微型刀具的精度

史海濤

摘 要：微型刀具應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，從醫(yī)療領(lǐng)域到模具領(lǐng)域都有，其原因是微型刀具能夠以較低成本用較短時間進行精度極高的加工。但是如何保證如此微小的刀具的精度呢？

關(guān)鍵詞：微型道具;精度

在微型銑削中，非常小的偏差都能妨礙工序并引起成本增加，因此，這些精細而昂貴的刀具提出了極高的要求。質(zhì)量檢查是通過精度極高的光學測量機或者光電-觸覺測量機進行的。當要求形狀公差±2μm或者同心度低于2μm時，很多用戶和制造商都直搖頭。然而就是這樣的銑刀才能大大的節(jié)省模具加工中的成本：由于HSC技術(shù)，用高速銑床就能夠進行模具的所有加工。

1 關(guān)鍵因素

如果采用正確的基體、幾何尺寸和鍍層的話，現(xiàn)代微型銑刀能夠直接加工淬火鋼，這樣就能夠避免極其昂貴的復(fù)雜電極生產(chǎn)以及緩慢的電火花加工。無論用什么方式，微型銑刀的質(zhì)量要求都是相當高的，表面質(zhì)量、尺寸精度和形狀的保持度都必須完美地一致。要獲得完美的切削，這種銑刀的某些參數(shù)就特別重要。比如，刀柄的精度對切削質(zhì)量影響很大，因為磨床要夾持其刀柄進行磨削加工。另外，刀柄的同心旋轉(zhuǎn)對于避免振動也非常重要，因為微型銑刀在應(yīng)用中轉(zhuǎn)速在20000到60000轉(zhuǎn)/分。在精加工中切削深度經(jīng)常需要達到20-50μm，因此半徑的公差非常嚴格（比如5μm或者更低）以便所有的刀刃都承擔同樣的切削負荷。如此嚴格的半徑公差能夠顯著提高表面質(zhì)量，這樣一來以后昂貴的手工修復(fù)就不必要了，刀具的工作壽命得到了很大的延長。為了得到這些優(yōu)點，所采用的銑刀必須擁有最好的質(zhì)量。一切都必須完美：所采用的基體、宏觀尺寸（刀柄以及刀桿的形狀）以及刀刃的形狀和質(zhì)量。

微銑刀不是傳統(tǒng)銑刀整體形狀和局部結(jié)構(gòu)的簡單等比例縮小，目前國內(nèi)外已研制出了一系列的微銑刀，滿足了微加工需求。從微銑刀材質(zhì)看，主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、PCD和金剛石;前兩者成形性能優(yōu)良、韌性好，容易獲得鋒利的刃口，但耐磨性和尺寸精度保持性欠缺;PCD、金剛石硬度高、可制出鋒利耐磨刃口，但是成性性能差、結(jié)構(gòu)制造性弱，且刃-體須單獨制造后再連接、工藝復(fù)雜。而綜合力學性能介于碳化鎢與PCD之間的陶瓷卻無用于制造微細銑刀的相關(guān)研究。從加工對象看，高速鋼和硬質(zhì)合金微銑刀只能切削硬度低于其本身的工件材料，而眾多的其他難加工材料始終是其努力逾越的屏障;PCD微銑刀雖刃口鋒利，但由于材質(zhì)成分特性的限制，無法擺脫只能加工有色金屬的應(yīng)用限制。采用陶瓷作為制作微細銑刀的材料，陶瓷的硬度要高于硬質(zhì)合金和高速鋼，刀具的刃口具有更強的鋒利保持性，制造出的陶瓷微細銑刀適用于高速微細鋁合金、鈦合金、不銹鋼和模具鋼，銑削效率和零件表面質(zhì)量比硬質(zhì)合金刀具提高1.5～2.0倍。[1]

2 質(zhì)量保證

只有通過結(jié)合昂貴的磨削技術(shù)以及簡單且高精度的測量技術(shù)才能保證為了達到該目的的必要的質(zhì)量。對形狀精度、同心度、刀刃質(zhì)量和前刀面和后刀面進行檢查，是非常重要的。解決這些問題的方案是新的，那就是300mm以下刀具的高精度測量設(shè)備，其包括特殊應(yīng)用的傳感器系統(tǒng)，比如圖像分析、激光或者觸頭和其它傳感器、數(shù)值可重復(fù)度低于1μm，符合VDI-VDE2617標準或者ISO10360標準。現(xiàn)代測量工具和精細的操作措施對于保證精確度來說是非常必要的。為了監(jiān)視小于1μm的半徑和直徑，需要高倍放大。然而，多年來，形狀的測量和同軸度的測量都是用光掃描措施，其中利用了顯微鏡檢查視場、采用相關(guān)圖像分析算法的照明技術(shù)和傳感器的知識。為了調(diào)整到刀具的精度和尺寸，圖像分析傳感器的目標是進行放大自動調(diào)節(jié)和加工距離自動調(diào)節(jié)。它能夠確定地測量最小的細節(jié)以及微型刀具。在測量微型刀具的過程中，除了光學儀器外還采用了激光和光纖傳感器。光纖傳感器具有不大于15μm的微小球形探頭，專用于測量刀面和小絲錐的螺紋輪廓或者測量管道系統(tǒng)。高精度3D傳感器系統(tǒng)能夠在磨床上建立調(diào)節(jié)回路，從而能夠確切地使前角和后角公差在±1°以內(nèi).在全球化和成本增長的大背景下，最高的標準是成功的必要條件。為了獲得生產(chǎn)工藝中的時間優(yōu)勢，利用幾何數(shù)據(jù)（2D或3D）輸入到磨床軟件中或者直接用來自動測量是很重要的。

微細銑刀的磨削是一種特殊的磨削工藝，其步驟有（1）銑刀柄部的磨制：將選定材料的棒材經(jīng)過粗磨，再經(jīng)過半精磨，最后經(jīng)過精磨將棒材的端部外徑打磨至尺寸，并打磨光滑;（2）確定銑削刀頭的長度及端部倒角;（3）銑削刀頭的粗磨：將確定好位置的銑削刀頭的外徑磨至尺寸;（4）螺旋槽的半精切：切削銑削刀頭螺旋槽，通過半精切步驟可精確保證刃部尺寸的一致性，為后道工序加工后刃部尺寸的精準性做好基礎(chǔ);（5）螺旋槽的打磨：根據(jù)設(shè)計的角度將打磨好的銑削刀螺旋磨削，加工得到螺旋槽;（6）端齒前、后角的打磨：將打磨好左、右螺旋槽的銑刀周齒前后角按照設(shè)計角度加工、打磨;（7）清洗、檢驗。[2]

3 刀柄檢測技術(shù)

在模具制造中，極其嚴格的形狀公差只能通過最好的刀具裝夾技術(shù)來控制。傳統(tǒng)的裝夾主軸通常是不夠精確的，因為可能存在同心度不好以及由此引起的振動誤差，而這些誤差有時甚至會很大。為了檢驗刀柄的正確性，要把這些刀具放在一個鍍藍寶石的高精度V形槽中，用電機驅(qū)動進行高精度的旋轉(zhuǎn)，從而銑刀所制成的形狀不包括來自緊固零件的誤差，而只有刀刃或者刀柄的誤差。

刀柄的抗彎特性決定了加工過程中刀柄在切削抗力作用下的切削穩(wěn)定性，對加工效果有決定性的影響，因此在某種型號的刀柄設(shè)計出準備投入市場前，需要對刀柄的抗彎特性進行對比研究，分析新型刀柄相對于其他舊型刀柄在抗彎特性上的優(yōu)勢?？箯澨匦匝芯窟^程中的刀柄變形量測試一般是在刀柄上選取一個截面，該截面距離主軸端面為某一預(yù)設(shè)距離，對刀柄加載不同載荷轉(zhuǎn)動時，檢測該截面處的位移振動信號，即為刀柄的負載變形量。[3]

數(shù)控刀具通過數(shù)控刀柄與數(shù)控機床連接，而為了提高加工精度，不僅對刀具的要求比較高，由于數(shù)控刀具和工件之間的相對運動是通過數(shù)控刀柄進行傳遞的，所以數(shù)控刀柄的精度要求也非常高。在刀具生產(chǎn)過程中，會對刀柄的各個部位進行檢測，由于數(shù)控刀柄的內(nèi)徑是與數(shù)控刀具直接接觸的，所以數(shù)控刀柄的內(nèi)徑檢測特別重要。

參考文獻：

[1]“一種金屬陶瓷微細銑刀的制造方法及銑刀”專利號201710092847.0.

[2]“一種微型菱齒銑刀”專利號201120012260.2.

[3]“一種有效簡便測量刀柄動態(tài)抗彎特性的實驗裝置及方法”，專利號201310001323.8.