1引言

　　微細(xì)切削是為滿足微小型結(jié)構(gòu)件的加工需求终吼，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、光學(xué)元件衷屋、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)用前景也控。微細(xì)切削的基本原理是在精密(或超精密)切削機(jī)床上尔粮，利用微細(xì)切削刀具去除工件上的多余材料，使之成為在形狀用省、精度和表面質(zhì)量等方面符合要求的微小型精密零件激靡。

　　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。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征败民，分析了微細(xì)切削對于切削刀具的基本要求娩纱，重點(diǎn)介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料、刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)和典型的刀具制備工藝坡驹。

　　2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)車削磨豁、微細(xì)立銑削、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削四爹，使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車刀顾翼、平頭及球頭立銑刀、飛刀和鉆頭奈泪。

　　受尺度效應(yīng)的影響适贸，微細(xì)切削的刀具磨(破)損、切削力段磨、切削表面形成等加工機(jī)理顯著區(qū)別于常規(guī)尺度切削取逾，刀具所承受的切削抗力、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣苹支。適用于微細(xì)切削的刀具應(yīng)滿足以下基本要求：

　　(1)整體尺度小砾隅，局部特征尺度微小

　　針對微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架、平面债蜜、曲面晴埂、軸、槽寻定、壁儒洛、孔等各類微小型結(jié)構(gòu)精耐，為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小、加工精度較高的特點(diǎn)琅锻，以及避免與工件之間的干涉竿饭，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。

　　(2)切削刃鋒利

　　在微細(xì)切削條件下肴泥，為了實(shí)現(xiàn)極微量的材料去除不凳，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)量級耻宋，刀具實(shí)際前角將表現(xiàn)為較大的負(fù)值腿弛。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雁巾。但是躬摆，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岔霞。

　　(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阻洋。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康局。較差的表面質(zhì)量不僅會增加微細(xì)切削時(shí)的摩擦阻力概尝，導(dǎo)致加工表面惡化，而且會削弱刀具強(qiáng)度蟆盐。

　　(4)強(qiáng)度高承边，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)行石挂。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)特性博助，能夠承受微細(xì)切削時(shí)的高頻沖擊負(fù)載。

　　(5)剛性好痹愚，抗變形能力強(qiáng)

　　為保證加工精度富岳，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拯腮。微細(xì)立銑削時(shí)窖式，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(shí)动壤，鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢萝喘。

　　(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)具有足夠高的硬度琼懊，以保證其耐磨性阁簸。用已磨鈍的刀具進(jìn)行微細(xì)切削，不僅影響加工精度掩纺，并且會產(chǎn)生明顯的加工毛刺伏嬉，給表面精整帶來困難碟姓。

　　(7)動(dòng)平衡精度高

　　微細(xì)立銑削時(shí)，刀具跳動(dòng)與進(jìn)給量的比值明顯大于常規(guī)切削怕翘。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下易传，切削刃之間的切削負(fù)載極不均衡，切削力波動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重钉栈，將影響切削過程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性璧酣。為保證刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡和加工精度，微細(xì)立銑刀滥庭、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)平衡測試衔系。

　　(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胞讯。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砾褂。

　　3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)手段炸涝。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)切削刀具材料馍资。

　　(1)單晶金剛石

　　單晶金剛石具有硬度高筒主、彈性模量高、與工件材料摩擦系數(shù)低鸟蟹、晶體結(jié)構(gòu)呈單晶等優(yōu)點(diǎn)乌妙，可以拋光加工出極鋒利的切削刃(刃口半徑可小于50～100nm)，適合銅建钥、鋁等有色金屬材料的精密微細(xì)切削藤韵。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)熊经，利用單晶金剛石刀具可實(shí)現(xiàn)硅片泽艘、鍺、光學(xué)玻璃等脆性材料的延性域微細(xì)切削镐依，能夠滿足微小型光學(xué)零件的精密加工需求匹涮。另一方面，單晶金剛石刀具在微細(xì)切削中的應(yīng)用也受到很大局限槐壳，如：與鐵的親和力強(qiáng)然低，加工鋼時(shí)化學(xué)磨損嚴(yán)重，應(yīng)用范圍主要局限于非鐵基材料福咙；硬度極高铣飘，復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難，只適合制造尺度較大秋孕、形狀相對簡單的車刀和飛切刀具卤酬，不適合制造帶螺旋槽的微細(xì)鉆頭和立銑刀膛躁。

　　(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。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細(xì)化枕娱，硬質(zhì)相尺寸減小赢虚，粘結(jié)相分布更加均勻，材料硬度和抗彎強(qiáng)度都得以提高叶素，擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域舰秀。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屹请，制備出的刀具刃口鋒利枚鸭，表層顯微組織均勻，幾何參數(shù)穩(wěn)定癣臭，尺寸一致性好饵较，有利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

　≡饴浮②硬度和抗彎強(qiáng)度“雙高”循诉，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撇他，如：耐磨性好茄猫，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困肩；刃口強(qiáng)度高划纽，材料去除順暢，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量僻弹；斷裂韌性好阿浓，微細(xì)切削過程中刀具磨損均勻，刀具可靠性好蹋绽；彈性模量大芭毙，制備出的微細(xì)刀具剛性好，有利于保證加工精度卸耘，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結(jié)構(gòu)的形狀精度魁跷。

　　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)笙铸，其突出優(yōu)勢是可以加工鋼洗念，擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域〗碧ぃ基于細(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)用前景提蕴。

　　4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∽屏停現(xiàn)以微細(xì)立銑刀和鉆頭為例卦唇，說明微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和原則。

　　微細(xì)立銑削的軸向切削深度和微細(xì)鉆削的進(jìn)給量均很小丐浑，因此刀具結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡化欢公。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)形式卓据。為保證刀具剛度共胎，應(yīng)盡量減少切削部分長度，長徑比不宜過大捅位。

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

　　由于微細(xì)立銑刀和鉆頭的直徑較小艇搀，容屑槽空間有限朝群，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)中符，不僅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性誉帅。

　　5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)之一淀散。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)蚜锨。

　　(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档插。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亚再。該工藝的要點(diǎn)是：為防止小直徑刀具折斷郭膛，應(yīng)合理確定刃磨時(shí)的磨削壓力。通過對砂輪施加振動(dòng)氛悬，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑盏酵。

　　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，但受磨削力的影響勃撼，能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限蚊霞。另外，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷鳞集，將直接影響加工表面質(zhì)量和精度水平姆盲；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)給量祷濒，成形精度有待提高盒咪。

　　(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(dòng)原理為：線狀電極在導(dǎo)向器上連續(xù)移動(dòng)，導(dǎo)向器沿工件徑向作微進(jìn)給瘟麻，而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)作軸向進(jìn)給右婚。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，容易實(shí)現(xiàn)微能放電衅快；線電極始終沿導(dǎo)向器勻速運(yùn)動(dòng)堪俩，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)與分度般甲，配合軸向的精密進(jìn)給控制肋乍，WEDG工藝可以加工圓柱、圓錐敷存、棱柱墓造、螺旋槽、平面等多種截面形狀锚烦。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：刀具成形過程中無機(jī)械力作用觅闽，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涮俄。

　　(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)蛉拙，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彻亲，其原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量)作為離子源孕锄，在離子柱頂端施加高密度的電場，形成數(shù)十keV的高能離子束苞尝，通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點(diǎn)畸肆，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(dòng)量傳遞給工件中的原子或分子佛雀，產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料的去除闺酬。通常每個(gè)入射鎵離子可以去除3～5個(gè)工件原子，可以精確控制材料的去除量逃净。利用聚焦離子束濺射工藝瑟捡，可以對硬質(zhì)合金、高速鋼山刨、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工哲陷。

　　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)械力的作用随港，刀具在制造過程中不會破損墙议，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溃登，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)行了探索久挖。該工藝同樣無機(jī)械力作用缎苞，加工過程中無振動(dòng)，刀具不產(chǎn)生變形歹对，加工成本較低售碳。目前存在的問題是成形表面較粗糙，加工表面質(zhì)量有待提高绞呈。

　　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)勢贸人，是微制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。微細(xì)切削刀具是實(shí)施微細(xì)切削的必要條件佃声，直接決定了微細(xì)切削技術(shù)的應(yīng)用水平艺智。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)值圾亏。隨著微細(xì)切削加工機(jī)理十拣、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志鹃，并成為推動(dòng)微細(xì)切削發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)夭问。

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