了 切削过程中产生的热量， 大大减小了热-力耦合作用产生的不均匀变形� �， 降低了微切 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， 提高 了切削效率和质量。

在实际工作过程中 (微粒刀为旋转方式)， 我们可以选用单晶硅为实验材料， 采用如 图 1、 图 2所示的呈球形结构的微粒刀 1分别进行微米切削和纳米切削实验。 由于单晶 硅属于脆性材料， 根据断裂力学的原理， 加工脆性材料时存在着脆塑转变。 由于刀尖的 切入， 待加工表面刀尖处原子的势能被改变， 并导致硅原子的动能突然增加， 打破了原 子的排列， 引起局域晶格结构向无序状态的相变， 这种无序状态位于刀尖前部的下面， 随着切削方向发展， 之后在前部形成气穴， 这一过程是靠刀尖处高应变能提供的能量驱 动的。 当应变能转变为动能时， 空穴扩展， 最后发展成清晰的裂纹。 空气与晶体的化学 反应能又增加了原子的动能， 原子运动加剧， 拉长了原子间的距离， 使裂纹扩展， 材料 发生剥离， 形成切屑， 完成切削加工。