微銑削加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

王 慧

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001）

微銑削加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

王 慧

（淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001）

微銑削被認(rèn)為是最柔性的加工方法之一，有著日益廣闊的應(yīng)用前景；介紹了微銑削加工技術(shù)的研究背景，并對其研究現(xiàn)狀進行了評述，分析了微銑刀的特性和主要幾何形狀，并從切屑的形成、切削力和刀具磨損三個方面解析微銑削加工技術(shù)的加工機理及在研究與發(fā)展過程中存在的主要問題，討論了微銑削技術(shù)的研究成果和發(fā)展前景。

微銑削；微銑刀；加工機理

DO I：10.3969/j.issn.1671-4733.2010.02.17

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷深入發(fā)展，先進制造技術(shù)不僅僅在加工精度、加工效率、加工成本等方面不斷追求完善，而且在加工尺寸方面也在不斷挑戰(zhàn)極限。由于產(chǎn)品微型化在光學(xué)、電子、醫(yī)藥、生物、航天、軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，微制造迅速成為一項倍受關(guān)注的先進制造技術(shù)。微銑削是微切削加工領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，目前的研究主要從加工設(shè)備、加工機理和加工工藝三個方面展開，研究重點主要集中于加工表面質(zhì)量、切削力、刀具的磨損和壽命、切屑狀態(tài)、對微小零件的加工能力等方面。其中微銑刀對加工的影響舉足輕重，針對微銑削的加工特點，已經(jīng)研制出了多個系列品種的刀具。

一 微型銑刀

目前，國內(nèi)外用于試驗研究的微銑刀直徑一般在0.5mm以下，微銑刀設(shè)計制造的研究工作主要集中在刀具材料、刀具形狀和刀具制造工藝三個方面。

在微切削加工技術(shù)領(lǐng)域里，如何將刀具材料晶粒細化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重點所在。微切削的切削深度和進給量都非常小，因此單位切削面積上的切削力較大，同時產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高，所以微切削對刀具材料的性能要求較高，需采用耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強度好的刀具材料。隨著回轉(zhuǎn)最小直徑的微小化，要求回轉(zhuǎn)刀具的抗彎強度、剛性與斷裂韌性均應(yīng)較高。微切削刀具材料以硬質(zhì)合金（碳化鎢）、PCBN（立體氮化硼）和金剛石為主。微米級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，單晶金剛石刀具可用來切削加工精度達到納米級的探頭或探針。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)合金晶粒更加微細化的技術(shù)，已取得可喜的成果，開發(fā)出粒徑為90nm的超細晶粒硬質(zhì)合金，并試制出粒徑為60nm的高級超細晶粒硬質(zhì)合金。

在普通銑削中，立銑刀的破損已經(jīng)有了比較深入的研究。然而，從普通銑削得出的結(jié)論和經(jīng)驗對于具有弱剛度刀體的微銑刀就不再適用，尤其當(dāng)?shù)毒咧睆叫∮?.1mm時。微銑削中，刀具的切削區(qū)域是研究人員和機構(gòu)非常關(guān)注和感興趣的一個方面，有大量的關(guān)于刀具切削部分各種形式破損的報導(dǎo)。正因為此，對微銑刀幾何形狀的研究也越來越引起人們的關(guān)注。目前，大多數(shù)的銑刀都是錐柄螺旋切削刃微型立銑刀，如圖1所示。然而其它一些幾何形狀的銑刀也已經(jīng)出現(xiàn)，比如三角形截面直體立銑刀（△-straight type）、半圓形截面直體立銑刀（D-straight type）、三角形截面錐體立銑刀（△-tapered type）、半圓形截面錐體立銑刀（D-tapered type）和其它一些棱錐形狀的刀具等，如圖2所示；另有研究表明，兩刃立銑刀在銑削時，很多時候只有一個刀齒在參與切削，這樣的直接結(jié)果就是增加刀具磨損，增大切削力，降低加工表面質(zhì)量和增加刀具斷裂的危險，所以單刃立銑刀就應(yīng)運而生，如圖3（a）。通過分析這些不同截面形狀的立銑刀，可以清楚的知道不同的刀具破損形式以及提高刀具壽命的方法。

微銑刀的加工制造主要是采用特種加工的方式，一種具有代表性的方法是離子束加工技術(shù)（FIB）通過聚焦離子束撞擊銑刀毛坯，以正交掃描方式進行離子刻蝕，可以切出2刃、4刃、6刃等截面形狀的微銑刀。另一種常用的方法是線電極電火花磨削（WEDG），與離子束加工相比，WEDG方法具有設(shè)備簡單，可操作性強的優(yōu)點。最近，X.Cheng和K.Nakamoto等美日兩國學(xué)者聯(lián)合研制的超精加工系統(tǒng)具有微銑刀的制造功能，圖3（b）是該系統(tǒng)用線電極電火花加工方法制造的直徑為0.2mm六邊形微銑刀。傳統(tǒng)的切削加工方式在微銑刀的制造中也有應(yīng)用，H.Suzuki等人為了制作聚晶金剛石微銑刀，在直徑為2mm的微銑刀刀盤上，用金剛石磨輪在刀盤圓周方向磨出20個切削刃，并成功地用于微銑削試驗。H.Ohmori等人也用磨削的方式制造出刀尖直徑僅1μm的微刀具，如圖3（c）所示。

圖3 微銑削刀具

目前市場提供的微型刀具，尺寸和形狀的偏差極不均勻。因此，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解決的問題之一。

二 微銑削加工機理

1 微銑削中切屑的形成

切屑的形成是一個非線性的動態(tài)過程。在宏觀尺度切削過程中，每齒進給量通常比銑刀切削刃鈍圓半徑大的多，每一齒都會有切屑產(chǎn)生，切削刃鈍圓半徑的影響可以忽略。而在微銑削過程中，每齒進給量大致等同于甚至小于微銑刀的切削刃鈍圓半徑，這時刀具將以較大的負前角進行切削，導(dǎo)致對工件材料的摩擦，擠壓或耕犁作用占有更大的地位，從而影響切屑的形成。Kim等人通過對微細銑削中切屑形成的實驗分析得出，當(dāng)每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時，由于最小切削厚度的存在，此時工件表面僅發(fā)生了彈性變形，刀刃會咬不住工件而打滑，只能起到擠壓的作用，每齒進給期間有可能沒有切屑產(chǎn)生，經(jīng)過若干個齒后，才會有切屑形成，從而導(dǎo)致間歇性的切屑的形成過程；當(dāng)每齒進給量大致等同于切削刃鈍圓半徑時，刀具剪切工件形成了切屑，此時仍有部分彈性變形發(fā)生，實際的切削厚度比名義上的要??；當(dāng)每齒進給量大于切削刃鈍圓半徑時，工件彈性變形現(xiàn)象明顯減少，實際切削厚度逐漸接近名義切削厚度，刀具切過的工件材料絕大部分轉(zhuǎn)化成了切屑。

2 微銑削中的切削力

微切削時，由于工件尺寸微小，從強度、剛度上來說都不允許采用較大的切削深度和進給量，同時為保證工件尺寸精度的要求，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，切削力比常規(guī)切削小，但切削力并不始終隨著切削厚度的減小而減小。當(dāng)切削厚度小于材料的晶粒直徑時，使得切削只能在晶粒內(nèi)進行，這時的切削相當(dāng)于對一個個不連續(xù)體進行切削，切削的物理實質(zhì)是切斷材料分子、原子間的結(jié)合，實現(xiàn)原子或分子的去除，此時的切削力就會變大，這就是微切削中的尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)是微尺度加工下獨特的現(xiàn)象，它的出現(xiàn)對切削力、切屑形成及形態(tài)、加工表面質(zhì)量有著重要的影響。它的一個最顯著特征就是隨著切削尺寸的減小，切削力會出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象。在微切削加工下，切削深度和材料的晶粒尺寸處在同一個數(shù)量級上，有時甚至小于材料的晶粒直徑，使得切削只能在晶粒內(nèi)進行。

在常規(guī)銑削中，每齒進給量通常比切削刃鈍圓半徑大得多，因此大多情況下刀具可以被看成是完全鋒利的，且切削厚度遠大于最小切削厚度，伴隨著每個刀齒經(jīng)過都會有切屑形成。但在微銑削中，由于隨著刀具尺寸的減小，刀具的剛度也隨之減小，為了提高刀具的使用壽命和加工精度，微銑削時的每齒進給量通常在微米級，甚至更小。而硬質(zhì)合金微型銑刀通常有幾個微米的切削刃鈍圓半徑，如圖4所示。

圖4 圓弧刃切削模型

因此，微銑削中的每齒進給量大致等同于甚至小于切削刃鈍圓半徑，這時刀具將以負前角進行切削，工件材料受到刀具切削刃的摩擦、擠壓作用，彈塑性變形加劇，容易產(chǎn)生犁耕效應(yīng)；另外此時不是每一刀都會有切屑產(chǎn)生，在切削中存在一個臨界點，只有當(dāng)剪切滑移發(fā)生在臨界點以下的時候，才會有切屑產(chǎn)生，我們把這個現(xiàn)象稱為最小切削厚度效應(yīng)。最小切削厚度效應(yīng)以及相對較大的刀具跳動量，將可能導(dǎo)致每齒進給期間的切削過程從以剪切為主變化到到以擠壓或耕犁為主，這將對微銑削過程中切屑形成、表面形成、切削力、振動和切削過程穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的影響，從而影響零件表面質(zhì)量、加工精度和刀具使用壽命；最后由于每齒進給量大致等同于甚至小于切削刃鈍圓半徑，此時刃口鈍圓半徑還會對切削變形區(qū)產(chǎn)生較大影響。

其中：γe為刀具與切屑接觸區(qū)平均切削前角；

ρ為刀具刃口半徑；

αc為切削厚度。

切削力尺寸效應(yīng)及最小切削厚度的存在使得普通切削的切削力模型已不再適合于微切削，需要針對微銑削的特點建立新的切削力的模型。

3 微刀具的磨損

刀具磨損也是微銑削研究中一個熱點研究方向。微銑削試驗所使用的刀具直徑一般在0.1～1mm之間，而刀具切削刃半徑通常只有2um左右，不僅因刀具的幾何尺寸極小易導(dǎo)致刀具磨損，而且微銑削的犁溝現(xiàn)象也加劇了刀具的磨損。

目前，在刀具磨損研究方面，主要是通過實驗分析對工藝參數(shù)進行討論。Bao采用1mm銑刀開展研究，通過實驗擬和的方法建立了能夠考慮刀具磨損的銑削力模型，并且對刀具壽命進行計算；Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極，發(fā)現(xiàn)刀具以磨粒磨損為主，磨損形態(tài)為后刀面磨損、前刀面磨損、微碎裂和破損，并提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具磨損和破損。另有人通過大量的實驗研究表面粗糙度隨刀具磨損的變化趨勢，表明當(dāng)切削速度高時刀具的磨損比較劇烈。因此，微銑削加工的刀具磨損是一個影響加工質(zhì)量和加工成本的關(guān)鍵問題。

三 結(jié)論

微銑削加工來源于宏觀銑削加工，但是尺度上簡單的縮小并不能解釋微銑削加工過程中出現(xiàn)的問題，微銑削加工擁有自己獨特的加工機理和特點。另外，需對微型機床和微型刀具、切屑去除過程、切削力預(yù)測、尺度效應(yīng)、建模、裝配等方面進行深入的研究，以此來提高微銑削加工的精度和生產(chǎn)率。到目前為止，對微銑削加工技術(shù)的研究還很不充分，在理論和技術(shù)等方面還有大量具有挑戰(zhàn)性的課題值得作進一步的深入探討。微銑削加工技術(shù)是微細加工工藝的一個重要延伸，它的成功實現(xiàn)將在未來的致動器、機器人和航天器等具有更高功能性要求的微型光、機、電等產(chǎn)品的制造中起到非常重要的作用。

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Recent Advances in Micro-Milling Technology

WANG Hui
（Huainan Vocational＆Technical College，Huainan Anhui232001）

Micro-milling is considered asone of the most flexible cutting methods and has a promisingprospect.In this paper，the background of micro-cutting technology is introduced and the research situation on it is reviewed.This paper investigates the machining mechanism，dynamic characteristics and geometry about micro tools.Some subjects for future researcheson the technology are proposed after analyzing themajorproblems existing in the process of its development.

micro-milling；micro-milling tools；machiningmechanism

TG54

A

1671-4733（2010）02-0057-03

2010-04-21

王慧（1979-），女，河南永城人，研究生，助理講師，研究方向為先進制造技術(shù)，電話：13956409259。