微徑銑刀及微細銑削技術的研究進展
1 引言
近年來漱挚，民用和國防等領域?qū)Ω鞣N微小型化產(chǎn)品的需求不斷增加己倾，對微小裝置的功能图兑、結構復雜程度、可靠性等要求也越來越高掺薪。因此胸胚，研究開發(fā)經(jīng)濟上可行、能夠加工三維幾何形狀和多樣化材料啤邑、特征尺寸在微米級到毫米級的精密三維微小零件的微細加工技術具有重要意義垫嚣。目前，微細切削已成為克服 MEMS技術局限性的重要技術津函，而微細銑削技術因具有高效率肖粮、高柔性、能加工復雜三維形狀和多種材料的特點尔苦，已成為一個非成荩活躍的研究熱點。
2 微徑銑刀及其制造技術
（1）制造工藝及刀具性能
磨削是一種傳統(tǒng)的銑刀制造工藝允坚，但對于直徑僅為零點幾毫米的微徑銑刀魂那，要在磨削力作用下、在不均質(zhì)的刀具材料上磨削加工出鋒利的切削刃口是一件十分困難的事情，這也成為微徑銑刀發(fā)展的一個技術瓶頸涯雅。為此鲜结，從理論和實驗的角度出發(fā)，可以選擇一種不產(chǎn)生切削力的加工方法（如激光加工活逆、聚焦離子束加工等）精刷。
聚焦離子束加工方法從原理上比較適合用于制造微徑銑刀。Friedrich和Vasile等人采用聚焦離子束加工技術制作了微徑銑刀划乖，最小直徑達到22μm。利用微徑銑刀和定制的高精度銑床挤土，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上加工出了89.5°直壁微槽結構阶庆，深度為62μm，槽間肋厚為8μm巧杰。Adams等人采用聚焦離子束加工技術制作了一些直徑約為25μm的微徑銑刀铺享，其輪廓形狀有兩面體、四面體和六面體谈嚣，切削刃分為2刃潘乖、4刃和6刃，刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金琅沟。用這些刀具分別對鋁毛龟、黃銅、4340鋼和PMMA四種工件材料進行了微細銑削加工区基。但是胡撩，由于使用微徑銑刀進行切削加工必須采用小進給量，且刀具磨損劇烈砍绞，加工毛刺較大派交，加工效果至今不能令人滿意。
立銑刀的刀刃幾何形狀主要有直體冲杀、錐體三角形（Δ-type）效床、半圓形（D-type）和已商品化的螺旋刃立銑刀四種。Fang等人通過實驗和有限元分析权谁，從刀具剛度和加工性能出發(fā)剩檀，對上述四種立銑刀進行了研究對比。結果表明旺芽，錐體D-type立銑刀更適合微細切削加工谨朝，并用直徑0.1mm的錐體立銑刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物醫(yī)學零件和特征尺寸小于80μm的微型壓花模具。
但是甥绿，從實用角度和應用前景來講字币，還是應優(yōu)先選擇商品化的螺旋刃微徑立銑刀，很多研究都是針對此類銑刀進行的。目前洗出，直徑0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀在國外已經(jīng)商品化（在國內(nèi)士复，直徑0.2mm的立銑刀也已經(jīng)商品化），直徑50μm的立銑刀也開始上市翩活。目前此類銑刀的制造仍需依賴于高性能的工具磨床阱洪。
在歐洲，采用微徑立銑刀（最小直徑50μm）加工微型塑料組件的注射模具倒恭，模具硬度達53HRC弱豹，銑削精度＜5μm，表面粗糙度Ra＜0.2μm棠岭。美國開發(fā)了專門用于模具和硬型模具加工的新型微徑銑刀履婆，能夠?qū)κ摰雀哂捕炔牧线M行高速切削加工（切削速度30m/min滨锯，最高達150m/min）各囤。瑞士的研究人員做了一個高速切削硬材料的實驗，用直徑0.5mm的TiAlN涂層微徑銑刀切削316L不銹鋼站么，切削深度0.1mm芭患，切削速度80m/min，主軸轉(zhuǎn)速50000r/min惨译，進給率240mm/min铡协。實驗結果表明刀具壽命達8小時（117m）。
（2）刀具材料
作為刀具材料一黄，金剛石的钞、立方氮化硼、陶瓷等都各有其優(yōu)點和局限性扰肌，而使用最多的是硬質(zhì)合金材料抛寝，目前國外90%以上的車刀和55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金。在微徑銑刀領域曙旭，刀具材料也以硬質(zhì)合金為主盗舰。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結體，晶粒的大小決定了刀刃的微觀鋒利程度桂躏，為了獲得鋒利的刀刃钻趋，通常采用鎢鈷類的超細顆粒硬質(zhì)合金。目前超細顆粒硬質(zhì)合金的晶粒尺寸在0.5μm左右剂习，其切削刃圓弧半徑為幾微米蛮位。
細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)與應用是進一步提高刀具使用可靠性的發(fā)展方向鳞绕，其特點是不斷開發(fā)刀具材料新牌號失仁，使之更適應被加工材料和切削條件尸曼，從而達到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“對癥下藥”的策略萄焦，不斷開發(fā)具有加工針對性的刀具新牌號犁谓，如美國肯納公司僅針對車削加工新推出的牌號就有：加工鋼材的KC9110、加工不銹鋼的KC9225淋塌、加工鑄鐵的KY1310叫逸、加工耐熱合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510乾乘、加工非鐵材料的KY1615等俄耸。與原有的老牌號相比，新牌號平均可提高切削效率15%～20%牺独。其次惊钮，在新牌號的開發(fā)中，更加重視基體與涂層的優(yōu)化組合鉴吕，以更好地實現(xiàn)適用性開發(fā)的目的撇委。此外爵蝠，新牌號的開發(fā)通常還包括相應刀具槽形和幾何參數(shù)的改進捌唾，以更好適應被加工材料的特性以及不同工序?qū)嘈嫉囊螅⑵鸬浇档颓邢髁埂p小振動等作用吆视，使切削更加輕快、高效酥宴。
（3）刀具涂層
涂層具有高的硬度啦吧、耐磨性和化學穩(wěn)定性，可以阻止刀具—切屑—工件材料間的相互作用拙寡，能起到熱屏障作用授滓，減輕刀具的粘著磨損、溶解磨損肆糕、表層剝落磨損等般堆，并能有效延緩刀具磨損的出現(xiàn)。因此涂層的應用能極大地改善刀具性能诚啃。
涂層按其成分和作用可分為兩大類：一類是“硬”涂層淮摔，特點是硬度高，耐磨性好始赎；另一類是“軟”涂層和橙，主要作用是減少摩擦，降低切削力和切削溫度造垛。涂層按其結構可分為單層涂層魔招、多層涂層低腕、復合涂層、梯度涂層样京、納米多層涂層涯贝、納米復合結構涂層等。在選用涂層時品痕，應考慮涂層的厚度跃呛、光滑性以及與硬質(zhì)合金基體的兼容性等問題。
刀具涂層的發(fā)展特點是多樣化和系列化府贰。納米涂層秦砌、梯度結構涂層及全新結構、材料涂層的開發(fā)與應用為提高刀具的使用性能發(fā)揮了重要作用窑岖。在層出不窮的涂層新產(chǎn)品中经聊，既有適應高速切削、干切削和硬切削的耐磨匹惊、耐熱涂層守譬，也有適應斷續(xù)切削的韌性涂層，還有適用于干切削及需要降低摩擦系數(shù)的潤滑涂層凛忿。金剛石涂層也得到了進一步應用澈灼，提高了鋁合金等非鐵金屬和非金屬材料的加工效率。多種納米涂層（包括納米結晶店溢、納米層厚和納米結構涂層）的實用化叁熔，使涂層性能得到更大提高。納米涂層技術的最新成果是開發(fā)出TiSiN和CrSiN涂層立銑刀床牧，這兩種涂層材料的粒徑均為5nm荣回。此外，通過提高涂層表面光潔度戈咳，可以提高涂層刀具的抗摩擦心软、抗粘結能力。
3 微細銑削技術的研究
傳統(tǒng)的微細銑削技術研究與應用主要是采用直徑幾十微米至1mm的微型立銑刀著蛙，在常規(guī)尺寸的超精密機床上進行微細加工删铃。由于這些機床主要用于加工精度很高的非微小幾何尺寸零件，通常需要通過昂貴的設計和制造工藝來達到所期望的目標精度册踩，而對于微小零件的加工泳姐，則缺少必要的柔性，且加工成本高囤檐、效率低门烧。微小型化的加工設備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源膊护、易于重組鹅棺、成本低等優(yōu)點兜充。近年來，利用微小型加工設備實現(xiàn)微細銑削加工已引起人們的普遍重視脂性，并實現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機床上的微細加工過程雄睦。在對微細銑削加工技術的研究中，研究重點主要集中于加工表面質(zhì)量汹振、切削力娇裁、刀具的磨損和壽命、切屑狀態(tài)沼津、對微小零件的加工能力等方面荞篙。
（1）加工表面質(zhì)量及毛刺
在對微細加工表面質(zhì)量的研究中，表面粗糙度一直是備受關注的問題科绣。韓國的W Wang等人在黃銅上進行了微細銑削實驗殿姑，并采用統(tǒng)計學方法分析了刀具直徑、切削深度肯适、主軸轉(zhuǎn)速变秦、進給率等參數(shù)對表面粗糙度的影響，建立了一個新的表面粗糙度數(shù)學模型框舔。研究表明蹦玫，進給率起著主要的影響作用，表面粗糙度隨著刀具直徑和主軸轉(zhuǎn)速的增加呈線性增長雨饺。然而钳垮，刀具的硬度和主軸的振動帶來的影響卻比進給率更大惑淳。最后指出额港，增加結構和刀具的硬度及剛度，降低主軸的振動歧焦，是在該加工條件下提高表面質(zhì)量的最好方法移斩。
德國的J Schmidt等人對微細銑削進行了大量研究。在切削硬鋼（HRC52）時绢馍，發(fā)現(xiàn)在切入的一段向瓷，因刀具的劇烈磨損導致表面粗糙度不穩(wěn)定，在逆銑切入一側最差歇肖，中間部分最好夜川，順銑一側居中（Rz0.5～1.6μm）。隨著刀具的繼續(xù)磨損役寡，逆銑一側粗糙度變好麻百，順銑一側降低，表面粗糙度趨于穩(wěn)定超棚。而在切削軟鋼（HRC42）時拴猖，沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象朋傲，表面粗糙度始終是中間部分最好（Rz0.7～1.8μm）。此外還進行了每齒進給量為7μm的銑削實驗伐蔚，也獲得了不錯的表面質(zhì)量昨跺，而這種進給量在切削高硬度材料（HRC52）時被認為是不合適的。
毛刺是影響微細銑削加工質(zhì)量的主要因素谁意。Lee等人通過實驗研究了微細銑削鋁和銅時產(chǎn)生的毛刺发娶。實驗中觀察到5種類型的毛刺：順銑側面切入毛刺、槽側面頂端毛刺料潘、槽底面切出毛刺和逆銑側面切出毛刺硫朦，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進給量的增加而增大。德國的J Schmidt等人發(fā)現(xiàn)背镇，只有在每齒進給量為0.5μm時才會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺咬展，大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～60μm，這對所加工模具的實際應用沒有影響瞒斩，結果令人滿意破婆。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側的毛刺較大，硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大胸囱；隨著刀具的磨損祷舀，毛刺會變大，尤其在逆銑一側烹笔；隨著切削速度的增加裳扯，毛刺略有減小。
目前谤职，世界各國對表面粗糙度已進行了大量研究饰豺，但對加工硬化、殘余應力的研究還鮮有報道允蜈，而這些因素對微小零件的性能都有很大影響冤吨，相信具有很大的研究價值，會成為未來的研究方向之一帆田。
（2）微細切削力
在銑削過程中训寝，刀具的受載狀態(tài)極其復雜，不斷受到大小般蚪、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷恨蒙。由于微細銑削中的每齒進給量小于（或等于）刀具切削刃鈍圓半徑，切削加工過程從以剪切為主變化到以摩擦恶稼、擠壓或耕犁為主教够；又由于切削速度較高，沖擊載荷較大涌俘，使得微細切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同权煎。
Bao和Tansel針對采用微徑立銑刀進行微細銑削加工時的切削力進行了研究蒂扇，提出了改進的切削力模型。該模型通過計算刀具旋轉(zhuǎn)和前移時刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出狱揩，并且考慮了每齒進給量與刀具半徑比值的不同喝暂、刀具跳動量和刀具磨損對切削力的影響，并通過實驗驗證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準確彻犁。
Vogler等人提出了一個微細立銑削加工的力學模型叫胁，考慮了異質(zhì)材料中不同的相，發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導致切削力的高頻變化汞幢，從而解釋了微細銑削多相材料時切削力中出現(xiàn)的高頻信號驼鹅。
目前對微細切削力的研究還不多，還需進一步了解微細切削力的特征森篷，并可以考慮通過對切削力的實時監(jiān)測输钩，動態(tài)調(diào)節(jié)切削用量，以控制切削力仲智，提高加工表面質(zhì)量买乃，延長刀具使用壽命。
（3）微刀具的磨損钓辆、壽命及切屑狀態(tài)利用小直徑立銑刀進行微細加工時剪验，由于對切削后加工面的修整非常困難，因此希望能用一把銑刀完成最終加工工序前联。而且高精度形狀加工耗用的切削時間往往需要數(shù)小時功戚，因此對刀具的壽命和切削性能提出了更高要求。
Rahman等人采用直徑1mm的立銑刀對純銅進行了微細銑削實驗橱孽，利用統(tǒng)計學中的響應曲面法建立了純銅微細銑削過程中刀具壽命的二次模型拥臼，發(fā)現(xiàn)切削速度和背吃刀量對刀具壽命影響顯著，而進給速度的影響不顯著坏扣。切削刃磨鈍顯現(xiàn)出切削力的增加春异。同時應當考慮微型刀具的直徑和刃口尺寸遂报。Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極则徒，指出刀具磨損以磨粒磨損為主，磨損形態(tài)為后刀面磨損瞳弱、前刀面磨損冠幕、微碎裂和破損，切屑形狀有塊狀纽债、柱狀雇蚁、球狀和片狀；涂層刀具的壽命是無涂層刀具的1.5倍倚痰；提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具的磨損和破損讥高。Miyaguchi等人指出揣誓，刀具壽命可以通過減小刀具剛度得以延長，由于刀具的低剛度巾陕，刀具的彎曲平衡了切削力讨跟，調(diào)節(jié)了跳動量的影響，導致兩個切削刃均勻磨損鄙煤。
在微刀具的微細銑削加工中晾匠，切屑狀態(tài)是實現(xiàn)精密加工、控制加工過程梯刚、判斷加工能力的重要因素凉馆。Kim等人對微細銑削過程中切屑的形成進行了實驗研究。以不同的進給量對黃銅工件銑槽亡资，通過收集切屑進行測量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn)澜共，當每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時，實際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍锥腻，進刀痕跡間隔也大于每齒進給量咳胃。隨著每齒進給量的增加，實際切屑體積逐漸接近名義切屑體積旷太。由此可知展懈，微細銑削中以較小的每齒進給量進給期間并不是總會形成切屑，即切屑的形成是間歇性的祟勿，斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生的停柬。
為了提高微細銑削加工質(zhì)量，必須對刀具的磨損及壽命進行研究耀旅，可以考慮通過切削力盯糠、表面粗糙度、刀具的振動來研究刀具的磨損傅女、破損情況洁揽。
（4）對微小零件的加工能力
目前，大多數(shù)微細銑削研究都集中于所能實現(xiàn)的形狀特征能力方面原酷，其目的是期望在微小型加工設備上實現(xiàn)復雜微型零件（如微型模具等）的實用化加工杉轿。為了提高加工復雜形狀的能力和加工效率，多軸聯(lián)動的微小型加工設備的研究也已經(jīng)開始蔼俐。
韓國的Young等人研制了一臺五軸微小型立式銑床昏络，他們使用直徑200μm和100μm的硬質(zhì)合金平頭立銑刀，在黃銅工件上加工出了厚25μm币席、高650μm的微型墻結構慕然，以及微型方柱（30μm×30μm×320μm）、微型圓柱以及微型葉輪（直徑600μm）結構。
德國的J Schmidt等人為了證明微細銑削加工微小模具的能力西疤，加工了微車輪烦粒、微齒輪的模具（工件硬度HRC52），獲得了較好的精度（0.01mm）及合適的表面粗糙度代赁，并在一個小時內(nèi)完成加工撒遣。
在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所研制了國內(nèi)首臺微小型臥式銑床管跺，尺寸為300mm×150mm×165mm义黎，主軸最高轉(zhuǎn)速 140000r/min，驅(qū)動系統(tǒng)分辨率0.1μm豁跑。實現(xiàn)了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結構廉涕；同時在兩塊尺寸分別為12mm×8mm和8mm×5mm的有機玻璃材料上進行了人臉曲面的數(shù)控加工。
目前艇拍，哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺三軸微小型立式銑床狐蜕，尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉(zhuǎn)速 160000r/min卸夕，最大徑向跳動1μm层释；驅(qū)動系統(tǒng)重復定位精度0.25μm，速度范圍1μm～280mm/s讨拷；采用全閉環(huán)控制馅拗，分辨率0.1μm。采用0.2mm的微型立銑刀依粮，在厚70μm的小薄鋼片（HRC50）上加工了一個微型槽（剩余厚度約20μm）宿替。
4 結語
為了獲得理想的微細銑削加工效果，不僅需要高性能的加工機床党令，還需要優(yōu)秀的切削刀具和嚴格的過程控制锚渺。具有優(yōu)異切削性能的微型刀具將在未來的微細銑削加工中發(fā)揮重要作用。
目前猖等，在微細銑削加工領域歪缅，對加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但對加工硬化谎秃、殘余應力的研究還不多鼓募，對切削力的研究也還不夠成熟。為了改善微細銑削的加工效果缺西，可對切削力涤伐、加工質(zhì)量、刀具磨損和加工振動等因素的影響進行綜合研究缨称；通過對微細銑削工藝的深入研究及開發(fā)，進一步提高微小型機床的加工能力祝迂。隨著精密三維微小零件市場需求的不斷增大睦尽，微細銑削技術必將大有可為器净。
近年來漱挚，民用和國防等領域?qū)Ω鞣N微小型化產(chǎn)品的需求不斷增加己倾，對微小裝置的功能图兑、結構復雜程度、可靠性等要求也越來越高掺薪。因此胸胚，研究開發(fā)經(jīng)濟上可行、能夠加工三維幾何形狀和多樣化材料啤邑、特征尺寸在微米級到毫米級的精密三維微小零件的微細加工技術具有重要意義垫嚣。目前，微細切削已成為克服 MEMS技術局限性的重要技術津函，而微細銑削技術因具有高效率肖粮、高柔性、能加工復雜三維形狀和多種材料的特點尔苦，已成為一個非成荩活躍的研究熱點。
2 微徑銑刀及其制造技術
（1）制造工藝及刀具性能
磨削是一種傳統(tǒng)的銑刀制造工藝允坚，但對于直徑僅為零點幾毫米的微徑銑刀魂那，要在磨削力作用下、在不均質(zhì)的刀具材料上磨削加工出鋒利的切削刃口是一件十分困難的事情，這也成為微徑銑刀發(fā)展的一個技術瓶頸涯雅。為此鲜结，從理論和實驗的角度出發(fā)，可以選擇一種不產(chǎn)生切削力的加工方法（如激光加工活逆、聚焦離子束加工等）精刷。
聚焦離子束加工方法從原理上比較適合用于制造微徑銑刀。Friedrich和Vasile等人采用聚焦離子束加工技術制作了微徑銑刀划乖，最小直徑達到22μm。利用微徑銑刀和定制的高精度銑床挤土，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上加工出了89.5°直壁微槽結構阶庆，深度為62μm，槽間肋厚為8μm巧杰。Adams等人采用聚焦離子束加工技術制作了一些直徑約為25μm的微徑銑刀铺享，其輪廓形狀有兩面體、四面體和六面體谈嚣，切削刃分為2刃潘乖、4刃和6刃，刀具材料為高速鋼和硬質(zhì)合金琅沟。用這些刀具分別對鋁毛龟、黃銅、4340鋼和PMMA四種工件材料進行了微細銑削加工区基。但是胡撩，由于使用微徑銑刀進行切削加工必須采用小進給量，且刀具磨損劇烈砍绞，加工毛刺較大派交，加工效果至今不能令人滿意。
立銑刀的刀刃幾何形狀主要有直體冲杀、錐體三角形（Δ-type）效床、半圓形（D-type）和已商品化的螺旋刃立銑刀四種。Fang等人通過實驗和有限元分析权谁，從刀具剛度和加工性能出發(fā)剩檀，對上述四種立銑刀進行了研究對比。結果表明旺芽，錐體D-type立銑刀更適合微細切削加工谨朝，并用直徑0.1mm的錐體立銑刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物醫(yī)學零件和特征尺寸小于80μm的微型壓花模具。
但是甥绿，從實用角度和應用前景來講字币，還是應優(yōu)先選擇商品化的螺旋刃微徑立銑刀，很多研究都是針對此類銑刀進行的。目前洗出，直徑0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀在國外已經(jīng)商品化（在國內(nèi)士复，直徑0.2mm的立銑刀也已經(jīng)商品化），直徑50μm的立銑刀也開始上市翩活。目前此類銑刀的制造仍需依賴于高性能的工具磨床阱洪。
在歐洲，采用微徑立銑刀（最小直徑50μm）加工微型塑料組件的注射模具倒恭，模具硬度達53HRC弱豹，銑削精度＜5μm，表面粗糙度Ra＜0.2μm棠岭。美國開發(fā)了專門用于模具和硬型模具加工的新型微徑銑刀履婆，能夠?qū)κ摰雀哂捕炔牧线M行高速切削加工（切削速度30m/min滨锯，最高達150m/min）各囤。瑞士的研究人員做了一個高速切削硬材料的實驗，用直徑0.5mm的TiAlN涂層微徑銑刀切削316L不銹鋼站么，切削深度0.1mm芭患，切削速度80m/min，主軸轉(zhuǎn)速50000r/min惨译，進給率240mm/min铡协。實驗結果表明刀具壽命達8小時（117m）。
（2）刀具材料
作為刀具材料一黄，金剛石的钞、立方氮化硼、陶瓷等都各有其優(yōu)點和局限性扰肌，而使用最多的是硬質(zhì)合金材料抛寝，目前國外90%以上的車刀和55%以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金。在微徑銑刀領域曙旭，刀具材料也以硬質(zhì)合金為主盗舰。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結體，晶粒的大小決定了刀刃的微觀鋒利程度桂躏，為了獲得鋒利的刀刃钻趋，通常采用鎢鈷類的超細顆粒硬質(zhì)合金。目前超細顆粒硬質(zhì)合金的晶粒尺寸在0.5μm左右剂习，其切削刃圓弧半徑為幾微米蛮位。
細顆粒、超細顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)與應用是進一步提高刀具使用可靠性的發(fā)展方向鳞绕，其特點是不斷開發(fā)刀具材料新牌號失仁，使之更適應被加工材料和切削條件尸曼，從而達到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“對癥下藥”的策略萄焦，不斷開發(fā)具有加工針對性的刀具新牌號犁谓，如美國肯納公司僅針對車削加工新推出的牌號就有：加工鋼材的KC9110、加工不銹鋼的KC9225淋塌、加工鑄鐵的KY1310叫逸、加工耐熱合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510乾乘、加工非鐵材料的KY1615等俄耸。與原有的老牌號相比，新牌號平均可提高切削效率15%～20%牺独。其次惊钮，在新牌號的開發(fā)中，更加重視基體與涂層的優(yōu)化組合鉴吕，以更好地實現(xiàn)適用性開發(fā)的目的撇委。此外爵蝠，新牌號的開發(fā)通常還包括相應刀具槽形和幾何參數(shù)的改進捌唾，以更好適應被加工材料的特性以及不同工序?qū)嘈嫉囊螅⑵鸬浇档颓邢髁埂p小振動等作用吆视，使切削更加輕快、高效酥宴。
（3）刀具涂層
涂層具有高的硬度啦吧、耐磨性和化學穩(wěn)定性，可以阻止刀具—切屑—工件材料間的相互作用拙寡，能起到熱屏障作用授滓，減輕刀具的粘著磨損、溶解磨損肆糕、表層剝落磨損等般堆，并能有效延緩刀具磨損的出現(xiàn)。因此涂層的應用能極大地改善刀具性能诚啃。
涂層按其成分和作用可分為兩大類：一類是“硬”涂層淮摔，特點是硬度高，耐磨性好始赎；另一類是“軟”涂層和橙，主要作用是減少摩擦，降低切削力和切削溫度造垛。涂層按其結構可分為單層涂層魔招、多層涂層低腕、復合涂層、梯度涂層样京、納米多層涂層涯贝、納米復合結構涂層等。在選用涂層時品痕，應考慮涂層的厚度跃呛、光滑性以及與硬質(zhì)合金基體的兼容性等問題。
刀具涂層的發(fā)展特點是多樣化和系列化府贰。納米涂層秦砌、梯度結構涂層及全新結構、材料涂層的開發(fā)與應用為提高刀具的使用性能發(fā)揮了重要作用窑岖。在層出不窮的涂層新產(chǎn)品中经聊，既有適應高速切削、干切削和硬切削的耐磨匹惊、耐熱涂層守譬，也有適應斷續(xù)切削的韌性涂層，還有適用于干切削及需要降低摩擦系數(shù)的潤滑涂層凛忿。金剛石涂層也得到了進一步應用澈灼，提高了鋁合金等非鐵金屬和非金屬材料的加工效率。多種納米涂層（包括納米結晶店溢、納米層厚和納米結構涂層）的實用化叁熔，使涂層性能得到更大提高。納米涂層技術的最新成果是開發(fā)出TiSiN和CrSiN涂層立銑刀床牧，這兩種涂層材料的粒徑均為5nm荣回。此外，通過提高涂層表面光潔度戈咳，可以提高涂層刀具的抗摩擦心软、抗粘結能力。
3 微細銑削技術的研究
傳統(tǒng)的微細銑削技術研究與應用主要是采用直徑幾十微米至1mm的微型立銑刀著蛙，在常規(guī)尺寸的超精密機床上進行微細加工删铃。由于這些機床主要用于加工精度很高的非微小幾何尺寸零件，通常需要通過昂貴的設計和制造工藝來達到所期望的目標精度册踩，而對于微小零件的加工泳姐，則缺少必要的柔性，且加工成本高囤檐、效率低门烧。微小型化的加工設備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源膊护、易于重組鹅棺、成本低等優(yōu)點兜充。近年來，利用微小型加工設備實現(xiàn)微細銑削加工已引起人們的普遍重視脂性，并實現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機床上的微細加工過程雄睦。在對微細銑削加工技術的研究中，研究重點主要集中于加工表面質(zhì)量汹振、切削力娇裁、刀具的磨損和壽命、切屑狀態(tài)沼津、對微小零件的加工能力等方面荞篙。
（1）加工表面質(zhì)量及毛刺
在對微細加工表面質(zhì)量的研究中，表面粗糙度一直是備受關注的問題科绣。韓國的W Wang等人在黃銅上進行了微細銑削實驗殿姑，并采用統(tǒng)計學方法分析了刀具直徑、切削深度肯适、主軸轉(zhuǎn)速变秦、進給率等參數(shù)對表面粗糙度的影響，建立了一個新的表面粗糙度數(shù)學模型框舔。研究表明蹦玫，進給率起著主要的影響作用，表面粗糙度隨著刀具直徑和主軸轉(zhuǎn)速的增加呈線性增長雨饺。然而钳垮，刀具的硬度和主軸的振動帶來的影響卻比進給率更大惑淳。最后指出额港，增加結構和刀具的硬度及剛度，降低主軸的振動歧焦，是在該加工條件下提高表面質(zhì)量的最好方法移斩。
德國的J Schmidt等人對微細銑削進行了大量研究。在切削硬鋼（HRC52）時绢馍，發(fā)現(xiàn)在切入的一段向瓷，因刀具的劇烈磨損導致表面粗糙度不穩(wěn)定，在逆銑切入一側最差歇肖，中間部分最好夜川，順銑一側居中（Rz0.5～1.6μm）。隨著刀具的繼續(xù)磨損役寡，逆銑一側粗糙度變好麻百，順銑一側降低，表面粗糙度趨于穩(wěn)定超棚。而在切削軟鋼（HRC42）時拴猖，沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象朋傲，表面粗糙度始終是中間部分最好（Rz0.7～1.8μm）。此外還進行了每齒進給量為7μm的銑削實驗伐蔚，也獲得了不錯的表面質(zhì)量昨跺，而這種進給量在切削高硬度材料（HRC52）時被認為是不合適的。
毛刺是影響微細銑削加工質(zhì)量的主要因素谁意。Lee等人通過實驗研究了微細銑削鋁和銅時產(chǎn)生的毛刺发娶。實驗中觀察到5種類型的毛刺：順銑側面切入毛刺、槽側面頂端毛刺料潘、槽底面切出毛刺和逆銑側面切出毛刺硫朦，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進給量的增加而增大。德國的J Schmidt等人發(fā)現(xiàn)背镇，只有在每齒進給量為0.5μm時才會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺咬展，大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～60μm，這對所加工模具的實際應用沒有影響瞒斩，結果令人滿意破婆。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側的毛刺較大，硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大胸囱；隨著刀具的磨損祷舀，毛刺會變大，尤其在逆銑一側烹笔；隨著切削速度的增加裳扯，毛刺略有減小。
目前谤职，世界各國對表面粗糙度已進行了大量研究饰豺，但對加工硬化、殘余應力的研究還鮮有報道允蜈，而這些因素對微小零件的性能都有很大影響冤吨，相信具有很大的研究價值，會成為未來的研究方向之一帆田。
（2）微細切削力
在銑削過程中训寝，刀具的受載狀態(tài)極其復雜，不斷受到大小般蚪、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷恨蒙。由于微細銑削中的每齒進給量小于（或等于）刀具切削刃鈍圓半徑，切削加工過程從以剪切為主變化到以摩擦恶稼、擠壓或耕犁為主教够；又由于切削速度較高，沖擊載荷較大涌俘，使得微細切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同权煎。
Bao和Tansel針對采用微徑立銑刀進行微細銑削加工時的切削力進行了研究蒂扇，提出了改進的切削力模型。該模型通過計算刀具旋轉(zhuǎn)和前移時刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出狱揩，并且考慮了每齒進給量與刀具半徑比值的不同喝暂、刀具跳動量和刀具磨損對切削力的影響，并通過實驗驗證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準確彻犁。
Vogler等人提出了一個微細立銑削加工的力學模型叫胁，考慮了異質(zhì)材料中不同的相，發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導致切削力的高頻變化汞幢，從而解釋了微細銑削多相材料時切削力中出現(xiàn)的高頻信號驼鹅。
目前對微細切削力的研究還不多，還需進一步了解微細切削力的特征森篷，并可以考慮通過對切削力的實時監(jiān)測输钩，動態(tài)調(diào)節(jié)切削用量，以控制切削力仲智，提高加工表面質(zhì)量买乃，延長刀具使用壽命。
（3）微刀具的磨損钓辆、壽命及切屑狀態(tài)利用小直徑立銑刀進行微細加工時剪验，由于對切削后加工面的修整非常困難，因此希望能用一把銑刀完成最終加工工序前联。而且高精度形狀加工耗用的切削時間往往需要數(shù)小時功戚，因此對刀具的壽命和切削性能提出了更高要求。
Rahman等人采用直徑1mm的立銑刀對純銅進行了微細銑削實驗橱孽，利用統(tǒng)計學中的響應曲面法建立了純銅微細銑削過程中刀具壽命的二次模型拥臼，發(fā)現(xiàn)切削速度和背吃刀量對刀具壽命影響顯著，而進給速度的影響不顯著坏扣。切削刃磨鈍顯現(xiàn)出切削力的增加春异。同時應當考慮微型刀具的直徑和刃口尺寸遂报。Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極则徒，指出刀具磨損以磨粒磨損為主，磨損形態(tài)為后刀面磨損瞳弱、前刀面磨損冠幕、微碎裂和破損，切屑形狀有塊狀纽债、柱狀雇蚁、球狀和片狀；涂層刀具的壽命是無涂層刀具的1.5倍倚痰；提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具的磨損和破損讥高。Miyaguchi等人指出揣誓，刀具壽命可以通過減小刀具剛度得以延長，由于刀具的低剛度巾陕，刀具的彎曲平衡了切削力讨跟，調(diào)節(jié)了跳動量的影響，導致兩個切削刃均勻磨損鄙煤。
在微刀具的微細銑削加工中晾匠，切屑狀態(tài)是實現(xiàn)精密加工、控制加工過程梯刚、判斷加工能力的重要因素凉馆。Kim等人對微細銑削過程中切屑的形成進行了實驗研究。以不同的進給量對黃銅工件銑槽亡资，通過收集切屑進行測量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn)澜共，當每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時，實際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍锥腻，進刀痕跡間隔也大于每齒進給量咳胃。隨著每齒進給量的增加，實際切屑體積逐漸接近名義切屑體積旷太。由此可知展懈，微細銑削中以較小的每齒進給量進給期間并不是總會形成切屑，即切屑的形成是間歇性的祟勿，斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生的停柬。
為了提高微細銑削加工質(zhì)量，必須對刀具的磨損及壽命進行研究耀旅，可以考慮通過切削力盯糠、表面粗糙度、刀具的振動來研究刀具的磨損傅女、破損情況洁揽。
（4）對微小零件的加工能力
目前，大多數(shù)微細銑削研究都集中于所能實現(xiàn)的形狀特征能力方面原酷，其目的是期望在微小型加工設備上實現(xiàn)復雜微型零件（如微型模具等）的實用化加工杉轿。為了提高加工復雜形狀的能力和加工效率，多軸聯(lián)動的微小型加工設備的研究也已經(jīng)開始蔼俐。
韓國的Young等人研制了一臺五軸微小型立式銑床昏络，他們使用直徑200μm和100μm的硬質(zhì)合金平頭立銑刀，在黃銅工件上加工出了厚25μm币席、高650μm的微型墻結構慕然，以及微型方柱（30μm×30μm×320μm）、微型圓柱以及微型葉輪（直徑600μm）結構。
德國的J Schmidt等人為了證明微細銑削加工微小模具的能力西疤，加工了微車輪烦粒、微齒輪的模具（工件硬度HRC52），獲得了較好的精度（0.01mm）及合適的表面粗糙度代赁，并在一個小時內(nèi)完成加工撒遣。
在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所研制了國內(nèi)首臺微小型臥式銑床管跺，尺寸為300mm×150mm×165mm义黎，主軸最高轉(zhuǎn)速 140000r/min，驅(qū)動系統(tǒng)分辨率0.1μm豁跑。實現(xiàn)了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結構廉涕；同時在兩塊尺寸分別為12mm×8mm和8mm×5mm的有機玻璃材料上進行了人臉曲面的數(shù)控加工。
目前艇拍，哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺三軸微小型立式銑床狐蜕，尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉(zhuǎn)速 160000r/min卸夕，最大徑向跳動1μm层释；驅(qū)動系統(tǒng)重復定位精度0.25μm，速度范圍1μm～280mm/s讨拷；采用全閉環(huán)控制馅拗，分辨率0.1μm。采用0.2mm的微型立銑刀依粮，在厚70μm的小薄鋼片（HRC50）上加工了一個微型槽（剩余厚度約20μm）宿替。
4 結語
為了獲得理想的微細銑削加工效果，不僅需要高性能的加工機床党令，還需要優(yōu)秀的切削刀具和嚴格的過程控制锚渺。具有優(yōu)異切削性能的微型刀具將在未來的微細銑削加工中發(fā)揮重要作用。
目前猖等，在微細銑削加工領域歪缅，對加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但對加工硬化谎秃、殘余應力的研究還不多鼓募，對切削力的研究也還不夠成熟。為了改善微細銑削的加工效果缺西，可對切削力涤伐、加工質(zhì)量、刀具磨損和加工振動等因素的影響進行綜合研究缨称；通過對微細銑削工藝的深入研究及開發(fā)，進一步提高微小型機床的加工能力祝迂。隨著精密三維微小零件市場需求的不斷增大睦尽，微細銑削技術必將大有可為器净。
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