1、引言 微細(xì)切削是為滿足微小型結(jié)構(gòu)件的加工需求,在傳統(tǒng)切削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微制造技術(shù),在微型注塑模具梆栏、光學(xué)元件花炭、集成電路、計(jì)算機(jī)外設(shè)等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景吻育。微細(xì)切削的基本原理是在精密(或超精密)切削機(jī)床上,利用微細(xì)切削刀具去除工件上的多余材料,使之成為在形狀念秧、精度和表面質(zhì)量等方面符合要求的微小型精密零件。微細(xì)切削技術(shù)的發(fā)展依賴于微細(xì)切削刀具技術(shù)的支撐布疼。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征,分析了微細(xì)切削對于切削刀具的基本要求,重點(diǎn)介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料摊趾、刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)和典型的刀具制備工藝。

2游两、微細(xì)切削刀具的基本特征

目前應(yīng)用較多的微細(xì)切削方法主要有微細(xì)車削砾层、微細(xì)立銑削、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削,使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車刀贱案、平頭及球頭立銑刀肛炮、飛刀和鉆頭。受尺度效應(yīng)的影響,微細(xì)切削的刀具磨(破)損轰坊、切削力铸董、切削表面形成等加工機(jī)理顯著區(qū)別于常規(guī)尺度切削,刀具所承受的切削抗力、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣。適用于微細(xì)切削的刀具應(yīng)滿足以下基本要求:

(1)整體尺度小,局部特征尺度微小針對微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架粟害、平面蕴忆、曲面、軸脏貌、槽泡煌、壁、孔等各類微小型結(jié)構(gòu),為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小站绑、加工精度較高的特點(diǎn),以及避免與工件之間的干涉,切削刀具的整體尺度和切削部分的特征尺度必須同步減小焦莉。

(2)切削刃鋒利在微細(xì)切削條件下,為了實(shí)現(xiàn)極微量的材料去除,所采用的切削深度和進(jìn)給量通常在微米級,切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數(shù)量級,刀具實(shí)際前角將表現(xiàn)為較大的負(fù)值。刃口半徑對于微細(xì)切削性能的影響不容忽視,切削刀具應(yīng)具有足夠鋒利的切削刃季佣。但是,受刀具材料特性和制造工藝的限制,刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低份帮。

(3)表面質(zhì)量好表面質(zhì)量對于微細(xì)切削刀具的使用性能影響極大。為了獲得良好的微細(xì)切削精度和表面質(zhì)量,微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的表面完整性及較小的表面粗糙度和微觀成形缺陷溪茶。較差的表面質(zhì)量不僅會增加微細(xì)切削時的摩擦阻力,導(dǎo)致加工表面惡化,而且會削弱刀具強(qiáng)度手财。

(4)強(qiáng)度高,抗沖擊能力強(qiáng)對于小直徑的微細(xì)立銑刀和鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具,微細(xì)切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。微細(xì)切削刀具的切削部分應(yīng)具備足夠高的強(qiáng)度和動態(tài)特性,能夠承受微細(xì)切削時的高頻沖擊負(fù)載徊极。

(5)剛性好,抗變形能力強(qiáng)為保證加工精度,微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的剛性,以減小切削力作用下的變形和回彈徐扯。微細(xì)立銑削時,刀具剛性不足引起的軸向和徑向變形是影響加工精度的主要原因；微細(xì)鉆削時,鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢狡秋。

(6)耐磨性好,磨損過程均勻

微細(xì)切削刀具的切削部分應(yīng)具有足夠高的硬度,以保證其耐磨性苫馏。用已磨鈍的刀具進(jìn)行微細(xì)切削,不僅影響加工精度,并且會產(chǎn)生明顯的加工毛刺,給表面精整帶來困難。

(7)動平衡精度高

微細(xì)立銑削時,刀具跳動與進(jìn)給量的比值明顯大于常規(guī)切削胜嗓。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下,切削刃之間的切削負(fù)載極不均衡,切削力波動現(xiàn)象嚴(yán)重,將影響切削過程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性高职。為保證刀尖運(yùn)動軌跡和加工精度,微細(xì)立銑刀、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)具有極高的動平衡精度,使用前必須隨同刀柄系統(tǒng)進(jìn)行動平衡測試兼蕊。

(8)刀具夾持精確可靠

微細(xì)旋轉(zhuǎn)刀具的安裝誤差是影響加工精度和可靠性的主要因素初厚。刀具夾持系統(tǒng)應(yīng)具有較高的接觸剛度和重復(fù)定位精度,并具有良好的高速鎖緊性件蚕。

3孙技、微細(xì)切削刀具的材料

選用先進(jìn)適用的刀具材料是保證微細(xì)切削刀具綜合性能的重要技術(shù)手段。單晶金剛石排作、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細(xì)切削刀具材料牵啦。

(1)單晶金剛石

單晶金剛石具有硬度高、彈性模量高妄痪、與工件材料摩擦系數(shù)低哈雏、晶體結(jié)構(gòu)呈單晶等優(yōu)點(diǎn),可以拋光加工出極鋒利的切削刃(刃口半徑可小于50～100nm),適合銅、鋁等有色金屬材料的精密微細(xì)切削衫生。根據(jù)延性域加工機(jī)理,通過采用合理的刀具參數(shù)和切削工藝參數(shù),利用單晶金剛石刀具可實(shí)現(xiàn)硅片裳瘪、鍺、光學(xué)玻璃等脆性材料的延性域微細(xì)切削,能夠滿足微小型光學(xué)零件的精密加工需求诵执。另一方面,單晶金剛石刀具在微細(xì)切削中的應(yīng)用也受到很大局限,如:與鐵的親和力強(qiáng),加工鋼時化學(xué)磨損嚴(yán)重,應(yīng)用范圍主要局限于非鐵基材料熟央；硬度極高,復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難,只適合制造尺度較大交豪、形狀相對簡單的車刀和飛切刀具,不適合制造帶螺旋槽的微細(xì)鉆頭和立銑刀。

(2)細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金

細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是指晶粒度大小在0.2～1.3μm之間的硬質(zhì)合金冗宠。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細(xì)化,硬質(zhì)相尺寸減小,粘結(jié)相分布更加均勻,材料硬度和抗彎強(qiáng)度都得以提高,擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域善占。細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的以下特點(diǎn)較適合制作微細(xì)切削刀具:

①晶粒極細(xì)

細(xì)晶粒組織能減小刀具成形過程的崩刃缺陷,制備出的刀具刃口鋒利,表層顯微組織均勻,幾何參數(shù)穩(wěn)定,尺寸一致性好,有利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

②硬度和抗彎強(qiáng)度“雙高”,彈性模量大

細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金突破了硬度與抗彎強(qiáng)度之間的逆向關(guān)系,具有較好的綜合物理特性,如:耐磨性好,經(jīng)過較長切削行程后,刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面抄蔬；刃口強(qiáng)度高,材料去除順暢,能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量遮英；斷裂韌性好,微細(xì)切削過程中刀具磨損均勻,刀具可靠性好；彈性模量大,制備出的微細(xì)刀具剛性好,有利于保證加工精度,尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結(jié)構(gòu)的形狀精度音共。

③加工材料范圍廣泛

細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金對于各類工程材料的適應(yīng)能力較強(qiáng),其突出優(yōu)勢是可以加工鋼,擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域厅瘩。基于細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的高強(qiáng)高硬鋼的微細(xì)切削具有廣闊的應(yīng)用前景宗恩。

4选畴、微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從設(shè)計(jì)角度分析,微細(xì)切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡單縮小,而是基于微細(xì)切削特征和面向具體加工需求的一類特種刀具。現(xiàn)以微細(xì)立銑刀和鉆頭為例,說明微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和原則辙使。

微細(xì)立銑削的軸向切削深度和微細(xì)鉆削的進(jìn)給量均很小,因此刀具結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡化作瞄。微細(xì)立銑刀和鉆頭不一定需要形狀完整的螺旋槽,可以采用單切削刃的結(jié)構(gòu)形式。為保證刀具剛度,應(yīng)盡量減少切削部分長度,長徑比不宜過大危纫。

刀具刃口形狀應(yīng)比較規(guī)則且半徑較小,以減小實(shí)際切削時的負(fù)前角效應(yīng)宗挥。

由于微細(xì)立銑刀和鉆頭的直徑較小,容屑槽空間有限,碎狀切屑容易發(fā)生堵塞而導(dǎo)致刀具折斷,因此可采用涂層或固體潤滑膜來減小刀具與工件之間的摩擦系數(shù),不僅有利于排屑,而且能提高刀具耐磨性。

5种蝶、微細(xì)切削刀具的制備工藝

微細(xì)切削刀具的制備工藝是制約微細(xì)切削技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)之一契耿。精密微細(xì)機(jī)械磨削和電火花線電極磨削(WEDG)、聚焦離子束濺射(FIB)等特種加工方法是目前主要的微細(xì)刀具制備技術(shù)螃征。

(1)精密微細(xì)磨削工藝

磨削工藝是比較成熟的刀具制備和修整方法搪桂。微細(xì)刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪,能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼和硬質(zhì)合金材料的高效成形。該工藝的要點(diǎn)是:為防止小直徑刀具折斷,應(yīng)合理確定刃磨時的磨削壓力盯滚。通過對砂輪施加振動,可以顯著減小磨削力和最小成形直徑踢械。

精密微細(xì)磨削工藝在一定程度上可以滿足微細(xì)切削刀具的制備要求,但受磨削力的影響,能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限。另外,刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷,將直接影響加工表面質(zhì)量和精度水平魄藕；磨削熱應(yīng)力容易引起刀具表層微觀結(jié)構(gòu)的變化内列；微細(xì)立銑刀的同心度和直徑偏離等制造誤差有可能大于微細(xì)切削的單齒進(jìn)給量,成形精度有待提高。

(2)電火花線電極磨削工藝

電火花線電極磨削(WEDG)工藝的材料蝕除機(jī)理與普通電火花加工相同,電極和工件的運(yùn)動原理為:線狀電極在導(dǎo)向器上連續(xù)移動,導(dǎo)向器沿工件徑向作微進(jìn)給,而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時作軸向進(jìn)給背率。該運(yùn)動方式的主要優(yōu)點(diǎn)是:線電極與工件之間為點(diǎn)接觸,容易實(shí)現(xiàn)微能放電话瞧；線電極始終沿導(dǎo)向器勻速運(yùn)動,可以忽略線電極損耗對加工精度的影響。

通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度,配合軸向的精密進(jìn)給控制,WEDG工藝可以加工圓柱蛇筷、圓錐鹅媒、棱柱、螺旋槽、平面等多種截面形狀矛郁。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是:刀具成形過程中無機(jī)械力作用,成形的尺寸精度和形狀精度較高,為微細(xì)刀具制備提供了一種有效方法交鹊。

(3)聚焦離子束濺射工藝

聚焦離子束濺射工藝是一種顯微加工技術(shù),同樣可以用于微細(xì)刀具的制備,其基本原理為:選擇原子量較大的液態(tài)金屬鎵(原子量為69.72,其原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量)作為離子源,在離子柱頂端施加高密度的電場,形成數(shù)十keV的高能離子束,通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點(diǎn),然后控制聚焦后的鎵離子束對工件進(jìn)行轟擊,將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子,產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。通常每個入射鎵離子可以去除3～5個工件原子,可以精確控制材料的去除量膛画。利用聚焦離子束濺射工藝,可以對硬質(zhì)合金酥盼、高速鋼、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工癞亩。

與精密磨削相比,基于聚焦離子束濺射的刀具成形過程沒有機(jī)械力的作用,刀具在制造過程中不會破損,能夠制備出具有極小特征尺寸的微細(xì)刀具传等。

(4)激光加工工藝

為了克服聚焦離子束濺射工藝成形效率較低的問題,德國卡爾斯魯厄大學(xué)對采用激光加工工藝進(jìn)行微細(xì)刀具制備進(jìn)行了探索。該工藝同樣無機(jī)械力作用,加工過程中無振動,刀具不產(chǎn)生變形,加工成本較低绪痘。目前存在的問題是成形表面較粗糙,加工表面質(zhì)量有待提高鹉奸。

6、結(jié)語

微細(xì)切削對于由金屬材料構(gòu)成的微小型結(jié)構(gòu)及零件的制造具有一系列原理優(yōu)勢,是微制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一钱雷。微細(xì)切削刀具是實(shí)施微細(xì)切削的必要條件,直接決定了微細(xì)切削技術(shù)的應(yīng)用水平骂铁。因此,微細(xì)切削刀具技術(shù)的研究和開發(fā)具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。隨著微細(xì)切削加工機(jī)理罩抗、刀具材料和刀具制備工藝等相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展,微細(xì)切削刀具的實(shí)用化程度必將不斷提高,并成為推動微細(xì)切削發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)拉庵。

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