近年來酣溃，隨著玻璃材料的廣泛應(yīng)用，其用量也越來越大赊豌，但由于玻璃自身的特點，對其進行機械加工十分困難碘饼。最近熙兔，日本的科學家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，立銑刀對玻璃加工具有可行性候妻，本文主要介紹了用球頭立銑刀加工玻璃材料的切削特性及應(yīng)用實例。

　　玻璃屬于硬脆材料执摆，很早以前就被用于我們的日常生活中。近年來缅叔，隨著IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)達，玻璃作為光學器件的結(jié)構(gòu)材料趟蛋，其需求量不斷增加邪船。此外，在 材料開發(fā)颁殃、醫(yī)療辐杜、制藥、環(huán)保等各個領(lǐng)域显钙，玻璃作為檢查基板的制作材料，其用量也越來越大。這些構(gòu)件所需玻璃制品的生產(chǎn)展辞，可大致分為兩類：平面或曲面加工和微細形狀加工。前者通過化學機械研磨(CMP)工序罗珍，目前已確立了納米級的高水平表面加工技術(shù)洽腺。而對于后者覆旱，由于玻璃具有易碎蘸朋、易缺損的特性扣唱，以前藕坯，用機械方法直接進行加工被認為十分困難，因此一般是利用氫氟酸進行化學去除法加工炼彪。近年來，采用激光正歼、等離子等各種加工方法，也可以實現(xiàn)對軟玻璃的微細加工脖耽。 但是，這些加工方法所使用的設(shè)備復雜披锨，所需費用也相當高。大家都寄希望于開發(fā)出價格低廉卖寻、操作簡單的加工方法弯沥。

　　基于這種現(xiàn)狀除阐，近年來鸳辛，利用機械加工方法對玻璃材料進行切削試驗的研究以及技術(shù)開發(fā)不斷增多消贼。最近舒疚，日本的竹內(nèi)教授等人報告了利用立銑刀對玻璃進行三維形狀加工的研究异凹，其可行性和實用性值得期待兜畸。作者著眼于立銑刀的切削機理，對玻璃材料進行了10μm以上的溝槽加工試驗，以考察其切削特性伐蒂。本文介紹了用球頭立銑刀加工玻璃材料的切削特性及應(yīng)用實例。

　　立銑刀對玻璃的塑性-脆性混合模式切削

　　從刀具軸對應(yīng)的垂直斷面內(nèi)的刃口軌跡逸邦，以及刃口軌跡與后續(xù)刃口軌跡的干涉曲線模式可以看出，立銑刀在旋轉(zhuǎn)的同時由下向上運動缕减，每旋轉(zhuǎn)一次就將切除一部分材料。在這種加工過程中桥狡，刃口不斷地切入和切出(脫離)材料。因此总放，刃口每旋轉(zhuǎn)一次的切削厚度由0增加到最大切削厚度呈宇，然后又逐漸減少到0侥嫂。隨著 刀具的移動，其余部分隨后也被切削莽入。如果玻璃的切削厚度在1μm以下淀爆，就會與金屬一樣生成切屑押棋，在不發(fā)生脆性龜裂的情況下實現(xiàn)材料的去除。因此范益，將切削厚度保持在1μm以下天枣，可使加工表面不受到脆性損傷虫犀。在實際加工過程中，由于主軸的振動及刀具彎曲的影響证莺，并不能得到理想的切削軌跡熟什。在刃口切入部位和切出部位附近猜旬，加工表面的創(chuàng)建機理也存在同樣的情況脆栋。因此洒擦，要設(shè)定適當?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速和進給速度怕膛，才能實現(xiàn)對玻璃的塑性加工。

　　用球頭立銑刀加工時嘉竟，切削刃軌跡的旋轉(zhuǎn)半徑隨著刀具軸方向高度的提升而增大。因此洋侨，根據(jù)上述機理，從溝槽底部到溝槽上部形成加工表面時希坚，即使沿軸向的切深較大，加工表面也不會發(fā)生脆性損傷裁僧。但是，刃口底部的旋轉(zhuǎn)半徑過小智榆，切削速度很低。因此档低，為了提高切削性能，將刀具向進給方向傾斜一定角度梭甸，以 保持一定的切削速度來進行加工踏拓。

　　切削特性

　　選用光學顯微鏡中觀察標本所用的載物玻璃片(材料為無鉛玻璃蜜雏，成分為：72%SiO2，18%K2CO2孝摘，10%CaCO2)進行切削試驗，觀察球頭立銑刀在加工過程中所呈現(xiàn)出的特性妻往。在切削試驗中逢防，為了達到傾斜切削模式蒲讯，將由無刷電機驅(qū)動的精密主軸朝刀具進給方向傾斜45°灰署。在切削試驗中判帮，采用了在加工中心主軸頭上安裝工具系統(tǒng)夾持刀具的慣用方法溉箕，并將刀具傾斜悦昵。試驗所用切削刀具為直徑4mm、球頭曲率半徑為0.2mm的硬質(zhì)合金球頭立銑刀但指， 刀具表面涂覆有TiAlN涂層。為了給刃口提供充足的切削液棋凳，需將玻璃工件放置在桌上的水槽內(nèi)，在水中進行切削加工朵椿。

　　在轉(zhuǎn)速80000rpm、進給速度0.06mm/min俭宁、切深18μm的加工條件下，減采用干式切削和水中切削方式加工出的光學玻璃表面情況進行對比贷营。刀具由下方進給至上方，刃口從左側(cè)切入尿欲，右側(cè)切出。結(jié)果顯示煮沸，干式切削的加工表面質(zhì)量比濕式切削效果差，在溝槽部可以觀測到脆性損傷腾枣，且切削面不 完整，溝槽寬度不穩(wěn)定跨跨。與上述試驗所用的玻璃材質(zhì)不同，對經(jīng)過磨削加工的石英玻璃干燥后的試驗片和水浸后的試驗片的維氏硬度進行了比較勇婴。在韋布爾概率紙上的比較曲線表明，玻璃在附著水分后耕渴，與干燥時相比，機械強度有所降低橱脸。由此可認為，在水中進行切削時添诉，由于玻璃的機械性強度降低医寿，因而可以提高切削性。

　　球頭立銑刀以0°傾角(即未傾斜)和沿進給方向的45°傾角加工光學玻璃后(切削條件：轉(zhuǎn)速20000rpm蘑斧，切深0.018mm，進給速度 0.48mm/min;濕式切削)堡喳，二者加工表面質(zhì)量的對比結(jié)果表明，后者可獲得更好的加工效果勇湃。球頭立銑刀傾斜切削光學玻璃時(切削條件：轉(zhuǎn)速 80000rpm，切深0.020mm迅忙，進給速度0.48mm/min;濕式切削)，如果使用雙刃球頭立銑刀進行不傾斜加工姆巨，一個刀刃從材料中切出時乏尿，另一個刀刃就開始切入材料嫩碘。但是迂擅，如果將刀具傾斜臊啃，在切深小于刀具半徑的情況下症丁，就會存在切削力為零的情況旋圆，即兩個刀刃均未進行加工宠默，材料與刀具沒有接觸， 此時刀具就會冷卻灵巧。此外，由于實際切削時間較短刻肄，因此切削熱傳入刀具的時間也較短。如將刀具傾斜敏弃，雖然刃口的切削面積增大，但因切削時間變短麦到，冷卻時間增加，因此仍然能夠抑制刀具溫度上升隅要。

　　從主軸轉(zhuǎn)速對光學玻璃表面加工質(zhì)量影響的對比結(jié)果(切削條件：切深0.018mm蝴罪，每齒進給量12nm/齒;濕式切削)可知讥啤，當轉(zhuǎn)速增加時驱糜，刃 口切出(脫離工件材料)部位容易發(fā)生脆性損傷睬仿，且在40000rpm和80000rpm轉(zhuǎn)速下還可看到切屑粘著現(xiàn)象喧弦。從在各轉(zhuǎn)速下進行50mm切削加工時刀具磨損情況的比較可知竹小，在40000rpm和80000rpm轉(zhuǎn)速下吕迁，刀具磨損嚴重傲钳，刃口形狀發(fā)生了變化肿圾。而在20000rpm轉(zhuǎn)速下棺昵，刀具磨損較小， 刃口形狀穩(wěn)定销贝。

　　從在20000rpm轉(zhuǎn)速下樊展，切深為20μm時堆生，采用不同進給速度濕切光學玻璃時獲得的加工表面可以看出，當進給速度增加后淑仆，溝槽右側(cè)的脆性損傷面積擴大。在相同的切削條件下糯景，用FIB切斷順銑一側(cè)和逆銑一側(cè)的加工表面嘁圈，觀察到的各自斷面情況可知蟀淮，在順銑一側(cè)，沒有觀察到龜裂現(xiàn)象怠惶，加工表面情況良好;而在逆銑一側(cè)，表層數(shù)微米深度范圍以內(nèi)策治，可以看到沿切削方向有擴展的裂紋。因此肄埠，用立銑刀對玻璃進行溝槽加工時知狂，采用切削厚度減少的逆銑切削模式容易發(fā)生脆性損傷。

　　從在各種進給速度下和绳，光學玻璃加工表面粗糙度的變化情況(切削條件：轉(zhuǎn)速20000rpm啰痒，切深0.018mm;濕式切削)可知，進給速度越 小挺教，表面粗糙度越好。但是阎肌，當進給速度小于0.24mm/min時，加工表面質(zhì)量則惡化将遮。在進給速度分別為0.06mm/min和0.48mm/min時 獲得的加工表面質(zhì)量對比情況可知，當進給速度為0.06mm/min時旅急，加工表面可以看到大面積的劃痕;也就是說，如進給速度過小藐吮，因刀具的彎曲會引起漏切，旋轉(zhuǎn)的刃口不能一次性切掉材料谣辞，需經(jīng)過數(shù)次切削才能不規(guī)則地將材料去除。因此泥从，如進給速度過小句占，加工效果也不好。

　　玻璃立銑加工的應(yīng)用

　　在對光學玻璃進行深度為20μm(寬度196μm)的縱溝和深度為15μm(寬度152μm)的橫溝所構(gòu)成的直角溝槽加工實例中躯嫉，所用刀具為直 徑為0.4mm和0.5mm的球頭立銑刀纱烘，主軸轉(zhuǎn)速20000rpm祈餐，進給速度0.48mm/min，濕式切削萤翔。制作該產(chǎn)品是為了提高DNA微陣列的檢查 精度(相當于溝槽加工后剩余面積的10×10個微表面上將附著定量的DNA，多余的DNA將從溝部溢出)讼谅。可以看出，切削后的加工表面沒有脆性損傷割懊，情況良好。

　　檢查基板所要求的微細溝槽深度一般在100-200μm左右涤玷。如果忽略刀具本身彎曲度的話漓琢，在軸向高度上就不能按切削機理來考慮。因此稿施，要設(shè)定適當?shù)那邢鳁l件，即使是進行一次切削100μm以上的加工鹃两，也可以在不損壞玻璃的情況下實現(xiàn)加工舀凛。

　　以上介紹了玻璃材料的高效立銑加工實例俊扳。與一般的金屬切削相比猛遍，加工玻璃采用的切削進給速度相當?shù)汀５前每荆c像劃痕試驗的刮削方式等切削加工相比，從可以一次性深切削加工這一點來說腌紧，它確實能夠?qū)崿F(xiàn)玻璃的高效加工。

　　以前沒有考慮過能采用立銑刀壁肋、以刃口切入切出方式對玻璃材料進行銑削加工，但是崎亚，如本文介紹所表明的，只要正確阶糖、靈活地采用切削機理，就可以在不損壞玻璃的前提下實現(xiàn)其切削加工秃练。

　　為了提高玻璃立銑加工的實用性和加工效率，需要注意以下兩點：

　　(1)合理設(shè)計適用于玻璃切削的立銑刀切削刃形狀雁痪。

　　(2)刀具應(yīng)沿切削進給方向保持傾斜姿態(tài)，靈活地進行各種溝型的加工猴襟。

　　對于第一點，2006年與日立工具共同開發(fā)了8刃球頭立銑刀稍途。對于第二點，在2005-2006年械拍，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省下屬單位試制了加工機械，證明了其可行性坷虑。今后的課題主要是對刀具材料(尤其是涂層材料)的研究埂奈，以求提高刀具的耐磨損性能。

　　只要有能使刀具傾斜的設(shè)施條件账磺，本文介紹的切削方法很容易引入機械加工生產(chǎn)現(xiàn)場，不需要使用其他特殊設(shè)備绑谣。

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