微鉆技術(shù)最新研究進(jìn)展之一
——傳統(tǒng)微鉆技術(shù)

姜正義

（1.伍倫貢大學(xué)機械、材料、機電與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，新南威爾士州，伍倫貢 2522；2.遼寧科技大學(xué)，材料與冶金學(xué)院，遼寧，鞍山114051;3.鞍鋼集團鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室，遼寧 鞍山114009）

近年來，電子、航空、醫(yī)藥和汽車等行業(yè)生產(chǎn)“更小、更快、更便宜”的微型化產(chǎn)品的趨勢日益明顯[1-4]。 小型化元件，如印刷電路板（PCB）、微噴嘴、微模具、化學(xué)微反應(yīng)器、牙齒植入、高科技醫(yī)療電器、燃油過濾器及燃油點火系統(tǒng)等的生產(chǎn)都是通過微加工技術(shù)幫助完成的[5-6]。微鉆孔是最基本的微加工技術(shù)之一，一般定義為直徑在1 μm到1 mm之間的鉆孔。為了滿足微鉆頭的需求，根據(jù)應(yīng)用的類型、尺寸精度要求、孔壁表面質(zhì)量和速度，大量不同的、傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。本文對傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)的演變過程、分類、幾何結(jié)構(gòu)及材料等進(jìn)行了概述，重點介紹傳統(tǒng)的微鉆頭制備技術(shù)用于生產(chǎn)不同形狀的微鉆頭，如螺旋形、鏟形、D形、單槽、復(fù)合鉆和涂層微鉆頭。

1 傳統(tǒng)微鉆技術(shù)的演變過程

鉆孔是最常用的機械加工技術(shù)之一，自古埃及時代就開始使用。據(jù)估計，僅在美國工業(yè)中每年就使用大約2.5億個鉆頭[7]。微鉆頭的需求在二十世紀(jì)四十年代就已經(jīng)顯現(xiàn)，之后開始嘗試生產(chǎn)高質(zhì)量的微鉆頭[8]。

1958年，Levin通過機床制造了一個小至0.015 mm的鉆孔，這可能是微鉆頭技術(shù)的第一次嘗試；在1960年到1970年之間，日本和美國進(jìn)行了少量的微鉆技術(shù)研究[9-10]；之后的十年，無論是在傳統(tǒng)微鉆技術(shù)還是非傳統(tǒng)微鉆技術(shù)都可以視為微鉆技術(shù)競爭的開始，此間進(jìn)行了幾種不同的研究實驗，但實驗范圍較窄，同時也開展了一些微鉆理論研究，如扭矩和推力分析；1980 年，Sugawara[11]對不同的微鉆頭參數(shù)包括鉆頭的形狀、進(jìn)給速度、切削速度、工件結(jié)構(gòu)、切屑形成和切削力等進(jìn)行了討論。Iwata等人[12]在1981年發(fā)表的研究中提出高速鋼的微深鉆速度可高達(dá)18 000 rad/min；20世紀(jì)80年代末，隨著計算機數(shù)控 （CNC）的引入，為了滿足日益增加的印刷電路模具大批量生產(chǎn)而需要制造小孔的問題，至此微鉆技術(shù)開始了以滿足不同行業(yè)不斷增長的需求為宗旨的創(chuàng)新發(fā)展。

2 微鉆頭幾何結(jié)構(gòu)

鉆頭的幾何形狀在很大程度上影響它在鉆孔過程中的行為方式。許多學(xué)者已經(jīng)研究了微鉆頭的形狀和幾何結(jié)構(gòu)對鉆孔的的影響[13-14]。考慮到小型螺旋鉆橫截面形狀的差異，可將其分為三大類。第一類鉆頭的直徑范圍為0.5～1.0 mm，形狀與普通鉆頭相似，唯一的變化是沒有邊緣形成咬邊的臺階；第二類鉆頭的直徑范圍為0.2～0.5 mm，其特征是沒有邊緣（整個鉆面直徑相同）且腹板逐漸增大；第三類鉆頭直徑小于0.2 mm，桿體為鋼筋，其相對腹板厚度比其他類別大很多[15]。 2007 年 Coombs[16]對微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解釋，如圖1所示。圖1說明了微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)主要由鉆柄、鉆頭組成，而作為主體部分的鉆頭主要由切削刃、鉆芯、鉆尖和螺旋槽組成。

圖1 典型微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)[16-18]Fig.1 Typical Geometric Structure on Micro-drilling[16-18]

3 微鉆頭材料

材料科學(xué)和制造技術(shù)的最新發(fā)展，極大地擴展了刀具設(shè)計者在設(shè)計刀具和選擇材料時的自由度。通過控制材料在微觀和納米尺度上的分布，可以設(shè)計出具有負(fù)彈性模量、電磁和聲學(xué)帶隙或超疏水表面等特殊性能的超材料。通過粉末冶金，可以制造出具有高硬度、高剛性和高溫耐磨性等的優(yōu)良性能合金。

3.1 材料特性

在射孔過程中，微鉆頭以極高的速度旋轉(zhuǎn)，因此摩擦?xí)?dǎo)致高溫。此外，在加工過程中形成的缺口會使鉆頭的切削刃產(chǎn)生高應(yīng)力，最終導(dǎo)致疲勞和斷裂。因此，選擇一種合適的微鉆頭材料至關(guān)重要。為了成功的實現(xiàn)微穿孔，鉆頭材料必須具有以下特性：具有足夠的材料硬度，以承受刀具/試樣界面的切削力和切屑/刀具界面的高溫；具有優(yōu)異的耐磨性，避免刀具磨損，延長刀具壽命；具有足夠的硬度和韌性，以防止刀具斷裂。

3.2 材料種類

在大尺度鉆孔中使用的材料和合金種類繁多，但在微尺度鉆孔中材料和合金種類的選擇仍然很有限。目前，最常見的商用微鉆頭材料包括：碳化鎢（WC）、高速鋼（HSS）、金屬陶瓷和多晶金剛石（PCD）。其中，WC和HSS因其良好的性價比而被廣泛使用。

（1） WC

硬質(zhì)合金是由細(xì)晶碳化鎢和鈷在高溫高壓下混合而成。WC是指借助于粉末冶金方法制成的合金，鈷（Co）通常作為結(jié)合元素加入，其質(zhì)量百分比為6%～15%。WC因具有優(yōu)異的耐磨性、較高的剛度(比HSS高2～3倍)、極低的熱膨脹系數(shù)和較高的斷裂強度而成為制造微鉆頭的主要選擇[19-20]。這些優(yōu)異的機械性能和熱性能給WC微鉆頭提供了更高的切削力(比HSS高2～3倍)，提高了位置和尺寸精度，改善了表面光潔度，提高了生產(chǎn)率(比HSS高4～12倍)，這些固有特性使WC微鉆頭得以廣泛使用[21-22]。

WC微鉆頭雖然具有上述優(yōu)良的材料特性，但也存在一定的局限性。例如：精密加工條件、高功耗以及強度和斷裂韌性逐漸降低。WC微鉆頭的主要缺點是使用壽命短，與大尺度鉆頭不同，微鉆頭經(jīng)常在磨損之前就壞掉了[23-24]。由于WC非常堅硬易碎，所以即使有一點點變形，也會分解。推力過大，機床定位不準(zhǔn)確，操作條件不準(zhǔn)確、移除缺口失敗和鉆頭幾何參數(shù)的不合理都會使鉆頭彎曲或變形，最終導(dǎo)致鉆頭在鉆孔過程中損壞。另一方面，WC微鉆頭的成本是HSS的3～5倍。

未來的研究重點可以放在10 nm以下的納米尺度WC粉的生產(chǎn)、燒結(jié)以及納米WC晶粒長大的研究方法上。WC晶粒細(xì)化會使硬度、耐磨性和剛性增強。目前，研究開發(fā)了一種既節(jié)省使用成本又提高刀具壽命的雙層復(fù)合微鉆頭。內(nèi)芯采用低成本、高強度材料，外套管選用具有優(yōu)異耐磨性、超高硬度和較高切削速度[25-26]的材料，顯著降低鉆頭材料的成本。

（2）HSS

除WC外，HSS因其能夠提高刀具壽命，降低成本而成為許多廠家的首選。HSS的主要缺點是耐磨性差、硬度低，最高工作溫度為500℃。目前，粉末冶金生產(chǎn)的高速鋼(又稱HSSPM)具有高耐磨性、高韌性和高硬度。最近有一種制造超高速鋼的趨勢，稱為含鈷合金的超高速鋼（HSS-E）。粉末冶金生產(chǎn)的含鈷合金HSS-E-PM鋼具有非常均勻的組織，對微精密鉆頭維持高性能有直接的積極影響。

4 傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)分類

傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)是通過將鉆頭安裝在主軸上，利用高速旋轉(zhuǎn)穿過工件而形成微孔。根據(jù)微鉆頭的形狀和結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)微鉆技術(shù)主要分為螺旋形、麻花形、鏟形、D形、單槽、復(fù)合微鉆頭以及涂層微鉆頭技術(shù)。

4.1 螺旋式微鉆頭

螺旋式微鉆頭具有最復(fù)雜、最有利的切削形狀，在應(yīng)用方面，這類微鉆頭的市場需求比例最高。由于所承受的載荷大，微鉆頭的機械強度往往不夠，經(jīng)常會在微鉆頭磨損之前發(fā)生斷裂。因此，降低微鉆頭斷裂幾率的關(guān)鍵是對微鉆頭的力學(xué)性能進(jìn)行精確的評估[15,27]。有限元法被廣泛應(yīng)用于模擬建模，預(yù)測并選擇最佳幾何參數(shù)[28-29]。微鉆頭的機械性能、摩擦學(xué)性能、表面織構(gòu)對微鉆頭的性能有著重要的影響。潤滑對提高切削效率，消除切削過程中產(chǎn)生的熱量，延長刀具壽命具有重要意義，很多研究都測試了潤滑或金屬工作液（MPF）的效果[30-32]。

4.2 麻花形微鉆頭

麻花型微鉆頭的形狀復(fù)雜，但也是最有利于切割的。從應(yīng)用上看，這類微型鉆頭在市場需求中所占比例最高。麻花型微鉆頭具有產(chǎn)量高、市場占有率高、尺寸精度高等優(yōu)點，是目前最流行的微鉆頭加工方式。隨著微鉆技術(shù)不斷地發(fā)展，超小型麻花型微鉆頭的研制逐漸增多。在不斷改進(jìn)微鉆頭性能的同時，微鉆頭的尺寸也在不斷減小。最新的微型化成就是由NS工具（日進(jìn)工具株式會社）制造出的直徑為10 μm的麻花型微鉆頭，它采用納米碳化鎢粉末作為微鉆頭材料，標(biāo)準(zhǔn)長度達(dá)到10 d左右，其顯微圖像[33]見圖 2。

另一項成果是ATOM制造的一種d=20 μm的麻花型微型鉆頭。該鉆頭采用微鉆頭標(biāo)準(zhǔn)長度L=10 d，由碳鋼、合金鋼、鈦、樹脂、鋁等多種工件材料制成。 MPK Kemmer[34]生產(chǎn)了一種 d=30 μm的微型鉆頭（如圖3所示），這種微晶WC鉆頭主要用于印刷電路板（PCB）的穿孔。

圖2 超小麻花鉆頭Fig.2 Ultra Small Twist Drill

圖3 微型麻花鉆頭（d=30 μm）Fig.3 Miniature Twist Drill(d=30 μm)

4.3 鏟式微鉆頭

鏟式微鉆頭是最微小的一種微型鉆頭。當(dāng)鉆孔直徑＜10 μm時，小型麻花微鉆頭的制造具有一定難度，麻花型微鉆頭不再適合完成鉆孔任務(wù)。在這種情況下，宜使用鏟形微型鉆頭，盡管切削能力與麻花型相比稍顯有限。鏟式微鉆頭切削性能差的主要原因是鏟式微鉆頭不具有螺旋面，切屑去除困難。另一個問題是該類鉆頭沒有尖端。鏟式微型鉆頭見圖4[33,35]

據(jù)報道，最新研究成果是由美國國家航空公司（National Jet）制造的一種直徑小到2.5 μm的鏟形微型鉆頭，它能夠在直徑為70 μm的人體毛發(fā)內(nèi)制造直徑約為30 μm的孔。由于制造簡單 （幾何形狀簡單），所以鏟形微鉆頭的成本比麻花型微鉆頭低。然而，人們對這種產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化關(guān)注較少，研究工作的報道很有限。由于目前的工業(yè)需求不斷向小孔方向發(fā)展，因此進(jìn)一步研究鏟式微孔鉆的性能很有前景。

圖4 鏟式微鉆頭（d=12.5μm）Fig.4 Spade Type Miniature Drill（d=12.5μm）

4.4 D型微鉆頭

D形微鉆頭（也稱半圓形微鉆頭[33,36]）通常用于直徑小于50 μm的微型鉆孔。D型微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)如圖5[2]所示，其輪廓為半圓柱形，有一條直槽。這種微型鉆頭的優(yōu)點是制造簡單、直徑小，但其切削性能由于切屑不易去除而受到限制[33,36]。和鏟形微鉆頭一樣，D形微鉆頭也不像麻花型微鉆頭那樣使用廣泛，關(guān)于這種微型鉆頭適用性的研究報道也非常有限。鑒于D型微型鉆頭具有制造方便、直徑小、成本低等優(yōu)點，是一個值得深入研究的領(lǐng)域。

圖5 D形微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)Fig.5 Geometric Structure of D-shaped Miniature Drill

4.5 單槽微鉆頭

傳統(tǒng)的雙螺旋微鉆頭大大降低了微鉆頭的剛度，限制了鉆頭的抗斷能力。為解決這一問題，設(shè)計了一種單槽微型鉆頭。單槽微鉆頭是Houser于1996年發(fā)明的，它的主要優(yōu)點有：切屑和孔壁之間的接觸面積?。◣缀跏桥まD(zhuǎn)型的一半），減少了熱量的產(chǎn)生，易于處理切屑，具有較大的寬高比，降低了破碎率的同時提高了位置精度。盡管具有這樣好的特性，但也存在一些局限性。由于在單槽微鉆頭中，只有一個槽對應(yīng)一個切削區(qū)域，通常是麻花型的一半，所以在相同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度條件下，該微鉆頭的切削速度比麻花型微鉆頭的要低。

最近，Lee等人用solidworks軟件設(shè)計了一種單槽微鉆頭，并進(jìn)行了幾何分析。該研究的主要特點是通過提高鉆頭強度和降低鉆削過程中產(chǎn)生的切削扭矩來延長刀具壽命。新型單槽微型鉆頭如圖6所示。

目前，只有少數(shù)幾家制造商在工業(yè)上生產(chǎn)單槽微鉆頭，還沒有得到大規(guī)模的普及。在未來的研究中，優(yōu)化單槽微鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)，選擇適當(dāng)?shù)穆菪呛透拱搴穸?、去除加工切屑，以及提高切削速度等都是非常有意義的研究領(lǐng)域。

圖6 新型單槽微型鉆頭[17]Fig.6 New Type Single Groove Miniature Drill[17]

4.6 復(fù)合微鉆頭

Onishi等人[37]已制造出直徑為 80 μm 的復(fù)合微鉆頭，在鉆頭的前半部分電鍍著具有研磨作用的金剛石顆粒。復(fù)合微型鉆頭如圖7所示。

圖7 復(fù)合微型鉆頭[37]Fig.7 Composite Miniature Drill[37]

通過在不同尺寸基體鉆頭部件上電鍍2～5 μm的不同尺寸的金剛石顆粒，研究人員制造了三種不同類型的復(fù)合微鉆頭：A型由一個90 μm的鉆頭和基體組成，基體上電鍍有2～4 μm的金剛石磨粒；B型由一個80 μm的鉆頭和基體組成，基體上電鍍 5～10 μm 的金剛石磨粒；C 型包括 90 μm 鉆頭部件和80 μm基板部件，基板上電鍍5～10 μm金剛石磨粒。研究發(fā)現(xiàn)，A型和B型比C型鉆頭去除毛刺效果更好。Aziz等人[38]研究了用復(fù)合微鉆頭加工微小孔時毛刺的最小化和改善表面粗糙度的方法，并與商用麻花型微鉆頭加工的孔進(jìn)行了比較。

4.7 涂層微鉆頭

為了提高微鉆頭的性能，很多研究人員致力于對微鉆頭的涂層處理。采用適當(dāng)?shù)谋砻婀こ碳夹g(shù)方法，在微鉆頭的切削件表面沉積獲得具有所需性能的涂層材料。通常在表面沉積一層非常薄的 0.002～0.015 mm 的硬質(zhì)材料涂層[39]，通過該涂層提高硬度、潤滑性、耐熱性和耐磨性，顯著改善了微鉆頭的表面性能。用于微鉆頭涂層的常用材料包括金剛石、微晶金剛石、優(yōu)質(zhì)金剛石、納米金剛石、摻硼金剛石、鋯、鉻、碳、鈦和鋁[40-44]。

涂層的主要優(yōu)點是提高刀具壽命。Kao[45]用近場非平衡磁控管 （CFUBM）在直徑為0.2 mm的WC微型鉆頭上涂覆Zr-C：H：x%。雖然在微型鉆頭上沉積涂層材料對延長刀具壽命方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，但也存在一些缺點，即使涂層厚度薄至0.002 mm也可能出現(xiàn)涂層缺陷，隨著鉆尖尺寸的增大和刃口銳度的降低，涂層缺陷會影響鉆削性能。Heinemann等人[24]報道稱，一種用標(biāo)準(zhǔn)電弧蒸發(fā)法涂覆的微型鉆頭雖然價格低廉，但其表面光潔度卻不可接受，即使采用了先進(jìn)的涂層技術(shù)，涂層厚度小于0.001 5 mm（目前是可能的），以性價比計算，獲得的刀具壽命并沒有那么有利[46-47]。

Ueng等人[48-49]在直徑為0.4 mm的微型鉆頭上制備了Ti/TiN/TiCN/DLC和類金剛石碳涂層，發(fā)現(xiàn)這些鉆頭的刀具壽命比無涂層鉆頭顯著提高了約2.5倍。Lei等人[50]利用摻硼金剛石中間層的作用，制備了直徑為0.25 mm的金剛石涂層微鉆頭，發(fā)現(xiàn)微型鉆頭的刀具壽命增加到常規(guī)的2～3倍。

考慮到目前的工業(yè)需求和研究趨勢，涂層技術(shù)的發(fā)展將繼續(xù)引領(lǐng)市場，因為目前主要關(guān)注的問題仍是價格，涂層技術(shù)必將延長刀具壽命。特別是超硬涂層，如金剛石和聚晶立方氮化硼（PVBN），正變得越來越流行。

5 結(jié)語

本文列舉和評述了傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)種類及在各種不同應(yīng)用中的技術(shù)。傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)是使用不同形狀和幾何結(jié)構(gòu)的微鉆頭。

（1）由于尺寸效應(yīng)，傳統(tǒng)微鉆頭的性能與大型鉆頭不同，因此微鉆頭參數(shù)（如微鉆頭的形狀和幾何結(jié)構(gòu)、刀具尖角、螺旋角、切屑形成和清除、所用冷卻液的影響等）需要非常仔細(xì)地設(shè)計；

（2）傳統(tǒng)微鉆頭的材料對其性能和耐久性起著重要作用，因此選擇正確的材料非常重要。利用微晶粒和超細(xì)晶粒粉末制備微鉆頭可以提供具有優(yōu)異硬度和耐磨性的優(yōu)質(zhì)材料；

（3）傳統(tǒng)的微鉆頭通常由碳化鎢和高速鋼制成。特別是WC，由于其高硬度、高耐磨性、高熔點等優(yōu)異的力學(xué)性能而成為最受歡迎的材料。然而，WC很脆，容易產(chǎn)生斷裂。目前有一種由WC作為外部材料和高強度鋼作為內(nèi)部材料而制成的復(fù)合微鉆頭，不僅能夠提供足夠的硬度和耐磨性，而且能夠提供承受斷裂的強度，同時可以顯著提高刀具壽命，從而節(jié)省大量成本。

總之，由于市場非常廣闊，有許多替代品可供選擇，因此選擇適當(dāng)?shù)奈@孔切削技術(shù)不僅需要深入了解現(xiàn)有技術(shù)，而且還需要仔細(xì)考慮一些成本因素。對于金屬、聚合物、線路板、復(fù)合材料等類型的材料，傳統(tǒng)的微鉆孔技術(shù)便可勝任。當(dāng)所需孔的直徑降到10 μm時，可使用鏟形或D形微鉆頭。對于硬度大于40 RC的材料，利用超聲輔助微鉆孔可以提供優(yōu)良的微孔質(zhì)量。在孔的質(zhì)量可能受到影響的情況下，采用涂層微鉆孔可以顯著降低模具成本。

致謝

作者感謝國家自然科學(xué)基金對本研究的財政支持。

特別感謝來自遼寧科技大學(xué)張紅梅教授、李娜副教授、趙大東博士和夏壘博士對論文的翻譯工作。