微細(xì)切削是為滿足微小型結(jié)構(gòu)件的加工需求禾锤，在傳統(tǒng)切削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微制造技術(shù)缓捂，在微型注塑模具、光學(xué)元件锨蹄、集成電路杈鸵、計算機(jī)外設(shè)等多個領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景扶免。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吠冒，使之成為在形狀紧视、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)的支撐焙恬。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征硝荚，分析了微細(xì)切削對于切削刀具的基本要求，重點介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料琢窗、刀具設(shè)計要點和典型的刀具制備工藝焙蹭。

　　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)立銑削嫂伞、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削孔厉，使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車刀、平頭及球頭立銑刀帖努、飛刀和鉆頭撰豺。受尺度效應(yīng)的影響，微細(xì)切削的刀具磨(破)損、切削力污桦、切削表面形成等加工機(jī)理顯著區(qū)別于常規(guī)尺度切削亩歹，刀具所承受的切削抗力、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣凡橱。適用于微細(xì)切削的刀具應(yīng)滿足以下基本要求：

　　(1)整體尺度小小作，局部特征尺度微小針對微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架、平面梭纹、曲面躲惰、軸、槽晶襟、壁驳达、孔等各類微小型結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小笼肴、加工精度較高的特點缆瑟，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峦爪。

　　(2)切削刃鋒利在微細(xì)切削條件下嫁慌，為了實現(xiàn)極微量的材料去除，所采用的切削深度和進(jìn)給量通常在微米級辅蜡，切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數(shù)量級爆始，刀具實際前角將表現(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迅撑，切削刀具應(yīng)具有足夠鋒利的切削刃门贫。但是，受刀具材料特性和制造工藝的限制驼功，刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低玷秋。

　　(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)量递沪，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豺鼻。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)致加工表面惡化款慨，而且會削弱刀具強(qiáng)度儒飒。

　　(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)刀具檩奠，微細(xì)切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行桩了。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)載笆凌。

　　(5)剛性好圣猎，抗變形能力強(qiáng)為保證加工精度士葫，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送悔。微細(xì)立銑削時慢显，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)鉆削時欠啤，鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報廢荚藻。

　　(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)具有足夠高的硬度称桶，以保證其耐磨性硬碳。用已磨鈍的刀具進(jìn)行微細(xì)切削，不僅影響加工精度枚甫，并且會產(chǎn)生明顯的加工毛刺祈前，給表面精整帶來困難。

　　(7)動平衡精度高微細(xì)立銑削時胎拥，刀具跳動與進(jìn)給量的比值明顯大于常規(guī)切削誓享。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下，切削刃之間的切削負(fù)載極不均衡角术，切削力波動現(xiàn)象嚴(yán)重灰铅，將影響切削過程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性。為保證刀尖運動軌跡和加工精度持结，微細(xì)立銑刀概栗、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)行動平衡測試惋粟。

　　(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犁柜。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蛇损。

　　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)手段赁温。單晶金剛石坛怪、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細(xì)切削刀具材料淤齐。

　　(1)單晶金剛石單晶金剛石具有硬度高、彈性模量高袜匿、與工件材料摩擦系數(shù)低更啄、晶體結(jié)構(gòu)呈單晶等優(yōu)點，可以拋光加工出極鋒利的切削刃(刃口半徑可小于50～100nm)居灯，適合銅祭务、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)理怪嫌，通過采用合理的刀具參數(shù)和切削工藝參數(shù)义锥，利用單晶金剛石刀具可實現(xiàn)硅片柳沙、鍺、光學(xué)玻璃等脆性材料的延性域微細(xì)切削拌倍，能夠滿足微小型光學(xué)零件的精密加工需求赂鲤。另一方面，單晶金剛石刀具在微細(xì)切削中的應(yīng)用也受到很大局限京思，如：與鐵的親和力強(qiáng)涛闺，加工鋼時化學(xué)磨損嚴(yán)重，應(yīng)用范圍主要局限于鐵基材料须涕；硬度極高征离，復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難，只適合制造尺度較大肚让、形狀相對簡單的車刀和飛切刀具引继，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)合金级嘀。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細(xì)化保媒，硬質(zhì)相尺寸減小，粘結(jié)相分布更加均勻惫借，材料硬度和抗彎強(qiáng)度都得以提高辟昏，擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域。細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的以下特點較適合制作微細(xì)切削刀具：

　⊙呗濉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获列，制備出的刀具刃口鋒利，表層顯微組織均勻蛔垢，幾何參數(shù)穩(wěn)定击孩，尺寸一致性好，有利于實現(xiàn)批量生產(chǎn)鹏漆。

　」摇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)系艺玲，具有較好的綜合物理特性括蝠，如：耐磨性好，經(jīng)過較長切削行程后饭聚，刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面忌警；刃口強(qiáng)度高，材料去除順暢秒梳，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量法绵；斷裂韌性好，微細(xì)切削過程中刀具磨損均勻酪碘，刀具可靠性好熏萎；彈性模量大茵箩，制備出的微細(xì)刀具剛性好，有利于保證加工精度吃会，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結(jié)構(gòu)的形狀精度遇娜。

　　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)粱思，其突出優(yōu)勢是可以加工鋼区呕，擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域』鼻郏基于細(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)用前景海拾。

　　微細(xì)切削刀具的設(shè)計要點

　　從設(shè)計角度分析，微細(xì)切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡單縮小填阅，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∶疾保現(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)計要點和原則茶壹。微細(xì)立銑削的軸向切削深度和微細(xì)鉆削的進(jìn)給量均很小头趴，因此刀具結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡化。微細(xì)立銑刀和鉆頭不一定需要形狀完整的螺旋槽咆蒿，可以采用單切削刃的結(jié)構(gòu)形式东抹。為保證刀具剛度，應(yīng)盡量減少切削部分長度沃测，長徑比不宜過大缭黔。刀具刃口形狀應(yīng)比較規(guī)則且半徑較小，以減小實際切削時的負(fù)前角效應(yīng)蒂破。由于微細(xì)立銑刀和鉆頭的直徑較小馏谨，容屑槽空間有限，碎狀切屑容易發(fā)生堵塞而導(dǎo)致刀具折斷附迷，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)惧互，不僅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性喇伯。

　　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)展的難點之一喊儡。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)艘刚。

　　(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管宵。微細(xì)刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪截珍，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼和硬質(zhì)合金材料的高效成形悲尝。該工藝的要點是：為防止小直徑刀具折斷，應(yīng)合理確定刃磨時的磨削壓力惰疯。通過對砂輪施加振動吐梗，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑突仆。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，但受磨削力的影響桐赠，能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限穆垦。另外，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷涌粱，將直接影響加工表面質(zhì)量和精度水平辱郑；磨削熱應(yīng)力容易引起刀具表層微觀結(jié)構(gòu)的變化；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)給量侵选，成形精度有待提高糟糊。

　　(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，電極和工件的運動原理為：線狀電極在導(dǎo)向器上連續(xù)移動盐儿，導(dǎo)向器沿工件徑向作微進(jìn)給讳臣，而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時作軸向進(jìn)給。該運動方式的主要優(yōu)點是：線電極與工件之間為點接觸稠鼻，容易實現(xiàn)微能放電冈止；線電極始終沿導(dǎo)向器勻速運動，可以忽略線電極損耗對加工精度的影響候齿。通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度熙暴，配合軸向的精密進(jìn)給控制，WEDG工藝可以加工圓柱慌盯、圓錐怨咪、棱柱、螺旋槽润匙、平面等多種截面形狀诗眨。該方法的主要優(yōu)點是：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孕讳，為微細(xì)刀具制備提供了一種有效方法匠楚。

　　(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)刀具的制備厂财，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芋簿，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穴眨，形成數(shù)十keV的高能離子束扎瞧，通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點，然后控制聚焦后的鎵離子束對工件進(jìn)行轟擊料悟，將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子草颤，產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實現(xiàn)材料的去除。通常每個入射鎵離子可以去除3～5個工件原子墙弛，可以精確控制材料的去除量捏表。利用聚焦離子束濺射工藝法铝，可以對硬質(zhì)合金、高速鋼镊迟、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工级案。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)械力的作用箭溜，刀具在制造過程中不會破損溉贞，能夠制備出具有極小特征尺寸的微細(xì)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桦陨，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)行了探索味滞。該工藝同樣無機(jī)械力作用，加工過程中無振動钮呀，刀具不產(chǎn)生變形剑鞍，加工成本較低。目前存在的問題是成形表面較粗糙爽醋，加工表面質(zhì)量有待提高蚁署。

　　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)展方向之一蚂四。微細(xì)切削刀具是實施微細(xì)切削的必要條件光戈，直接決定了微細(xì)切削技術(shù)的應(yīng)用水平。因此遂赠，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)用價值久妆。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)展跷睦，微細(xì)切削刀具的實用化程度必將不斷提高筷弦，并成為推動微細(xì)切削發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)。

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