近年來,民用和國防等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N微小型化產(chǎn)品的需求不斷增加,對微小裝置的功能紊撕、結(jié)構(gòu)復雜程度罢荡、可靠性等要求也越來越高。因此,研究開發(fā)經(jīng)濟上可行对扶、能夠加工三維幾何形狀和多樣化材料区赵、特征尺寸在微米級到毫米級的精密三維微小零件的微細加工技術(shù)具有重要意義。目前,微細切削已成為克服MEMS技術(shù)局限性的重要技術(shù),而微細銑削技術(shù)因具有高效率、高柔性笼才、能加工復雜三維形狀和多種材料的特點,已成為一個非呈埽活躍的研究熱點。

1 微徑銑刀及其制造技術(shù)

(1)制造工藝及刀具性能

磨削是一種傳統(tǒng)的銑刀制造工藝,但對于直徑僅為零點幾毫米的微徑銑刀,要在磨削力作用下,在不均質(zhì)的刀具材料上磨削加工出鋒利的切削刃口,是一件十分困難的事情,這也成為微徑銑刀發(fā)展的一個技術(shù)瓶頸骡送。為此,從理論和實驗的角度出發(fā),可以選擇一種不產(chǎn)生切削力的加工方法(如激光加工昂羡、聚焦離子束加工等)。

聚焦離子束加工方法從原理上比較適合用于制造微徑銑刀摔踱。Friedrich和Vasile等人采用聚焦離子束加工技術(shù)制作了微徑銑刀,最小直徑達到22mm虐先。利用微徑銑刀和定制的高精度銑床,在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上加工出了89.5°直壁微槽結(jié)構(gòu),深度為62mm,槽間肋厚為8mm。Adams等人采用聚焦離子束加工技術(shù)制作了一些直徑約為25μm的微徑銑刀,其輪廓形狀有兩面體士怒、四面體和六面體,切削刃分為2刃徘涤、4刃和6刃,刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金。用這些刀具分別對鋁眷赂、黃銅想受、4340鋼和PMMA四種工件材料進行了微細銑削加工。但是,由于使用微徑銑刀進行切削加工必須采用小進給量,且刀具磨損劇烈,加工毛刺較大,加工效果至今不能令人滿意屑墓。

立銑刀的刀刃幾何形狀主要有直體奴妈、錐體三角形(D-type)、半圓形(D-type)和已商品化的螺旋刃立銑刀四種燎称。Fang等人通過實驗和有限元分析,從刀具剛度和加工性能出發(fā),對上述四種立銑刀進行了研究對比窃愿。結(jié)果表明,錐體D-type立銑刀更適合微細切削加工,并用直徑0.1mm的錐體立銑刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物醫(yī)學零件和特征尺寸小于80μm的微型壓花模具。

但是,從實用角度和應(yīng)用前景來講,還是應(yīng)優(yōu)先選擇商品化的螺旋刃微徑立銑刀,很多研究都是針對此類銑刀進行的贩溉。目前,直徑0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀在國外已經(jīng)商品化(在國內(nèi),直徑0.2mm的立銑刀也已經(jīng)商品化),直徑50μm的立銑刀也開始上市恨递。目前此類銑刀的制造仍需依賴于高性能的工具磨床,<br>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;在歐洲,采用微徑立銑刀(最小直徑50μm)加工微型塑料組件的注射模具,模具硬度達53HRC,銑削精度<5μm,表面粗糙度Ra<0.2μm。美國開發(fā)了專門用于模具和硬型模具加工的新型微徑銑刀,能夠?qū)κ蚬稹摰雀哂捕炔牧线M行高速切削加工(切削速度30m/min,最高達150m/min)溺瘩。瑞士的研究人員做了一個高速切削硬材料的實驗,用直徑0.5mm的TiAlN涂層微徑銑刀切削316L不銹鋼,切削深度0.1mm,切削速度80m/min,主軸轉(zhuǎn)速50000r/min,進給率240mm/min。實驗結(jié)果表明刀具壽命達8小時(117m)昌腰。

(2)刀具材料

作為刀具材料,金剛石开伏、立方氮化硼、陶瓷等都各有其優(yōu)點和局限性,而使用最多的是硬質(zhì)合金材料,目前國外90%以上的車刀和55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金遭商。在微徑銑刀領(lǐng)域,刀具材料也以硬質(zhì)合金為主固灵。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結(jié)體,晶粒的大小決定了刀刃的微觀鋒利程度,為了獲得鋒利的刀刃,通常采用鎢鈷類的超細顆粒硬質(zhì)合金。目前超細顆粒硬質(zhì)合金的晶粒尺寸在0.5&micro;m左右,其切削刃圓弧半徑為幾微米劫流。

細顆粒巫玻、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)與應(yīng)用是進一步提高刀具使用可靠性的發(fā)展方向,其特點是不斷開發(fā)刀具材料新牌號,使之更適應(yīng)被加工材料和切削條件,從而達到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“對癥下藥”的策略,不斷開發(fā)具有加工針對性的刀具新牌號,如美國肯納公司僅針對車削加工新推出的牌號就有:加工鋼材的KC9110祠汇、加工不銹鋼的KC9225仍秤、加工鑄鐵的KY1310、加工耐熱合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510诗力、加工非鐵材料的KY1615等凰浮。與原有的老牌號相比,新牌號平均可提高切削效率15%～20%。其次,在新牌號的開發(fā)中,更加重視基體與涂層的優(yōu)化組合,以更好地實現(xiàn)適用性開發(fā)的目的苇本。此外,新牌號的開發(fā)通常還包括相應(yīng)刀具槽形和幾何參數(shù)的改進,以更好適應(yīng)被加工材料的特性以及不同工序?qū)嘈嫉囊?并起到降低切削力蓝漏、減小振動等作用,使切削更加輕快、高效勃经。

(3)刀具涂層

涂層具有高的硬度吭匀、耐磨性和化學穩(wěn)定性,可以阻止刀具-切屑-工件材料間的相互作用,能起到熱屏障作用,減輕刀具的粘著磨損、溶解磨損浩铺、表層剝落磨損等,并能有效延緩刀具磨損的出現(xiàn)螺城。因此涂層的應(yīng)用能極大地改善刀具性能。

涂層按其成分和作用可分為兩大類:一類是“硬”涂層,特點是硬度高,耐磨性好红骏；另一類是“軟”涂層,主要作用是減少摩擦,降低切削力和切削溫度躬伐。涂層按其結(jié)構(gòu)可分為單層涂層、多層涂層星茶、復合涂層吵墅、梯度涂層、納米多層涂層飒胜、納米復合結(jié)構(gòu)涂層等公遭。在選用涂層時,應(yīng)考慮涂層的厚度、光滑性以及與基體硬質(zhì)合金的兼容性等問題射严。

刀具涂層的發(fā)展特點是多樣化和系列化禁灼。納米涂層、梯度結(jié)構(gòu)涂層及全新結(jié)構(gòu)轿曙、材料涂層的開發(fā)與應(yīng)用為提高刀具的使用性能發(fā)揮了重要作用弄捕。在層出不窮的涂層新產(chǎn)品中,既有適應(yīng)高速切削、干切削和硬切削的耐磨导帝、耐熱涂層,也有適應(yīng)斷續(xù)切削的韌性涂層,還有適用于干切削及需要降低摩擦系數(shù)的潤滑涂層守谓。金剛石涂層也得到了進一步應(yīng)用,提高了鋁合金等非鐵金屬和非金屬材料的加工效率。多種納米涂層(包括納米結(jié)晶您单、納米層厚和納米結(jié)構(gòu)涂層)的實用化,使涂層性能得到更大提高斋荞。納米涂層技術(shù)的最新成果是開發(fā)出TiSiN和CrSiN涂層立銑刀,這兩種涂層材料的粒徑均為5nm。此外,通過提高涂層表面光潔度,可以提高涂層刀具的抗摩擦睹限、抗粘結(jié)能力譬猫。

2 微細銑削技術(shù)的研究

傳統(tǒng)的微細銑削技術(shù)研究與應(yīng)用主要是采用直徑幾十微米至1mm的微型立銑刀,在常規(guī)尺寸的超精密機床上進行微細加工讯檐。由于這些機床主要用于加工精度很高的非微小幾何尺寸零件,通常需要通過昂貴的設(shè)計和制造工藝來達到所期望的目標精度,而對于微小零件的加工,則缺少必要的柔性,且加工成本高羡疗、效率低。微小型化的加工設(shè)備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源叨恨、易于重組菱拙、成本低等優(yōu)點。近年來,利用微小型加工設(shè)備實現(xiàn)微細銑削加工已引起人們的普遍重視,并實現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機床上的微細加工過程去弹。在對微細銑削加工技術(shù)的研究中,研究重點主要集中于加工表面質(zhì)量团尿、切削力、刀具的磨損和壽命毛溅、切屑狀態(tài)袭澎、對微小零件的加工能力等方面。

(1)加工表面質(zhì)量及毛刺

在對微細加工表面質(zhì)量的研究中,表面粗糙度一直是備受關(guān)注的問題关灰。韓國的W. Wang等人在黃銅上進行了微細銑削實驗,并采用統(tǒng)計學方法分析了刀具直徑鞭眠、切削深度、主軸轉(zhuǎn)速犬岔、進給率等參數(shù)對表面粗糙度的影響,建立了一個新的表面粗糙度數(shù)學模型抑希。研究表明,進給率起著主要的影響作用,表面粗糙度隨著刀具直徑和主軸轉(zhuǎn)速的增加呈線性增長。然而,刀具的硬度和主軸的振動帶來的影響卻比進給率更大把赢。最后指出,增加結(jié)構(gòu)和刀具的硬度及剛度,降低主軸的振動,是在該加工條件下提高表面質(zhì)量的最好方法勤适。

德國的J. Schmidt等人對微細銑削進行了大量研究。在切削硬鋼(HRC52)時,發(fā)現(xiàn)在切入的一段,因刀具的劇烈磨損導致表面粗糙度不穩(wěn)定,在逆銑切入一側(cè)最差,中間部分最好,順銑一側(cè)居中(Rz0.5～1.6μm)钝尸。隨著刀具的繼續(xù)磨損,逆銑一側(cè)粗糙度變好,順銑一側(cè)降低,表面粗糙度趨于穩(wěn)定括享。而在切削軟鋼(HRC42)時,沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象,表面粗糙度始終是中間部分最好(Rz0.7～1.8μm)。此外還進行了每齒進給量為7μm的銑削實驗,也獲得了不錯的表面質(zhì)量,而這種進給量在切削高硬度材料(HRC52)時被認為是不合適的珍促。

毛刺是影響微細銑削加工質(zhì)量的主要因素奶浦。Lee等人通過實驗研究了微細銑削鋁和銅時產(chǎn)生的毛刺。實驗中觀察到5種類型的毛刺:順銑側(cè)面切入毛刺踢星、槽側(cè)面頂端毛刺澳叉、槽底面切出毛刺和逆銑側(cè)面切出毛刺,且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進給量的增加而增大。德國的J. Schmidt等人發(fā)現(xiàn),只有在每齒進給量為0.5μm時才會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺,大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～60μm,這對所加工模具的實際應(yīng)用沒有影響,結(jié)果令人滿意沐悦。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側(cè)的毛刺較大,硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大成洗；隨著刀具的磨損,毛刺會變大,尤其在逆銑一側(cè)；隨著切削速度的增加,毛刺略有減小藏否。

目前,世界各國對表面粗糙度已進行了大量研究,但對加工硬化瓶殃、殘余應(yīng)力的研究還鮮有報道,而這些因素對微小零件的性能都有很大影響,相信具有很大的研究價值,會成為未來的研究方向之一。

(2)微細切削力

在銑削過程中,刀具的受載狀態(tài)極其復雜,不斷受到大小副签、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷遥椿。由于微細銑削中的每齒進給量小于(或等于)刀具切削刃鈍圓半徑,切削加工過程從以剪切為主變化到以摩擦、擠壓或耕犁為主淆储；又由于切削速度較高,沖擊載荷較大,使得微細切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同舶卧。

Bao和Tansel針對采用微徑立銑刀進行微細銑削加工時的切削力進行了研究,提出了改進的切削力模型熬慎。該模型通過計算刀具旋轉(zhuǎn)和前移時刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出,并且考慮了每齒進給量與刀具半徑比值的不同、刀具跳動量和刀具磨損對切削力的影響,并通過實驗驗證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準確乔胆。

Vogler等人提出了一個微細立銑削加工的力學模型,考慮了異質(zhì)材料中不同的相,發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導致切削力的高頻變化,從而解釋了微細銑削多相材料時切削力中出現(xiàn)的高頻信號鳖建。

目前對微細切削力的研究還不多,還需進一步了解微細切削力的特征,并可以考慮通過對切削力的實時監(jiān)測,動態(tài)調(diào)節(jié)切削用量,以控制切削力,提高加工表面質(zhì)量,延長刀具使用壽命。

(3)微刀具的磨損济季、壽命及切屑狀態(tài)

利用小直徑立銑刀進行微細加工時,由于對切削后加工面的修整非常困難,因此希望能用一把銑刀完成最終加工工序淌窄。而且高精度形狀加工耗用的切削時間往往需要數(shù)小時,因此對刀具的壽命和切削性能提出了更高要求。

Rahman等人采用直徑1mm的立銑刀對純銅進行了微細銑削實驗,利用統(tǒng)計學中的響應(yīng)曲面法建立了純銅微細銑削過程中刀具壽命的二次模型,得出切削速度和背吃刀量對刀具壽命影響顯著,而進給速度的影響不顯著韭购。切削刃磨鈍顯現(xiàn)出切削力的增加权炫。同時應(yīng)當考慮微型刀具的直徑和刃口尺寸。Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極,指出刀具磨損以磨粒磨損為主,磨損形態(tài)為后刀面磨損膜狈、前刀面磨損焙恬、微碎裂和破損,切屑形狀有塊狀、柱狀赌骏、球狀和片狀琢窗；涂層刀具的壽命是無涂層刀具的1.5倍；提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具的磨損和破損晒杈。Miyaguchi等人指出,刀具壽命可以通過減小刀具剛度得以延長,由于刀具的低剛度,刀具的彎曲平衡了切削力,調(diào)節(jié)了跳動量的影響,導致兩個切削刃均勻磨損嫂伞。

在微刀具的微細銑削加工中,切屑狀態(tài)是實現(xiàn)精密加工、控制加工過程拯钻、判斷加工能力的重要因素帖努。Kim等人對微細銑削過程中切屑的形成進行了實驗研究。以不同的進給量對黃銅工件銑槽,通過收集切屑進行測量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn),當每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時,實際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍,進刀痕跡間隔也大于每齒進給量粪般。隨著每齒進給量的增加,實際切屑體積逐漸接近名義切屑體積拼余。由此可知,微細銑削中以較小的每齒進給量進給期間并不是總會形成切屑,即切屑的形成是間歇性的,斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生的。

為了提高微細銑削加工質(zhì)量,必須對刀具的磨損及壽命進行研究,可以考慮通過切削力亩歹、表面粗糙度匙监、刀具的振動來研究刀具的磨損、破損情況小作。

(4)對微小零件的加工能力

目前,大多數(shù)微細銑削研究都集中于所能實現(xiàn)的形狀特征能力方面,其目的是期望在微小型加工設(shè)備上實現(xiàn)復雜微型零件(如微型模具等)的實用化加工亭姥。為了提高加工復雜形狀的能力和加工效率,多軸聯(lián)動的微小型加工設(shè)備的研究也已經(jīng)開始。

韓國的Young等人研制了一臺五軸微小型立式銑床,他們使用直徑200μm和100μm的硬質(zhì)合金平頭立銑刀,在黃銅工件上加工出了厚25μm顾稀、高650μm的微型墻結(jié)構(gòu),以及微型方柱(30μm×30μm×320μm)达罗、微型圓柱以及微型葉輪(直徑600μm)結(jié)構(gòu)。

德國的J. Schmidt等人為了證明微細銑削加工微小模具的能力,加工了微車輪陋沫、微齒輪的模具(工件硬度HRC52),獲得了較好的精度(0.01mm)及合適的表面粗糙度,并在一個小時內(nèi)完成加工放干。

在國內(nèi),哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所研制了國內(nèi)首臺微小型臥式銑床,尺寸為300mm×150mm×165mm,主軸最高轉(zhuǎn)速140000r/min,驅(qū)動系統(tǒng)分辨率0.1μm。實現(xiàn)了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結(jié)構(gòu)岁之；同時在兩塊尺寸分別為12mm×8mm和8mm×5mm的有機玻璃材料上進行了人臉曲面的數(shù)控加工闹彩。

目前,哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺三軸微小型立式銑床,尺寸為300mm×300mm×290mm,主軸最高轉(zhuǎn)速160000r/min,最大徑向跳動1μm座序；驅(qū)動系統(tǒng)重復定位精度0.25μm,速度范圍1μm～250mm/s；采用全閉環(huán)控制,分辨率0.1μm坚达。采用0.2mm的微型立銑刀,在厚70μm的小薄鋼片(HRC50)上加工了一個微型槽(剩余厚度約20μm)辅蜡。

3 結(jié)語

為了獲得理想的微細銑削加工效果,不僅需要高性能的加工機床,還需要優(yōu)秀的切削刀具和嚴格的過程控制爆始。具有優(yōu)異切削性能的微型刀具將在未來的微細銑削加工中發(fā)揮重要作用鹦卫。

目前,在微細銑削加工領(lǐng)域,對加工表面粗糙度的研究已取得不少成果,但對加工硬化、殘余應(yīng)力的研究還不多,對切削力的研究也還不夠成熟门贫。為了改善微細銑削的加工效果,可對切削力沥萄、加工質(zhì)量、刀具磨損和加工振動等因素的影響進行綜合研究玷秋；通過對微細銑削工藝的深入研究及開發(fā),進一步提高微小型機床的加工能力冒窍。隨著精密三維微小零件市場需求的不斷增大,微細銑削技術(shù)必將大有可為。

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