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)，在微型注塑模具篓羊、光學(xué)元件盹组、集成電路、計(jì)算機(jī)外設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景六赢。微細(xì)切削的基本原理是在精密(或超精密)切削機(jī)床上哄避，利用微細(xì)切削刀具去除工件上的多余材料，使之成為在形狀灌旧、精度和表面質(zhì)量等方面符合要求的微小型精密零件绑咱。

　　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)的支撐绰筛。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征枢泰，分析了微細(xì)切削對(duì)于切削刀具的基本要求，重點(diǎn)介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料铝噩、刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)和典型的刀具制備工藝衡蚂。

　　1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、微細(xì)立銑削骏庸、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削毛甲，使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車刀、平頭及球頭立銑刀具被、飛刀和鉆頭玻募。

　　受尺度效應(yīng)的影響，微細(xì)切削的刀具磨(破)損一姿、切削力七咧、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叮叹、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣顿储。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(duì)微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架济问、平面遮店、曲面、軸吝殖、槽戳酒、壁、孔等各類微小型結(jié)構(gòu)帚颤，為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小伟杂、加工精度較高的特點(diǎn)，以及避免與工件之間的干涉更践，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户犯。

　　(2)切削刃鋒利

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

　　(3)表面質(zhì)量好

　　表面質(zhì)量對(duì)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)量囊拜，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某筐。較差的表面質(zhì)量不僅會(huì)增加微細(xì)切削時(shí)的摩擦阻力，導(dǎo)致加工表面惡化冠跷，而且會(huì)削弱刀具強(qiáng)度南誊。

　　(4)強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)

　　對(duì)于小直徑的微細(xì)立銑刀和鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具蜜托，微細(xì)切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行抄囚。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(dòng)態(tài)特性，能夠承受微細(xì)切削時(shí)的高頻沖擊負(fù)載橄务。

　　(5)剛性好幔托，抗變形能力強(qiáng)

　　為保證加工精度，微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的剛性王庐，以減小切削力作用下的變形和回彈细周。微細(xì)立銑削時(shí)，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橘曙；微細(xì)鉆削時(shí)慷递，鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢。

　　(6)耐磨性好惑箕，磨損過程均勻

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

　　(7)動(dòng)平衡精度高

　　微細(xì)立銑削時(shí)诊捆，刀具跳動(dòng)與進(jìn)給量的比值明顯大于常規(guī)切削。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下拨才，切削刃之間的切削負(fù)載極不均衡纸措，切削力波動(dòng)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官脓。為保證刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡和加工精度协怒，微細(xì)立銑刀涝焙、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)具有極高的動(dòng)平衡精度，使用前必須隨同刀柄系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試孕暇。

　　(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仑撞。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妖滔。

　　2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)手段隧哮。單晶金剛石、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細(xì)切削刀具材料座舍。

　　(1)單晶金剛石

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

　　(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)合金众巷。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細(xì)化，硬質(zhì)相尺寸減小炊豪，粘結(jié)相分布更加均勻凌箕，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)域词渤。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：

　∏２铡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他托，制備出的刀具刃口鋒利，表層顯微組織均勻仆葡，幾何參數(shù)穩(wěn)定赏参，尺寸一致性好，有利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)沿盅。

　“崖ā②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)系腰涧，具有較好的綜合物理特性韧掩，如：耐磨性好，經(jīng)過較長(zhǎng)切削行程后窖铡，刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面柒汉；刃口強(qiáng)度高，材料去除順暢萨宙，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量监昏；斷裂韌性好，微細(xì)切削過程中刀具磨損均勻惦知，刀具可靠性好承副；彈性模量大，制備出的微細(xì)刀具剛性好爪辟，有利于保證加工精度冻菌，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。

　〖热ā③加工材料范圍廣泛

　　細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金對(duì)于各類工程材料的適應(yīng)能力較強(qiáng)荚砍，其突出優(yōu)勢(shì)是可以加工鋼，擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域酌沥∷南矗基于細(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。

　　3微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　從設(shè)計(jì)角度分析律姨，微細(xì)切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡(jiǎn)單縮小振峻，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)立銑刀和鉆頭為例择份，說明微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和原則扣孟。

　　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(jiǎn)化荣赶。微細(xì)立銑刀和鉆頭不一定需要形狀完整的螺旋槽凤价，可以采用單切削刃的結(jié)構(gòu)形式。為保證刀具剛度拔创，應(yīng)盡量減少切削部分長(zhǎng)度利诺，長(zhǎng)徑比不宜過大富蓄。

　　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(shí)的負(fù)前角效應(yīng)慢逾。

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

　　4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)之一逐嗅。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)褒谒。

　　(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菊车。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奕喻。該工藝的要點(diǎn)是：為防止小直徑刀具折斷您奶，應(yīng)合理確定刃磨時(shí)的磨削壓力。通過對(duì)砂輪施加振動(dòng)迂唤，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑五妹。

　　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，但受磨削力的影響革惊，能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限。另外切果，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷骏卿，將直接影響加工表面質(zhì)量和精度水平；磨削熱應(yīng)力容易引起刀具表層微觀結(jié)構(gòu)的變化淘太；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)給量姻僧，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蒲牧，電極和工件的運(yùn)動(dòng)原理為：線狀電極在導(dǎo)向器上連續(xù)移動(dòng)撇贺，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(shí)作軸向進(jìn)給冰抢。該運(yùn)動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：線電極與工件之間為點(diǎn)接觸松嘶，容易實(shí)現(xiàn)微能放電；線電極始終沿導(dǎo)向器勻速運(yùn)動(dòng)挎扰，可以忽略線電極損耗對(duì)加工精度的影響翠订。

　　通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度，配合軸向的精密進(jìn)給控制遵倦，WEDG工藝可以加工圓柱尽超、圓錐官撼、棱柱、螺旋槽似谁、平面等多種截面形狀傲绣。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钓赛，為微細(xì)刀具制備提供了一種有效方法待鲤。

　　(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)刀具的制備肤狞，其基本原理為：選擇原子量較大的液態(tài)金屬鎵(原子量為69.72京拣，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(chǎng)货瘫，形成數(shù)十keV的高能離子束帜猩，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(duì)工件進(jìn)行轟擊鬓灼，將鎵離子的動(dòng)量傳遞給工件中的原子或分子朦阶，產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。通常每個(gè)入射鎵離子可以去除3～5個(gè)工件原子瘪吭，可以精確控制材料的去除量杰翰。利用聚焦離子束濺射工藝，可以對(duì)硬質(zhì)合金经芋、高速鋼焰诲、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工。

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

　　(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错沃，德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)對(duì)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)械力作用雀瓢，加工過程中無振動(dòng)枢析，刀具不產(chǎn)生變形，加工成本較低刃麸。目前存在的問題是成形表面較粗糙醒叁，加工表面質(zhì)量有待提高。

　　5結(jié)語

　　微細(xì)切削對(duì)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(shì)嫌蚤，是微制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一辐益。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)用水平脱吱。因此智政，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)值层筹。隨著微細(xì)切削加工機(jī)理、刀具材料和刀具制備工藝等相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展清截，微細(xì)切削刀具的實(shí)用化程度必將不斷提高风踪，并成為推動(dòng)微細(xì)切削發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

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