1引言

　　微細切削是為滿足微小型結構件的加工需求，在傳統(tǒng)切削基礎上發(fā)展起來的一種微制造技術，在微型注塑模具醉者、光學元件刽辙、集成電路窥岩、計算機外設等多個領域具有廣闊的應用前景。微細切削的基本原理是在精密(或超精密)切削機床上宰缤，利用微細切削刀具去除工件上的多余材料颂翼，使之成為在形狀、精度和表面質(zhì)量等方面符合要求的微小型精密零件慨灭。

　　微細切削技術的發(fā)展依賴于微細切削刀具技術的支撐朦乏。本文結合微細切削的特征，分析了微細切削對于切削刀具的基本要求慢夸，重點介紹了適用于微細切削的刀具材料罗炸、刀具設計要點和典型的刀具制備工藝。

　　2微細切削刀具的基本特征

　　目前應用較多的微細切削方法主要有微細車削咕菱、微細立銑削么歹、微細飛切和微細鉆削，使用的微細切削刀具相應為微細車刀珍喘、平頭及球頭立銑刀殿潜、飛刀和鉆頭。

　　受尺度效應的影響炭答，微細切削的刀具磨(破)損疫橘、切削力、切削表面形成等加工機理顯著區(qū)別于常規(guī)尺度切削匾颁，刀具所承受的切削抗力癌玩、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣。適用于微細切削的刀具應滿足以下基本要求：

　　(1)整體尺度小帮观，局部特征尺度微小

　　針對微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架污益、平面、曲面先口、軸型奥、槽、壁碉京、孔等各類微小型結構厢汹，為了適應微細切削加工特征微小螟深、加工精度較高的特點，以及避免與工件之間的干涉烫葬，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界弧。

　　(2)切削刃鋒利

　　在微細切削條件下，為了實現(xiàn)極微量的材料去除搭综，所采用的切削深度和進給量通常在微米級垢箕，切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數(shù)量級，刀具實際前角將表現(xiàn)為較大的負值兑巾。刃口半徑對于微細切削性能的影響不容忽視条获，切削刀具應具有足夠鋒利的切削刃。但是蒋歌，受刀具材料特性和制造工藝的限制罪焰，刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低。

　　(3)表面質(zhì)量好

　　表面質(zhì)量對于微細切削刀具的使用性能影響極大冕泡。為了獲得良好的微細切削精度和表面質(zhì)量佩捎，微細刀具應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。較差的表面質(zhì)量不僅會增加微細切削時的摩擦阻力刑评，導致加工表面惡化，而且會削弱刀具強度灭奉。

　　(4)強度高且恼，抗沖擊能力強

　　對于小直徑的微細立銑刀和鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具，微細切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進行过任。微細切削刀具的切削部分應具備足夠高的強度和動態(tài)特性捉寻，能夠承受微細切削時的高頻沖擊負載。

　　(5)剛性好江眯，抗變形能力強

　　為保證加工精度硼洁，微細刀具應具有較高的剛性，以減小切削力作用下的變形和回彈东摘。微細立銑削時欢策，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；微細鉆削時赏淌，鉆頭變形量過大引起的折斷將導致工件報廢踩寇。

　　(6)耐磨性好，磨損過程均勻

　　微細切削刀具的切削部分應具有足夠高的硬度六水，以保證其耐磨性俺孙。用已磨鈍的刀具進行微細切削，不僅影響加工精度掷贾，并且會產(chǎn)生明顯的加工毛刺睛榄，給表面精整帶來困難荣茫。

　　(7)動平衡精度高

　　微細立銑削時，刀具跳動與進給量的比值明顯大于常規(guī)切削场靴。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下计露，切削刃之間的切削負載極不均衡，切削力波動現(xiàn)象嚴重憎乙，將影響切削過程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性票罐。為保證刀尖運動軌跡和加工精度，微細立銑刀泞边、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具應具有極高的動平衡精度颖喧，使用前必須隨同刀柄系統(tǒng)進行動平衡測試。

　　(8)刀具夾持精確可靠

　　微細旋轉(zhuǎn)刀具的安裝誤差是影響加工精度和可靠性的主要因素顾惹。刀具夾持系統(tǒng)應具有較高的接觸剛度和重復定位精度铅坚，并具有良好的高速鎖緊性。

　　3微細切削刀具的材料

　　選用先進適用的刀具材料是保證微細切削刀具綜合性能的重要技術手段厉亥。單晶金剛石兰斑、細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細切削刀具材料。

　　(1)單晶金剛石

　　單晶金剛石具有硬度高藏趁、彈性模量高修暑、與工件材料摩擦系數(shù)低、晶體結構呈單晶等優(yōu)點谎雷，可以拋光加工出極鋒利的切削刃(刃口半徑可小于50～100nm)奥唯，適合銅、鋁等有色金屬材料的精密微細切削楚榕。根據(jù)延性域加工機理商贾，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現(xiàn)硅片吨拗、鍺满哪、光學玻璃等脆性材料的延性域微細切削，能夠滿足微小型光學零件的精密加工需求劝篷。另一方面哨鸭，單晶金剛石刀具在微細切削中的應用也受到很大局限，如：與鐵的親和力強携龟，加工鋼時化學磨損嚴重兔跌，應用范圍主要局限于非鐵基材料；硬度極高峡蟋，復雜結構成形困難坟桅，只適合制造尺度較大、形狀相對簡單的車刀和飛切刀具蕊蝗，不適合制造帶螺旋槽的微細鉆頭和立銑刀仅乓。

　　(2)細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金

　　細晶粒與超細晶粒硬質(zhì)合金是指晶粒度大小在0.2～1.3μm之間的硬質(zhì)合金赖舟。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細化，硬質(zhì)相尺寸減小夸楣，粘結相分布更加均勻宾抓，材料硬度和抗彎強度都得以提高，擴大了硬質(zhì)合金的應用領域忱确。細晶粒與超細晶粒硬質(zhì)合金的以下特點較適合制作微細切削刀具：

　∑辽獭①晶粒極細

　　細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唐耿，表層顯微組織均勻犹蝇，幾何參數(shù)穩(wěn)定，尺寸一致性好囤嗡，有利于實現(xiàn)批量生產(chǎn)昵斤。

　　②硬度和抗彎強度“雙高”缤滑，彈性模量大

　　細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金突破了硬度與抗彎強度之間的逆向關系困邪，具有較好的綜合物理特性，如：耐磨性好瓤危，經(jīng)過較長切削行程后业馒，刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面；刃口強度高柳锣，材料去除順暢愧理，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量；斷裂韌性好折柠，微細切削過程中刀具磨損均勻，刀具可靠性好批狐；彈性模量大扇售，制備出的微細刀具剛性好，有利于保證加工精度嚣艇，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結構的形狀精度承冰。

　　③加工材料范圍廣泛

　　細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金對于各類工程材料的適應能力較強食零，其突出優(yōu)勢是可以加工鋼困乒，擴大了微細切削的應用領域》∫ィ基于細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金刀具的高強高硬鋼的微細切削具有廣闊的應用前景娜搂。

　　4微細切削刀具的設計要點

　　從設計角度分析，微細切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡單縮小吱抚，而是基于微細切削特征和面向具體加工需求的一類特種刀具“儆睿現(xiàn)以微細立銑刀和鉆頭為例考廉，說明微細切削刀具的設計要點和原則。

　　微細立銑削的軸向切削深度和微細鉆削的進給量均很小水搀，因此刀具結構可適當簡化涛帐。微細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構形式沟智。為保證刀具剛度梯匠，應盡量減少切削部分長度，長徑比不宜過大啡洁。

　　刀具刃口形狀應比較規(guī)則且半徑較小扶绒，以減小實際切削時的負前角效應。

　　由于微細立銑刀和鉆頭的直徑較小送服，容屑槽空間有限庸飘，碎狀切屑容易發(fā)生堵塞而導致刀具折斷，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)炼杉，不僅有利于排屑瞒帜，而且能提高刀具耐磨性。

　　5微細切削刀具的制備工藝

　　微細切削刀具的制備工藝是制約微細切削技術發(fā)展的難點之一踢漏。精密微細機械磨削和電火花線電極磨削(WEDG)征绸、聚焦離子束濺射(FIB)等特種加工方法是目前主要的微細刀具制備技術。

　　(1)精密微細磨削工藝

　　磨削工藝是比較成熟的刀具制備和修整方法俄占。微細刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪管怠，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼和硬質(zhì)合金材料的高效成形。該工藝的要點是：為防止小直徑刀具折斷缸榄，應合理確定刃磨時的磨削壓力渤弛。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甚带。

　　精密微細磨削工藝在一定程度上可以滿足微細切削刀具的制備要求她肯，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鹰贵。另外晴氨，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)量和精度水平碉输；磨削熱應力容易引起刀具表層微觀結構的變化籽前；微細立銑刀的同心度和直徑偏離等制造誤差有可能大于微細切削的單齒進給量，成形精度有待提高敷钾。

　　(2)電火花線電極磨削工藝

　　電火花線電極磨削(WEDG)工藝的材料蝕除機理與普通電火花加工相同枝哄，電極和工件的運動原理為：線狀電極在導向器上連續(xù)移動，導向器沿工件徑向作微進給僚尚，而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時作軸向進給骂妻。該運動方式的主要優(yōu)點是：線電極與工件之間為點接觸锭泼，容易實現(xiàn)微能放電；線電極始終沿導向器勻速運動篡氯，可以忽略線電極損耗對加工精度的影響焦凶。

　　通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度，配合軸向的精密進給控制即耕，WEDG工藝可以加工圓柱叁垫、圓錐、棱柱克导、螺旋槽符貌、平面等多種截面形狀。該方法的主要優(yōu)點是：刀具成形過程中無機械力作用肪斗，成形的尺寸精度和形狀精度較高钾排，為微細刀具制備提供了一種有效方法。

　　(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共螺，同樣可以用于微細刀具的制備该肴，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)量遠遠大于電子的質(zhì)量)作為離子源藐不，在離子柱頂端施加高密度的電場匀哄，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雏蛮，然后控制聚焦后的鎵離子束對工件進行轟擊涎嚼，將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子，產(chǎn)生濺射效應從而實現(xiàn)材料的去除挑秉。通常每個入射鎵離子可以去除3～5個工件原子法梯，可以精確控制材料的去除量。利用聚焦離子束濺射工藝犀概，可以對硬質(zhì)合金鹊汛、高速鋼、單晶金剛石等材料進行顯微加工阱冶。

　　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械力的作用滥嘴，刀具在制造過程中不會破損能眠，能夠制備出具有極小特征尺寸的微細刀具。

　　(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捍陌，德國卡爾斯魯厄大學對采用激光加工工藝進行微細刀具制備進行了探索糖窃。該工藝同樣無機械力作用，加工過程中無振動颁究，刀具不產(chǎn)生變形烦优，加工成本較低菱砚。目前存在的問題是成形表面較粗糙，加工表面質(zhì)量有待提高萤掷。

　　6結語

　　微細切削對于由金屬材料構成的微小型結構及零件的制造具有一系列原理優(yōu)勢理促，是微制造技術的重要發(fā)展方向之一。微細切削刀具是實施微細切削的必要條件焊轴，直接決定了微細切削技術的應用水平控栓。因此，微細切削刀具技術的研究和開發(fā)具有十分重要的工程應用價值相梭。隨著微細切削加工機理辽乎、刀具材料和刀具制備工藝等相關理論和技術的發(fā)展，微細切削刀具的實用化程度必將不斷提高涂滴，并成為推動微細切削發(fā)展的重要基礎技術友酱。

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡分享柔纵，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責缔杉，也不構成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布首量、編輯整理上傳壮吩，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權負責加缘。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻鸭叙、圖片、文字如涉及作品版權問題拣宏，請第一時間告知沈贝，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容，以保證您的權益勋乾！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn宋下。