位于美國(guó)新墨西哥州的圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SandiaNationalLaboratories)對(duì)尺寸僅為10μm和20μm的微型車刀和銑刀進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)與研究惰蜜。

雖然“微加工(micromachining)”這一術(shù)語可用于表示在極小尺度范圍內(nèi)完成的各種加工操作,但圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員卻避免將他們進(jìn)行的微小尺度車削和銑削加工稱為“微加工”。他們認(rèn)為,在“加工”一詞前面冠以“微(micro)”的前綴,則表示用該加工方法可加工出尺寸小至1μm的工件形貌,而該實(shí)驗(yàn)室目前還做不到這一點(diǎn)——至少在車削和銑削加工上還達(dá)不到這一水平,目前他們研制的微型刀具能夠加工出的工件形貌尺寸最小可達(dá)到25μm旷似。換句話說,雖然他們已達(dá)到的加工尺度水平還不能稱為“微加工”,但已比幾乎任何其它金屬切削加工車間都更接近“微加工”的目標(biāo)蝴韭。圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員將這種尺度水平的加工稱為“亞微加工(meso-machining)”够颠。

亞微加工所用的微型銑刀和微型車刀是采用聚焦離子束對(duì)硬質(zhì)合金和高速鋼刀坯材料進(jìn)行雕蝕加工而成。用該方法制造的微型立銑刀的直徑可小至約20μm万皿；微型車刀的寬度可小至約10μm摧找。這種微型刀具是實(shí)現(xiàn)亞微加工所必不可少的關(guān)鍵工藝因素,因?yàn)槟壳霸?a target="_blank" class="mmstipl2" >機(jī)床上使用這種微型刀具的適用加工技術(shù)已基本成熟。在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,雖然仍然需要全力開發(fā)亞微切削實(shí)驗(yàn)所用的微型刀具,但實(shí)驗(yàn)所用加工機(jī)床已完全具備了使用微型刀具的技術(shù)條件牢硅。研究人員利用市場(chǎng)上機(jī)床供貨商提供的精密加工機(jī)床,即可有效地使用微型刀具進(jìn)行亞微切削加工蹬耘。

美國(guó)開展亞微加工研究的一個(gè)主要原因與核武器有關(guān)。美國(guó)現(xiàn)存核武器上的某些零件需要經(jīng)常更換,并且需要對(duì)這些零件的結(jié)構(gòu)形貌不斷進(jìn)行改進(jìn)减余。但是,因?yàn)楹宋淦魃系母鱾€(gè)零件與周圍其它零件之間都有不允許改變的裝配關(guān)系,所以每一個(gè)零件的尺寸和外形都必須保持固定不變综苔。因此,為了在零件上增加新的結(jié)構(gòu)形貌,惟一的途徑就是將更多結(jié)構(gòu)微縮于現(xiàn)有空間之中,而亞微加工可以成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種有效手段。

圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過大量實(shí)驗(yàn)研究,已可在包括鋁位岔、黃銅如筛、4340鋼等材料上成功地銑削出寬度20～30μm的槽,典型切削深度為1μm。該實(shí)驗(yàn)室用一把φ22μm硬質(zhì)合金雙刃立銑刀進(jìn)行的切削實(shí)驗(yàn)表明,在切深1μm抒抬、轉(zhuǎn)速18000r/min的切削條件下加工鋁件時(shí),微型立銑刀能以最大至50mm/min的進(jìn)給率進(jìn)行有效切削,刀具銑削時(shí)間超過6小時(shí)以上,且在整個(gè)進(jìn)給率變化范圍內(nèi)未發(fā)生刀具破損現(xiàn)象杨刨。

微型車刀的切削可靠性也已得到證實(shí)。典型的切削實(shí)驗(yàn)表明,一把寬度為13μm的微型車刀能夠在全長(zhǎng)200mm的鋁件上切出深度為4μm的螺旋槽擦剑。

微型車刀的幾何形狀與常規(guī)尺寸車刀類似,而微型銑刀的幾何形狀則與常規(guī)尺寸銑刀有所不同吊冬。由于用聚焦離子束對(duì)微型銑刀進(jìn)行成形加工時(shí),難以加工出典型的標(biāo)準(zhǔn)立銑刀帶有容屑槽的復(fù)雜幾何形狀,因此,亞微加工用微型立銑刀的刀體剖面幾何形狀較為簡(jiǎn)單。

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