微切削加工技術(shù)

國(guó)際金屬加工網(wǎng)

1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)切削加工提出了越來(lái)越高的要求呢蔫，一是要滿足越來(lái)越高的加工效率勃拢、加工精度和表面質(zhì)量绑僵；其次是要求經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)性（即綠色生產(chǎn)要求）央改。為了滿足這些要求毕嘹，研究人員已做了大量的研究工作，開(kāi)發(fā)出了多種先進(jìn)切削加工技術(shù)仑锥，如高速切削沸幅、干切削、硬切削等德州。

　　微機(jī)電系統(tǒng)最早是上世紀(jì)60年代對(duì)集成電路（IC）制造與材料研究而衍生出來(lái)的一門(mén)新領(lǐng)域聪弊，因此開(kāi)始發(fā)展時(shí)使用的制造技術(shù)必須遵循集成電路的制造要求，所采用的材料也必須符合集成電路的制造標(biāo)準(zhǔn)窝革，如采用多晶硅购城、單晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料虐译，或是使用鋁瘪板、銅等金屬吴趴。但隨著微機(jī)電系統(tǒng)和微機(jī)械的多樣化發(fā)展，傳統(tǒng)上符合集成電路制造要求的材料有其局限性侮攀，對(duì)于擁有不同機(jī)械性能與電子特性微元件的需求也顯得越來(lái)越迫切锣枝。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為全球增長(zhǎng)最快的工業(yè)之一，需要制造極小的高精密零件的工業(yè)兰英，例如生物撇叁、醫(yī)療裝備、光學(xué)以及微電子（包括移動(dòng)通信和電腦組件）等都有大量的需求畦贸。然而税朴，并非每種應(yīng)用在微機(jī)電系統(tǒng)或微機(jī)械上的微元件都能利用集成電路技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)，因此新的材料和新的微制造技術(shù)以及微切削技術(shù)陸續(xù)被研究發(fā)展出來(lái)家制。

2 尺度劃分

　　對(duì)于尺度的劃分正林，不同的研究機(jī)構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見(jiàn)解裕消。材料學(xué)專(zhuān)家認(rèn)為：10的－12次方m～10的－9次方m之間的尺度屬于量子力學(xué)研究范疇桃铛；10的－9次方m～10的－6次方m之間的尺度屬于納觀力學(xué)研究范疇；10的－6次方m～10的－3次方m之間的尺度屬于介觀力學(xué)研究范疇顶怠；10的－3次方m～10的0次方m之間的尺度屬于微觀力學(xué)研究范疇假磺；大于10的0次方m的尺度屬于宏觀力學(xué)研究范疇。而機(jī)械加工學(xué)科常常以10的－6次方m（1μm）為加工誤差尺度腻学，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來(lái)衡量（1絲=10μm）努扶，精密加工的誤差尺度可達(dá)到微米級(jí)。由此可見(jiàn)：材料學(xué)以研究對(duì)象的特征長(zhǎng)度作為尺度劃分的依據(jù)券妹，機(jī)械加工領(lǐng)域以研究對(duì)象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)晦了，從而把機(jī)械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等啰氏，并沒(méi)有涉及到工件加工特征尺度的大小普统。

　　精密加工根據(jù)工件加工特征的尺度可分為宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工赘双。通常的機(jī)械加工大多是指宏尺度加工埋村，零件的技術(shù)性能要求反映在宏觀尺度或表層結(jié)構(gòu)上，加工特征的尺寸相對(duì)較大祝峻，加工的范疇較廣魔吐；微尺度加工是指微納米加工，主要用精密和超精密加工技術(shù)莱找、微細(xì)加工技術(shù)和納米加工技術(shù)來(lái)加工酬姆，強(qiáng)調(diào)了“極薄切削”和微觀結(jié)構(gòu)，加工特征的尺寸相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，在微米轴踱、亞微米和納米級(jí)症脂，研究的重點(diǎn)是物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)；介于兩者之間的稱(chēng)之為中尺度加工或中尺寸加工淫僻。

　　目前有一些機(jī)電產(chǎn)品既不像納米技術(shù)中微型機(jī)電系統(tǒng)（微型機(jī)械）那樣小诱篷，又不像普通機(jī)電產(chǎn)品那樣大，為便于區(qū)分雳灵，可稱(chēng)之為“微小機(jī)械”棕所。微小機(jī)械的加工特征跨越了多個(gè)不同尺度等級(jí)，既包含10的－3次方m～10的0次方m之間的微觀尺度悯辙，又包含10的－6次方m～10的－3次方m之間的介觀尺度地垢，還包含10的－9次方m～10的－6次方m之間的納觀尺度。這里應(yīng)該指出的是预署，目前大部分微細(xì)制造技術(shù)所能達(dá)到的加工精度還在亞微米至微米范圍尊伟，相距通常所說(shuō)的納米尺度（10的－10次方m～10的－7次方m）還有較大差距。

　　微小機(jī)械無(wú)論在國(guó)防聂歹、航空野疟、航天和民用中都有較大市場(chǎng)，例如微小人造衛(wèi)星乘步、飛機(jī)廷碴、機(jī)床、汽輪發(fā)電機(jī)組榨降、車(chē)輛就用、槍械等。從產(chǎn)品發(fā)展來(lái)看扇牢，小型化是其方向之一霉处，如照相機(jī)、攝像機(jī)牍懂、投影儀鸵隧、手機(jī)等都越做越小，而功能卻不斷提高和完善意推。因此，微小機(jī)械加工理論和技術(shù)的研究有著廣闊的應(yīng)用前景珊蟀。

3 微制造技術(shù)

　　目前常用于微機(jī)電系統(tǒng)方面的微制造技術(shù)（Micromanufacturing）可分為對(duì)硅基材料以及非硅基材料的微加工菊值，基本上又可分為四類(lèi)：

　　（1）刻蝕技術(shù)

　　該技術(shù)利用干刻蝕法育灸、濕刻蝕法或光刻蝕法對(duì)被加工材料進(jìn)行等向或非等向刻蝕去除加工腻窒，通常可對(duì)被加工材料進(jìn)行體形微加工（bulk micromachining）或表面微加工（surface micromachining）《樱刻蝕技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高瓦哎，且有大批量生產(chǎn)能力，可與IC制造相容柔逼，技術(shù)已較成熟蒋譬；缺點(diǎn)是被加工材料固定、加工速度慢愉适、刻蝕劑危險(xiǎn)性高寓蔼、所用設(shè)備資金投入大，且對(duì)加工環(huán)境要求高等韩艾。

　∩噶（2）薄膜技術(shù)

　　該技術(shù)主要用薄膜成長(zhǎng)技術(shù)和刻蝕技術(shù)加工所需的微結(jié)構(gòu)，一般可用于2D表面微加工吭芯，主要應(yīng)用在VLSI方面的微元件制造通溜。薄膜技術(shù)除了技術(shù)已較成熟、極佳的IC相容性兰歼，不需要特別的組裝技術(shù)就可以大量生產(chǎn)微元件外溪毕，其缺點(diǎn)與刻蝕技術(shù)相同。

　〗玫凇（3）LIGA技術(shù)

　　該技術(shù)結(jié)合了X-Ray深刻技術(shù)（Deep X-Ray lithography）遍沟、微電鑄翻模（Micro electroforming）及微成形（Micro molding）等技術(shù)，LIGA微加工制造技術(shù)除具有精度高浑擎、表面粗糙度好倚务、IC電路相容性佳、可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)外沼死，LIGA技術(shù)比IC制造技術(shù)能加工更為多種的材料以及具有更佳的高深寬比3D微結(jié)構(gòu)制造能力着逐。然而，LIGA技術(shù)最大的缺點(diǎn)是制造所需的同步輻射X光費(fèi)用極為昂貴意蛀，此外X光光罩的制作成本與時(shí)間的耗費(fèi)也很高耸别，因此在亞微米（submicron）尺度的微結(jié)構(gòu)中已有利用價(jià)格較為便宜的類(lèi)LIGA技術(shù)來(lái)取代X光的刻蝕，例如利用替代性光源的紫外光微影县钥、準(zhǔn)分子激光加工以及反應(yīng)式離子刻蝕（reactive ion etching秀姐，RIE）等技術(shù)，這些替代性技術(shù)的加工精度雖然沒(méi)有LIGA技術(shù)高若贮，但光源設(shè)備小省有、價(jià)格亦較為便宜。

　∏绰蟆（4）微機(jī)械加工技術(shù)

　　除上述（1）～（3）類(lèi)的微制造技術(shù)外蠢沿，一般大都可歸于此類(lèi)加工技術(shù)伸头，微機(jī)械加工技術(shù)又可分為微切削加工技術(shù)、非切削加工以及特種加工等三大類(lèi)舷蟀。本文主要介紹微切削技術(shù)恤磷。

4 微切削加工技術(shù)

　　微切削是一種快速且低成本的微小零件機(jī)械加工方式，而且不受材料的限制戈勾，使用CNC加工中心可實(shí)現(xiàn)2D绷煎、2.5D簡(jiǎn)單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微加工，通過(guò)使用此法加工出的微小模具可達(dá)到批量生產(chǎn)的目的元八。以下主要介紹微切削裝備玻桶、刀具、切削機(jī)理聪萨。

　　4.1 微切削裝備

　　零件的尺寸和加工質(zhì)量（加工精度假盼、表面粗糙度、重復(fù)精度）與其加工機(jī)床的性能（如精度盘另、動(dòng)態(tài)特性等）密切相關(guān)惋探。機(jī)床的性能主要與主軸、工作臺(tái)和控制系統(tǒng)有關(guān)巩荧，微切削所用刀具的直徑非常小抗海，為了提高加工效率，微切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速非掣Ｄ停快葫羡。為滿足扭矩要求，通常采用電主軸和混合角接觸軸承昌罩，這種軸承由于摩擦生熱造成熱膨脹哭懈，最高轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)6萬(wàn)r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速更高時(shí)茎用，應(yīng)采用空氣軸承遣总，但空氣軸承提供的扭矩較小，目前空氣軸承主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20萬(wàn)r/min轨功。為了獲得較高的切削速度旭斥，主軸的錐度與高速切削刀柄的錐度一致。微切削精密機(jī)床的工作臺(tái)一般是由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的古涧，與普通驅(qū)動(dòng)如滾珠絲杠相比垂券，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有摩擦和電磁耦合產(chǎn)生的累積誤差，也沒(méi)有由于磨損造成的精度損失羡滑，不存在間隙圆米，而且能提供較大的加速度，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度可達(dá)±1μm啄栓。微切削精密機(jī)床的剛度好娄帖，振動(dòng)小，而且大都帶有各種傳感器和執(zhí)行器卜判。但是由于其尺寸較大仔省，對(duì)周?chē)h(huán)境的控制要求較嚴(yán)格，使得加工微小零件的成本較高众攻。

　　由于微小機(jī)械產(chǎn)品的加工特征尺寸很小红集，研究人員正嘗試開(kāi)發(fā)微小機(jī)床來(lái)加工微小零件。微小機(jī)床的體積尺寸非常小条稍，可節(jié)約大量的原材料判懒，因此，可使用性能較好的材料來(lái)制造悟惰。另外刀雳，由于質(zhì)量小，微小機(jī)床的固有頻率比普通機(jī)床高估曾，這使得微小機(jī)床可以穩(wěn)定地在較寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用而不發(fā)生顫振粪世。即使發(fā)生振動(dòng)，在同樣載荷下微小機(jī)床的振幅也小黔章。微小機(jī)床的定位精度可達(dá)到納米尺度胁塞，加工精度為亞微米。

　　微小機(jī)床的發(fā)展引入了一個(gè)新的概念即“微型化工廠”压语。微型化工廠占地面積非常小啸罢，可放置于任何建筑物內(nèi)的任何地方，甚至在戰(zhàn)場(chǎng)上或空間站內(nèi)應(yīng)用胎食，而對(duì)于普通機(jī)床扰才，這幾乎是不可能的。微型化工廠消耗的能源非常少斥季，大大地節(jié)約了能源的使用训桶。微型化工廠內(nèi)有不同的生產(chǎn)單元，如微型車(chē)床酣倾、微型銑床等裝備舵揭。

　　微小機(jī)床的發(fā)展目前面臨著一系列挑戰(zhàn)，如需開(kāi)發(fā)尺寸足夠小的傳感器和執(zhí)行器躁锡，以便能安裝于微小機(jī)床內(nèi)午绳。微小機(jī)床的剛性不如微切削精密機(jī)床，另外映之，為防止外界干擾拦焚，微小機(jī)床需要加隔振裝置來(lái)滿足加工精度要求。降低微型化工廠的加工成本和開(kāi)發(fā)多功能復(fù)合微小機(jī)床是未來(lái)微切削裝備的發(fā)展趨勢(shì)颜要。

　　4.2 微切削刀具

　　在微切削加工技術(shù)領(lǐng)域里荣吻，如何將刀具材料晶粒細(xì)化和刀具微小化哭夺，以便加工出微型工件，一直是研究的重點(diǎn)所在押辽。

　　微切削的切削深度和進(jìn)給量都非常小卷撞，因此單位切削面積上的切削力較大，同時(shí)產(chǎn)生很大的熱量饵忙，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高盐文，因此在微切削對(duì)刀具材料的性能要求較高，需采用耐磨岖疲、耐熱咏摔、高溫硬度高、高溫強(qiáng)度好的刀具材料极阴，隨著回轉(zhuǎn)最小直徑的微小化昙百，要求回轉(zhuǎn)刀具的抗彎強(qiáng)度、剛性與斷裂韌性均應(yīng)較高钥屈。微切削刀具材料以硬質(zhì)合金（碳化鎢）悟民、PCBN（立體氮化硼）和金剛石為主。微米級(jí)以下尺寸的鋁合金等有色金屬加工主要采用單晶金剛石刀具篷就，單晶金剛石刀具可用來(lái)切削加工精度達(dá)到納米級(jí)的探頭或探針射亏。為了提高硬質(zhì)合金的性能，目前工具廠商正研究使硬質(zhì)合金晶粒更加微細(xì)化竭业，而且已取得可喜的成果智润，已開(kāi)發(fā)出粒徑為90nm的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金并試制出粒徑為60nm的高級(jí)超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。

　　表1 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的性能
　　　WC粒徑（nm）－硬度（HV）－彈性模量（GPa）
　　　300－1902－570
　　　90－2361－600

　　除了刀具材料外未辆，刀具的幾何形狀對(duì)于實(shí)現(xiàn)微切削加工至關(guān)重要窟绷。在微切削條件下，精確地切除極薄的材料需要極其鋒利的切削刃咐柜，也就是極小的刃口半徑兼蜈。不僅如此，刃口鋒利度還關(guān)系到切削表面質(zhì)量拙友、微觀組織型貌以及晶格位錯(cuò)等为狸。精確測(cè)量刀具刃口輪廓是保證刀具刃口研磨和進(jìn)行微細(xì)切削過(guò)程質(zhì)量分析的前提。微鉆頭或微端銑刀材質(zhì)硬度高遗契、加工困難臭膊，常用的砂輪磨削方法加工效率低，而用FIB（Focused Ion Beam膊编，聚焦離子束）栏赋、WEDGE（Wire Electro Discharge Grinding，線電極電火花磨削）方法制作硬質(zhì)合金微鉆頭或微立銑刀非常方便尸钢，容易滿足精度要求仙衩。銑削時(shí)可采用兩齒妄由、梯形、半圓插凳、一字形颓蛀、方形等形狀的立銑刀。適合微細(xì)切削的硬質(zhì)合金帶柄銑刀在工業(yè)上已被廣泛采用姥胳，高精度制作微型銑刀和鉆頭的技術(shù)要求很高，直徑越小好啸，制作越困難贵健，最小直徑為0.1mm的銑刀和的鉆頭已能夠生產(chǎn)。目前市場(chǎng)上可見(jiàn)到的硬質(zhì)合金微型鉆頭中渊季，經(jīng)過(guò)研磨的麻花鉆最小直徑為0.03mm朋蔫，扁鉆為0.01mm。據(jù)報(bào)道却汉，在實(shí)驗(yàn)室里采用電解磨削方式驯妄，可制作出0.005mm的極小直徑鉆頭。

　　目前市場(chǎng)提供的微型刀具合砂，其尺寸和形狀的偏差極不均勻青扔。例如，對(duì)同一供應(yīng)商提供的31支直徑為0.02mm 的鉆頭進(jìn)行測(cè)試翩伪，測(cè)試結(jié)果：直徑的平均值為0.021mm微猖，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0015mm；芯厚平均值為0.0063mm缘屹，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0017mm凛剥，這樣的精度顯然較差。因此轻姿，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解決的問(wèn)題之一犁珠。

5 微切削機(jī)理

　　微切削機(jī)理的研究對(duì)于合理選擇切削參數(shù)、保證微切削加工質(zhì)量祷骂、降低生產(chǎn)成本雇牍、提高生產(chǎn)率有著十分重要的意義。微切削時(shí)觅氢，由于工件尺寸微小宝辛，從強(qiáng)度、剛度上來(lái)說(shuō)都不允許采用較大的切削深度和進(jìn)給量虐恋，同時(shí)為保證工件尺寸精度的要求枕泽，最終精加工的表面切除層厚度必須小于其精度值，因此切削用量必須很小馒符，如切削深度有時(shí)小于材料的晶粒直徑掰站，使得切削只能在晶粒內(nèi)進(jìn)行宏湾，這時(shí)的切削相當(dāng)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行切削，切削的物理實(shí)質(zhì)是切斷材料分子涧谓、原子間的結(jié)合旋稚，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除，因而傳統(tǒng)的以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的切削理論已不適于微切削瑟捺，所以奕枝，微切削機(jī)理的研究需要采用與傳統(tǒng)塑性理論不同的方法進(jìn)行研究。應(yīng)變梯度塑性理論是傳統(tǒng)塑性理論的推廣和完善瓶堕，是連接經(jīng)典塑性力學(xué)理論與原子模擬之間的必要橋梁隘道。近年來(lái)已發(fā)展起來(lái)多種應(yīng)變梯度塑性理論，較為典型的有CS（couple stress）應(yīng)變梯度塑性理論郎笆、SG（stretch and rotation gradients）應(yīng)變梯度塑性理論和MSG（mechanism - based strain gradient）應(yīng)變梯度塑性理論谭梗。

　　采用應(yīng)變梯度理論，可以預(yù)測(cè)出尺度效應(yīng)和位錯(cuò)影響宛蚓，獲得與試驗(yàn)相吻合的結(jié)果激捏，在微機(jī)械與微構(gòu)件領(lǐng)域已成功分析了微米壓痕、裂紋尖端場(chǎng)凄吏、界面裂紋远舅、細(xì)絲扭轉(zhuǎn)與微薄梁彎曲等問(wèn)題，并開(kāi)始在微成型研究中得到應(yīng)用竞思，采用應(yīng)變梯度塑性理論研究微切削變形將是微切削機(jī)理研究的方向表谊。另外，微切削時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速一般都非常高盖喷，加工精度要求非常精密爆办，因此微切削具有高速精密切削的特征，將高速精密切削機(jī)理的研究成果應(yīng)用到微切削領(lǐng)域也是微切削研究的趨勢(shì)嚎脖。

　」肀浴（1）微切削機(jī)理的模擬仿真

　　主要利用有限元技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)方法，有限元技術(shù)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)勤鼓，因此分子動(dòng)力學(xué)方法更適用于微切削榕吨。采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)微切削機(jī)理的模擬仿真研究在世界范圍內(nèi)已開(kāi)展了十幾年，研究工作主要是建立原子涎舔、分子尺度的切削模型甲盘，從原子、分子角度去理解切屑和表面形成過(guò)程哮互，解釋材料性能臣镜、刀具幾何參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)微切削應(yīng)力與應(yīng)變分布、切削力、切削溫度和已加工表面質(zhì)量等的影響洁馒。

　〖中（2）最小切削厚度

　　能穩(wěn)定切削的最小有效切削厚度稱(chēng)為最小切削厚度。微切削中的切屑形態(tài)柱锹、切削力哪自、切削穩(wěn)定性、工件材料的微量加工性禁熏、切削用量的合理選擇壤巷、加工表面質(zhì)量等都受最小切削厚度的影響，因此最小切削厚度的研究對(duì)于微切削意義重大匹层。微切削可以達(dá)到的最小切削厚度與刀具刃口的圓弧半徑隙笆、工件材料的物理力學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)及第三變形區(qū)刀具—工件間的摩擦系數(shù)等有關(guān)升筏。由于最小切削厚度的影響因素較多，較難確定最小切削厚度瘸爽，在生產(chǎn)實(shí)際中一般根據(jù)刀具刃口圓弧半徑的大小來(lái)確定最小切削厚度您访。研究表明：最小切削厚度與刀具刃口圓弧半徑成正比關(guān)系，比例系數(shù)與刀具和工件材料副有關(guān)剪决，一般為0.165～0.246灵汪，如刀具刃口半徑為50nm，要實(shí)現(xiàn)切削厚度極小的超薄微切削柑潦，此時(shí)的最小切削厚度約為10nm姆赔。

　　（3）切屑形態(tài)

　　只有當(dāng)微切削的切削深度大于最小切削厚度時(shí)才能產(chǎn)生切屑梯俘。與普通切削相似豆凛，微切削的切屑有三種形態(tài)：連續(xù)狀切屑、非連續(xù)狀切屑和伴隨積屑瘤的切屑霎挚。切屑的形態(tài)與工件材料的性能缸舱、切削速度、切削變形等有關(guān)骗早。

　“岩狻（4）微切削力

　　微切削時(shí)的切削力較小，但單位切削力較大爪撤，且切深抗力大于主切削力绿捶。切削力隨切削深度的減小而增大，且在切深很小時(shí)切削力會(huì)急劇增大网燃，這就是切削力的尺寸效應(yīng)婆精。切削力尺寸效應(yīng)的存在使得普通切削的切削力模型已不適合于微切削。切削力的尺寸效應(yīng)與刀具刃口半徑關(guān)系密切，由于刃口圓弧半徑的存在怜俐，切削刃在微量切削時(shí)形成一個(gè)較大的負(fù)前角身堡，使切削變形增大，切削時(shí)的單位切削力增大拍鲤。如切削深度進(jìn)一步減小時(shí)贴谎，切削有可能在晶粒內(nèi)部進(jìn)行，此時(shí)季稳，切削力必須大于晶體內(nèi)部的分子擅这、原子結(jié)合力持偏，因而使單位切削面積上的切削力急劇增大都宅。微切削時(shí)的切削力還與晶向和晶界有關(guān)。

　∶踔邸（5）切削溫度

　　由于微切削的切削用量較小铛漓，因此與傳統(tǒng)切削相比溯香，微切削的切削溫度較低。對(duì)于精度要求較高的微加工來(lái)說(shuō)浓恶，加工溫度的變化對(duì)加工精度的影響是不能忽略的玫坛，同時(shí)切削溫度對(duì)微切削刀具磨損的影響也不能忽視。

　∩诚选（6）工件材料的微量加工性

　　工件材料的去除過(guò)程不僅取決于切削刀具傅慈，同時(shí)也受制于工件材料本身。微切削工件材料的微量加工性可用納米級(jí)表面粗糙度及在某一加工距離上對(duì)刀具磨損的可忽略性來(lái)定義疼磺。影響工件材料微量加工性的因素包括被工件材料與刀具材料的親合性（化學(xué)反應(yīng)）碘淘、工件材料本身的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)款腥、缺陷分布和熱處理狀態(tài)等（如多晶體材料的各向異性對(duì)零件加工表面完整性具有較大影響）惰采。

　　（7）刀具變形

　　刀具的剛性對(duì)微切削加工過(guò)程有相當(dāng)程度的影響靶姻，如銑削加工中當(dāng)?shù)毒邉傂圆蛔銜r(shí)褒述，在加工過(guò)程中會(huì)使加工精度變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使微立銑刀斷裂怀拨。微立銑刀的刀具變形為

　　　δ=F·L3/3·E·I

　　式中δ為立銑刀的徑向變形量逃窜；F為徑向切削力；L為刀具伸出長(zhǎng)度妒槐；E為刀具材料的彈性模量止骨；I（I=πD4/64，D為立銑刀的等效直徑）為刀具的極慣性矩吮铭。

　∈逼取（8）表面粗糙度與切削穩(wěn)定性

　　工件表面形貌是由于刀具的輪廓映射到工件上的結(jié)果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的精度及刀具刃口形狀決定。微切削時(shí)掠拳，如果切削深度小于工件材料的晶粒直徑癞揉，相當(dāng)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行切削，工件材料的微觀缺陷以及材質(zhì)分布的不均勻性等使刀具在微切削時(shí)的切削力變化較大溺欧，使切削刃受到較大的沖擊和振動(dòng)喊熟。微細(xì)切削中的振動(dòng)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響不容忽略。

　〗愕蟆（9）毛刺

　　毛刺是切削加工后在工件表面由于塑性變形所產(chǎn)生的微小突出物芥牌。毛刺的存在會(huì)影響零件的配合，降低工件的尺寸精度和表面質(zhì)量聂使。使用帶毛刺的零件會(huì)帶來(lái)安全隱患壁拉，特別是在某些特殊場(chǎng)合，如航空航天等領(lǐng)域柏靶。因此弃理，必須增加去毛刺工序，去毛刺的方法有機(jī)械法铛田、熱能法桑趴、化學(xué)法、電解法逻盅、電化學(xué)法、研磨法等琢账。

　∽栊摺（10）積屑瘤

　　微切削時(shí)積屑瘤在加工中的影響不容忽視，冷焊在刀刃上的積屑瘤會(huì)造成刀具幾何角度發(fā)生變化蟆蔫，影響切削力和切削變形忘拧，積屑瘤還會(huì)影響加工表面粗糙度。積屑瘤的產(chǎn)生受刀刃的微觀缺陷凿芦、切削速度以及進(jìn)給量的影響溃擒。在微切削時(shí)，切削速度越低積屑瘤越高铝框，進(jìn)給量越小積屑瘤也越高叮洋。

　　（11）刀具磨損

　　與普通切削相似褒侧，微切削刀具的失效也有兩種形式：磨損和崩刃破損良风。三個(gè)變形區(qū)的變形，尤其是第三變形區(qū)的刀具—工件間的摩擦以及由于被加工表面的彈性恢復(fù)會(huì)引起刀具機(jī)械磨損闷供。開(kāi)始切削時(shí)烟央，刀具存在初始微磨損，在切削一段時(shí)間后，刀具磨損會(huì)逐漸加劇疑俭，有時(shí)甚至?xí)蝗粣夯改亍５毒吣p主要發(fā)生在刀具的前、后刀面上钞艇。由于氧化啄寡、擴(kuò)散等作用，刀具也會(huì)產(chǎn)生熱化學(xué)磨損香璃。崩刃破損是當(dāng)?shù)毒呷锌谏系膽?yīng)力超過(guò)刀具材料的局部承受力時(shí)發(fā)生的这难，是最難預(yù)測(cè)和控制的損傷，而且對(duì)加工表面質(zhì)量的影響比前葡秒、后刀面磨損的影響要大躲窜。降低切削溫度可有效減少刀具磨損。

6 微切削CAD/CAM技術(shù)

　　Cimatron E是適用于微切削的商用CAD/CAM軟件捺膳，主要用于微銑削咧笔。從2003年4月份開(kāi)始，歐洲金融共同體開(kāi)始資助CRAFT诵两，歷時(shí)24個(gè)月對(duì)微型塑料組件的注射模具進(jìn)行了微銑削研究垂票。該項(xiàng)目涉及微型加工技術(shù)的整個(gè)過(guò)程，參加該項(xiàng)目的機(jī)構(gòu)包括Fraunhofer Institute of Production Technology（IPT）渔茉、CAD/CAM軟件供應(yīng)商Cimatron Gmbh育需、銑削機(jī)床商Kern、刀具制造商Magafor以及模具制造商Promolding B V Structoform和MMT AG）牡违。模具材料的硬度為53HRC阎揪，微型模具銑削的精度<5μm，曲面粗糙度Ra<0.2μm蛛最。刀具制造商提供的刀具直徑最小達(dá)50μm海庆，銑削機(jī)床商提供的微切削機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到160000rpm，CAD/CAM 軟件供應(yīng)商提供適用于微切削的Cimatron E軟件磨镶。

　　與單純實(shí)體建模不同溃蔫，Cimatron E的實(shí)體曲面混合建模技術(shù)利用“為制造而設(shè)計(jì)”的CAD功能來(lái)修復(fù)幾何模型，通過(guò)各種曲面功能融合縫隙并變成實(shí)體琳猫，其ACIS內(nèi)核技術(shù)提供高達(dá)1nm的內(nèi)部精度伟叛，以滿足微銑削的特殊要求。為了降低風(fēng)險(xiǎn)沸移，防止換刀過(guò)程中產(chǎn)生的不連續(xù)微型曲面痪伦，Cimatron E可提供多種微銑削加工策略。NC策略中支持斜線或螺旋下刀保證刀具最大限度光滑和連續(xù)地進(jìn)入工件雹锣。加工過(guò)程中通過(guò)應(yīng)用高速切削（HSC）策略獲得均勻一致的刀路网沾，并使用毛坯殘留知識(shí)防止斷刀癞蚕，以對(duì)微型型腔進(jìn)行開(kāi)粗。Cimatron E的微銑削技術(shù)通過(guò)識(shí)別真實(shí)的殘留微型毛坯以及具有同樣功能的開(kāi)粗辉哥、二次開(kāi)粗桦山、精加工微和擺線開(kāi)粗等加工策略保證刀路軌跡高效安全。高硬度材料且加工質(zhì)量要求高的曲面5軸聯(lián)動(dòng)切削時(shí)需要非常小直徑的短錐型刀具進(jìn)行醋旦。

　　為了滿足高速微細(xì)銑削的要求恒水，Cimatron E采用了多種高速銑削加工策略，如角部圓角連接俗耗、零重疊擺線精加工姑郊、S連刀和螺旋下刀、自適應(yīng)Z層精加工和流線加工缝聋。Cimatron E也支持樣條逼近加工和流線銑削裂膛，減少加工時(shí)間，降低刀具磨損和破損废徙。

7 微切削加工技術(shù)的發(fā)展展望

　　微型機(jī)械是一個(gè)重要的發(fā)展方向紧贪，應(yīng)用前景很好，國(guó)內(nèi)外都非常關(guān)注這一領(lǐng)域的研究爵孔，微切削加工技術(shù)是微型機(jī)械制造領(lǐng)域最活躍的研究方向之一藤该。

　　目前微小型機(jī)械加工工藝與設(shè)備研究整體上還處于探索階段，尚未形成完整成熟的技術(shù)體系和規(guī)模制造的技術(shù)能力神阔。預(yù)計(jì)未來(lái)15年左右里状，微小制造工藝與相關(guān)設(shè)備技術(shù)將得到迅速發(fā)展，尤其在微小型武器吩捞、微小型醫(yī)用器械别肄、仿生器械、探測(cè)器械交惯、航空航天器械等方面將得到廣泛應(yīng)用。在微切削方面今后應(yīng)重視以下課題的研究穿仪，以促進(jìn)微切削技術(shù)的生產(chǎn)應(yīng)用席爽。

　　（1）微切削應(yīng)用基礎(chǔ)研究包括微型零件切削加工裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究啊片，主要研究高速主軸系統(tǒng)只锻，精密工作臺(tái)的定位、運(yùn)動(dòng)及控制技術(shù)紫谷，復(fù)合微切削加工設(shè)備與技術(shù)齐饮；微切削刀具材料和刀具制作技術(shù)的研究；微切削刀具笤昨、工件的快速裝夾祖驱、測(cè)試及微切削加工過(guò)程的監(jiān)控技術(shù)握恳。

　　（2）微切削機(jī)理的研究主要研究熱—力耦合應(yīng)力作用下的微切削不均勻變形場(chǎng)捺僻，研究微尺度下工件材料的本構(gòu)方程乡洼，分析微切削變形區(qū)的尺寸效應(yīng)、不均勻應(yīng)變嚼讹、位錯(cuò)等對(duì)剪切變形應(yīng)力和剪切變形能的影響扛焊；研究最小切削厚度對(duì)切屑形態(tài)、已加工表面形成脊腺、切削力崎绽、切削溫度等的影響及工件材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)表面粗糙度和次表面損傷的影響，建立微切削加工理論和技術(shù)體系茉园；研究多尺度微細(xì)切削模擬仿真技術(shù)宅殿，奠定微切削加工技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

　∫鹎浴（3）微切削工藝研究包括各種新材料如鋼鐵依矿、鈦合金、不銹鋼漏北、鋁合金范蛉、陶瓷和其它非金屬材料及各種復(fù)合材料的微切削加工工藝，微切削CAD/CAM技術(shù)舵牛。

　》菰搿（4）微切削加工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究。

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