微细切削技术是在传统切削技术基础上发展起来,面向微小型结构件加工需求的微细加工技术,继承了传统切削技术的大部分优点,是当前微小型结构加工的最主要方法之一,具有广阔的市场前景。微细刀具作为微细切削加工的执行单元,是微细切削技术体系中极为重要的一环。由于微细刀具存在异于传统刀具的失效问题,其已经成为制约微细切削技术发展的瓶颈。本文综合运用了摩擦学、断裂损伤力学、机械动力学、微分几何学、几何运动学、数值计算等学科的理论和方法,从分析微细立铣刀失效现象入手,对微细立铣刀结构设计理论开展了研究,主要包括以下几个方面:1.揭示了铣削不锈钢材料时硬质合金微细立铣刀的失效机理。设计静载荷和动载荷条件下微细立铣刀的失效实验,研究了微细立铣刀的失效形式和失效机理。硬质合金微细立铣刀铣削不锈钢过程中,铣刀磨损形式表现为后刀面波浪形磨损形貌,磨损机理包括磨粒磨损、粘结磨损和扩散磨损;破损形式表现为切入初期的刀尖破碎和弯曲应力过大引起的早期破损,破损机理主要为沿WC粒子晶界的CO相韧性撕裂,早期破损的起裂源位于刀颈与刀刃结合处的芯厚最小的位置,裂纹呈放射性方向扩展。对比静荷载和动载荷断口形貌发现,微细立铣刀折断失效为弯断。通过分析微细切削过程中切削力主频幅值变化规律,揭示了切削力信号频谱幅值变化与刀具磨损的关系。采用田口法实验分析了加工不锈钢过程的工艺参数对刀具磨损和表面粗糙度的影响,降低进给量可同时获得较好的刀具耐磨损性能和加工表面粗糙度。2.进行了微细立铣刀的几何结构建模与强度分析研究。考虑不同回转曲面上刃口曲线的连续性问题,建立了统一的螺旋刃口曲线和平面刃口曲线模型;结合微细平头铣刀刃磨特点,运用无瞬心包络法建立了砂轮包络轴向截形精准模型,提出了基于无瞬心原理的轴向截形设计方法,该方法原理简明、计算便捷,避免因砂轮截形上的奇点和圆滑二次曲线导致无法求解的情况,适用于复杂砂轮截形包络沟槽截形的设计。根据强度分析计算,分析了几何结构对微细立铣刀不同应力集中区应力分布的影响,用于指导微细立铣刀的刃区几何设计。3.提出了高转速工况下的微细立铣刀整体结构设计原则。考虑微细立铣刀的变截面几何在旋转工况下不可忽视的剪切效应和陀螺效应,建立了统一的预扭转变截面旋转梁的动力学统一模型;利用所建变截面旋转梁动力学模型,分析了不同转速条件下微细立铣刀几何结构对动态性能的影响规律,用于指导微细立铣刀的整体设计和工艺优化;根据固有频率的变化规律,提出了确定微细立铣刀初始临界转速的方法。4.进行了微细立铣刀的刃磨和失效实验验证研究。基于CNS7D刃磨机运动轴规划,推导了刃磨微细立铣刀的主轴运动方程,设计了微细立铣刀刃磨工艺,刃磨出不同几何特征的微细立铣刀。通过实验对比不同几何参数微细立铣刀的失效特征与加工性能,验证了所提出的微细立铣刀的设计理论。