關(guān)于微細(xì)切削加工技術(shù)的探究

吳超 任夢(mèng)羽

摘 要：本文首先對(duì)微細(xì)切削加工進(jìn)行了概述，介紹了微細(xì)加工特點(diǎn)及加工機(jī)理，最后對(duì)微細(xì)切削加工技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀和前景做了詳細(xì)闡述。通過(guò)本文可以明確微細(xì)加工技術(shù)的重要位置以及未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：微細(xì)加工 加工機(jī)理 微細(xì)加工機(jī)床 微細(xì)加工刀具

中圖分類(lèi)號(hào)：TG66

前言

隨著航空航天、國(guó)防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)微小裝置的功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、可靠性的要求越來(lái)越高，從而使得對(duì)特征尺寸在微米級(jí)到毫米級(jí)、采用多種材料、且具有一定形狀精度和表面質(zhì)量要求的精密三維微小零件的需求日益迫切。然而，目前用于微小型化制造的主要是MEMS技術(shù)，它集中于由半導(dǎo)體制造工藝發(fā)展而來(lái)的工藝方法和相關(guān)材料，加工材料單一[1]。同時(shí)MEMS技術(shù)趨向于制作平面微機(jī)械零件和MEMS器件，對(duì)任意三維微小零件的加工限制很大。采用微細(xì)切削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料任意形狀微型三維零件的加工，彌補(bǔ)了MEMS技術(shù)的不足，所制作出的各種微型機(jī)械有著日益廣闊的應(yīng)用前景。

1 微細(xì)加工的概述

微細(xì)加工是指對(duì)小型工件進(jìn)行的加工。微細(xì)加工通常用在醫(yī)療器械領(lǐng)域和電子領(lǐng)域。由微細(xì)加工工藝生產(chǎn)的零件通常需要用顯微鏡來(lái)觀察。微細(xì)加工一般在專(zhuān)門(mén)進(jìn)行微小件或精密加工的車(chē)間進(jìn)行。[2]

從廣義角度來(lái)講，微細(xì)加工包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術(shù)，磨料加工技術(shù)，電火花加工，電解加工，化學(xué)加工，超聲波加工，微波加工，等離子加工，外延生產(chǎn)，激光加工，電子束加工，離子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義角度來(lái)講，微細(xì)加工主要指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)。因?yàn)槲⒓?xì)加工和超微細(xì)加工是在半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，是信息時(shí)代，微電子時(shí)代，光電子時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。

2 微細(xì)切削加工的機(jī)理

微切削時(shí)切削厚度通常都在微米級(jí)0.1-200um，切削刃刃口圓弧半徑通常也在微米級(jí)別。不同于宏觀切削，微切削中切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值成為一個(gè)不可忽略的變量，切削刃刃口圓弧不可視為鋒利。微切削特別是微統(tǒng)削過(guò)程中切削厚度有時(shí)甚至小于切削刃刃口圓弧半徑，這時(shí)主要由微刀具來(lái)擠壓推動(dòng)切削刃前方的工件材料流動(dòng)形成切屑。由于切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑比值的影響，宏觀切削的加工機(jī)理已不適用于微切削，導(dǎo)致微切削有著自己獨(dú)特的材料去除機(jī)理，主要表現(xiàn)在微切削過(guò)程中的最小切削厚度、單位切削力的尺寸效應(yīng)、表面完整性的尺寸效應(yīng)和毛刺高度的尺寸效應(yīng)等。這些尺寸效應(yīng)是目前研究微切削加工的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。[3]

3 微細(xì)切削技術(shù)研究進(jìn)展

微細(xì)切削技術(shù)是一種兼顧加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠適應(yīng)微機(jī)械零件材料多樣化、結(jié)構(gòu)三維化、批量柔性化的產(chǎn)品要求，在加工微小型零件方面具有較大成本優(yōu)勢(shì)和工藝優(yōu)勢(shì)，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。[4]

3.1 微細(xì)加工機(jī)床的研究

微細(xì)切削加工技術(shù)具有單項(xiàng)技術(shù)的極限、常規(guī)技術(shù)的突破和高新技術(shù)的綜合三個(gè)方面的特點(diǎn)。微細(xì)切削加工機(jī)床是微細(xì)切削加工最重要、最基本的加工設(shè)備。其關(guān)鍵部件是主軸及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)軌及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)裝置和微進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。為達(dá)到很小的進(jìn)給量，需要各軸能實(shí)現(xiàn)足夠小的微量移動(dòng)，微量移動(dòng)應(yīng)可小至幾十納米。應(yīng)具備高靈敏、高精度跟蹤性能的伺服進(jìn)給系統(tǒng)、低熱變形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高主軸轉(zhuǎn)速、高定位精度、穩(wěn)定的床身構(gòu)件以及刀具的穩(wěn)固夾持和高的重復(fù)加持精度。[5]

1970年，日本Dutta等人提出微型機(jī)床概念但沒(méi)有被廣泛接受。之后日本微機(jī)械中心推行了一個(gè)微制造技術(shù)研究計(jì)劃。該計(jì)劃以桌面工廠的新概念為研究背景，一批微小型機(jī)床紛紛亮相，最初開(kāi)發(fā)的微型機(jī)床如圖1所示：

該微型車(chē)床整體尺寸為32mm×25mm×30.5mm。整體質(zhì)量?jī)H有100g；XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)由壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；主軸電機(jī)額定功率為1.5W，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到10000r/min；該車(chē)床能加工的工件最小直徑能達(dá)到60um。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的三軸聯(lián)動(dòng)微小型超精密微細(xì)銑削機(jī)床如圖2，整體布局為龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，機(jī)床外形尺寸為600mm×500mm×700mm，三軸的工作行程均為75mm。整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心是PMAC卡，這個(gè)機(jī)床系統(tǒng)是閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，采用的光柵分辨率為5um。經(jīng)過(guò)調(diào)試，三軸的定位精度達(dá)到0.25um，重復(fù)定位精度達(dá)到0.2um。

3.2 微細(xì)加工刀具研究

在微細(xì)切削加工時(shí)，使用的刀具必學(xué)具備下列條件：刀具刃口的鋒利性，切削加工刀具的耐磨損性，刀具刃口要有足夠的強(qiáng)度。

目前用于微細(xì)切削加工的超硬刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼和陶瓷等、單晶金剛石刀具。微細(xì)形狀的切削由于很難在切削后再進(jìn)行精加工，因此需要利用刀尖部不會(huì)發(fā)生變化的“無(wú)損刀具”加工至最后。上述刀具材料因硬度高而難以進(jìn)行刀具成型，要實(shí)現(xiàn)微小直徑，必須找到高精度、高效率的刀具成型法。日進(jìn)工具有一款通過(guò)研磨成型的直徑為30um的方形立銑刀，為最大限度的確保截面面積，采用了將圓柱削去一部分的切削刃形狀。如圖3所示。

4 結(jié)論

微細(xì)加工技術(shù)是精密加工技術(shù)的一個(gè)分支，這一領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)未來(lái)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)等將產(chǎn)生巨大影響，先進(jìn)國(guó)家紛紛將之列為未來(lái)關(guān)鍵技術(shù)之一并擴(kuò)大投資和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與開(kāi)發(fā)，所以我們有理由有必要加快這一領(lǐng)域的發(fā)展和開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅惠南，納米切削實(shí)驗(yàn)研究，中國(guó)機(jī)械工程，2001，12（8）：65-69

[2] 黃燕華，董申，袁光輝，張昭瑞，羅青，微細(xì)電極精密車(chē)削技術(shù)，電加工與模具，2003，15（4）：14-16

[3]于化東.超精密微機(jī)械制造技術(shù)研究進(jìn)展[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，31（3）：1-4

[4] 鄒濟(jì)林 微細(xì)切削加工及其相關(guān)技術(shù)[J]1機(jī)械制造，1998，20（11）：7 -81

[5] 趙炳禎1微細(xì)切削加工的應(yīng)用前景[J]1工具展望，2002（4）：88 -921