1 引言

　　微細(xì)切削是為滿足微小型結(jié)構(gòu)件的加工需求北捣，在傳統(tǒng)切削基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微制造技術(shù)膝但，在微型注塑模具荒辕、光學(xué)元件、集成電路器罐、計(jì)算機(jī)外設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景梢为。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轰坊，使之成為在形狀铸董、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)的支撐衰倦。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征袒炉，分析了微細(xì)切削對(duì)于切削刀具的基本要求旁理，重點(diǎn)介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料验恕、刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)和典型的刀具制備工藝。

　　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)車削个宾、微細(xì)立銑削梅砰、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削，使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車刀颁音、平頭及球頭立銑刀姨篮、飛刀和鉆頭。

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

　÷撒辍（1）整體尺度小窍颗，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、平面倾祈、曲面吸占、軸、槽凿宾、壁矾屯、孔等各類微小型結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小初厚、加工精度較高的特點(diǎn)件蚕，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惧所。

　≈枳（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，所采用的切削深度和進(jìn)給量通常在微米級(jí)纽绍，切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數(shù)量級(jí)蕾久，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拌夏，切削刀具應(yīng)具有足夠鋒利的切削刃僧著。但是，受刀具材料特性和制造工藝的限制辰诉，刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低圣治。

　　（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敏袄。為了獲得良好的微細(xì)切削精度和表面質(zhì)量辙紧，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。較差的表面質(zhì)量不僅會(huì)增加微細(xì)切削時(shí)的摩擦阻力坚为，導(dǎo)致加工表面惡化苟可，而且會(huì)削弱刀具強(qiáng)度。

　∧蛉啤（4）強(qiáng)度高想阎，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，微細(xì)切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行唧整。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)特性瓤梦，能夠承受微細(xì)切削時(shí)的高頻沖擊負(fù)載。

　“」怠（5）剛性好辙使，抗變形能力強(qiáng)

　　為保證加工精度，微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的剛性魔种，以減小切削力作用下的變形和回彈析二。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节预；微細(xì)鉆削時(shí)叶摄，鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢。

　“材狻（6）耐磨性好蛤吓，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，以保證其耐磨性糠赦。用已磨鈍的刀具進(jìn)行微細(xì)切削会傲，不僅影響加工精度，并且會(huì)產(chǎn)生明顯的加工毛刺拙泽，給表面精整帶來困難淌山。

　　（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)切削泼疑。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下德绿，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)重闸声，將影響切削過程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性彻盐。為保證刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡和加工精度，微細(xì)立銑刀贿叉、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)具有極高的動(dòng)平衡精度晕忙，使用前必須隨同刀柄系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試。

　【晃场（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膛画。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汛欺。

　　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)手段尾杆。單晶金剛石设塑、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細(xì)切削刀具材料琉语。

　　（1）單晶金剛石

　　單晶金剛石具有硬度高譬奈、彈性模量高密哈、與工件材料摩擦系數(shù)低、晶體結(jié)構(gòu)呈單晶等優(yōu)點(diǎn)莺戒，可以拋光加工出極鋒利的切削刃（刃口半徑可小于50～100nm）伴嗡，適合銅、鋁等有色金屬材料的精密微細(xì)切削从铲。根據(jù)延性域加工機(jī)理瘪校，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(shí)現(xiàn)硅片名段、鍺阱扬、光學(xué)玻璃等脆性材料的延性域微細(xì)切削劲阎，能夠滿足微小型光學(xué)零件的精密加工需求盘挠。另一方面，單晶金剛石刀具在微細(xì)切削中的應(yīng)用也受到很大局限宪拥，如：與鐵的親和力強(qiáng)信夫，加工鋼時(shí)化學(xué)磨損嚴(yán)重窃蹋，應(yīng)用范圍主要局限于非鐵基材料；硬度極高静稻，復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難警没，只適合制造尺度較大、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)鉆頭和立銑刀患赏。

　∮麓（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)化太队，硬質(zhì)相尺寸減小淑助，粘結(jié)相分布更加均勻，材料硬度和抗彎強(qiáng)度都得以提高痢玖，擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域光稽。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氨案，制備出的刀具刃口鋒利也拳，表層顯微組織均勻，幾何參數(shù)穩(wěn)定锻刺，尺寸一致性好绝迁，有利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

　《妗②硬度和抗彎強(qiáng)度“雙高”鹃栽，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躯畴，如：耐磨性好民鼓，經(jīng)過較長(zhǎng)切削行程后，刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面蓬抄；刃口強(qiáng)度高丰嘉，材料去除順暢，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量嚷缭；斷裂韌性好饮亏，微細(xì)切削過程中刀具磨損均勻，刀具可靠性好阅爽；彈性模量大路幸，制備出的微細(xì)刀具剛性好，有利于保證加工精度优床，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結(jié)構(gòu)的形狀精度劝赔。

　　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(duì)于各類工程材料的適應(yīng)能力較強(qiáng)胆敞，其突出優(yōu)勢(shì)是可以加工鋼诸痢，擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域≡臀啵基于細(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)用前景斜回。

　　4 微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　從設(shè)計(jì)角度分析簇寻，微細(xì)切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡(jiǎn)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〉史。現(xiàn)以微細(xì)立銑刀和鉆頭為例市通，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)給量均很小哗励，因此刀具結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡(jiǎn)化苫瘾。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)形式界橱。為保證刀具剛度湃彻，應(yīng)盡量減少切削部分長(zhǎng)度，長(zhǎng)徑比不宜過大丛君。

　　刀具刃口形狀應(yīng)比較規(guī)則且半徑較小短酵，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修噪，容屑槽空間有限查库，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(rùn)滑膜來減小刀具與工件之間的摩擦系數(shù)黄琼，不僅有利于排屑樊销，而且能提高刀具耐磨性。

　　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)之一适荣。精密微細(xì)機(jī)械磨削和電火花線電極磨削（WEDG）现柠、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)。

　〕诿（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。微細(xì)刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪比然，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼和硬質(zhì)合金材料的高效成形丈氓。該工藝的要點(diǎn)是：為防止小直徑刀具折斷，應(yīng)合理確定刃磨時(shí)的磨削壓力强法。通過對(duì)砂輪施加振動(dòng)万俗，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑。

　　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梭唆，但受磨削力的影響辆泄，能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限。另外踱陡，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷铐坠，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)的變化荸跃；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)給量遂涛，成形精度有待提高悦阿。

　　（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乏乔，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)丝板，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)給蜂镇。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)接觸吓篙，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)给酥，可以忽略線電極損耗對(duì)加工精度的影響柒浙。

　　通過控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度，配合軸向的精密進(jìn)給控制章姓，WEDG工藝可以加工圓柱佳遣、圓錐、棱柱凡伊、螺旋槽零渐、平面等多種截面形狀。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：刀具成形過程中無機(jī)械力作用系忙，成形的尺寸精度和形狀精度較高诵盼，為微細(xì)刀具制備提供了一種有效方法。

　∫埂（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)风宁，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蛹疯，其原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量）作為離子源戒财，在離子柱頂端施加高密度的電場(chǎng)，形成數(shù)十keV的高能離子束捺弦，通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點(diǎn)饮寞，然后控制聚焦后的鎵離子束對(duì)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脂槽，產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料的去除拜岂。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现碰。利用聚焦離子束濺射工藝庵偏，可以對(duì)硬質(zhì)合金、高速鋼现辑、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工母掀。

　　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)械力的作用磁姻，刀具在制造過程中不會(huì)破損密梯，能夠制備出具有極小特征尺寸的微細(xì)刀具桌苔。

　　（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安影，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)行了探索腻喇。該工藝同樣無機(jī)械力作用，加工過程中無振動(dòng)膏蚓，刀具不產(chǎn)生變形瓢谢，加工成本較低。目前存在的問題是成形表面較粗糙驮瞧，加工表面質(zhì)量有待提高氓扛。

　　6 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)，是微制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一论笔。微細(xì)切削刀具是實(shí)施微細(xì)切削的必要條件采郎，直接決定了微細(xì)切削技術(shù)的應(yīng)用水平。因此狂魔，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)值蒜埋。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)展最楷，微細(xì)切削刀具的實(shí)用化程度必將不斷提高整份，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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