微細銑削技術的研究現(xiàn)狀分析*

王建平,沈宇峰

(長沙航空職業(yè)技術學院,湖南 長沙 410124)

隨著精密制造業(yè)的不斷發(fā)展,其發(fā)展方向主要集中在大型高精尖的裝備制造和微細化的精密制造[1]。由于航空航天、生物醫(yī)學、光學、電子和精密儀器等領域對曲面復雜程度高的精密微型零件的迫切需求[2],微細化的精密制造顯示出了較為廣闊的發(fā)展前景。當前,微型零件的制造主要依靠機械加工和光刻加工,其中光刻加工主要加工一些二維及準三維零件,無法靈活實現(xiàn)三維加工,相比之下,微細銑削可以靈活實現(xiàn)三維復雜微型金屬及非金屬零件的加工,已成為當前微型零件的主要加工方式[3-4]。因此,微細銑削技術已成為當前國內外精密制造領域中的重要研究內容之一。如何研制出加工精度高的微細切削機床、提高微銑削加工表面質量、減少刀具磨損等是擺在我們面前的重要課題。本文從微細銑削技術的特點與應用、微細銑削加工機理、微細銑削加工機床與刀具技術等方面對微細銑削的關鍵技術進行了研究與分析,并對其發(fā)展方向進行了預測,以期為微細銑削加工技術的發(fā)展提供參考性建議。

1 微細銑削技術概述

對于微細銑削,目前沒有統(tǒng)一的定義。丁許認為微銑削中的“微”為“非常小且難加工”[5]。陳啟迪等認為微銑削是微小零件的銑削加工、較大型零件上的微細復雜加工和大型零件上精密光滑表面的加工[6]。比較公認的一種定義是,采用1 mm以下的微銑刀對100 μm～10 mm的零件進行的加工,其加工特征尺寸為10 μm～1 mm[7]。

微細銑削加工技術并不是簡單的在宏觀銑削加工上將待加工的零件和刀具的尺寸減小,而是將加工特征微細化而進行的加工技術,其加工機理也有明顯的不同:是將微機電系統(tǒng)技術(MEMS)和宏觀的機械加工技術緊密連接起來的一種加工技術[8-9]。

2 微細銑削技術的優(yōu)點與應用

與傳統(tǒng)銑削加工技術相比,微細銑削技術的優(yōu)點與應用主要表現(xiàn)在如下幾個方面[10-14]。

1)加工材料范圍廣。

微細銑削的機理是在銑削刀具所施加的力的作用下,切屑以微米級的厚度從工件表面分離。其特征在于只要銑削的刀具材料有足夠的強度和硬度,在不發(fā)生化學反應的前提下即可進行微細銑削加工?；诖?只要是與刀具不發(fā)生化學反應的材料均可加工(包括一些難加工材料),例如不銹鋼、碳素鋼、黃銅、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鎢合金等多種材料,因而其加工材料的范圍較廣。

2)三維銑削能力強。

微細銑削不僅能在橫向加工面上銑削出平面輪廓,還可以沿零件的縱深方向進行較大范圍的加工,適合加工長徑比或深寬比較大的微小零件,三維銑削能力強。例如,Y. Bang等[15]在黃銅材料上通過微細銑削加工出長徑比高達10.6的30 μm×30 μm×320 μm的微型柱狀結構。

3)加工特征尺寸小。

加工特征尺寸是衡量微細銑削加工能力的一項重要指標。隨著機床定位精度水平的提高和銑削刀具最小尺寸的減小,微細銑削的加工特征尺寸可達數(shù)十納米,有助于零件向更微細化的方向發(fā)展。

4)材料去除率高。

與微細電火花加工、準分子激光加工和微細電化學加工技術相比,微細銑削加工的材料去除率高,且無需專業(yè)的加工模具,加工成本低,可在一定程度上擴大其應用范圍。FANUC公司采用微銑削技術可在5 min內完成一個開度角為3°、溝槽跨度為35 μm高深寬比梯形溝槽的加工,若采用激光加工技術至少需10 min以上。

5)加工精度高。

微細銑削加工大部分都是在超精密機床上完成零件的加工,因而其表面粗糙度可達數(shù)十納米級,其形狀精度可達數(shù)十微米級。此外,由于被加工的材料都是直接去除并且由于被加工材料是直接去除,工藝鏈較短,加工誤差的累計和傳遞也相應的減少了,使得其具有較高的加工精度和重復加工精度,適合單間和批量零件的生產。德國的J. Schmidt等[16]利用微細銑削在1 h內完成微車輪加工,獲得了較好的精度(0.01 mm)及合適的表面粗糙度。

6)應用范圍廣。

微細銑削加工不僅在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學等重要領域都有著廣闊的應用,而且微細銑削加工是實現(xiàn)納米技術的重要環(huán)節(jié)。

3 微細銑削技術現(xiàn)狀

3.1 微細銑削機理的研究

微細銑削機理是微細銑削技術的核心和基礎,在整個微細銑削體系中起指導作用。微細銑削加工是在宏觀銑削加工的基礎上發(fā)展起來的,都是利用刀具與工件之間的相對運動將材料從工件上去除,但由于刀具、工件的尺寸大幅減小,微細銑削加工具有不同于傳統(tǒng)銑削加工的特點,其中最大的區(qū)別就是存在的尺寸效應。尺寸效應是指在銑削過程中,隨著銑削厚度的減小,形成切屑所需要的單位切削力非線性增加,并且隨著切削厚度的減小,單位切削力反而越大。尺寸效應在所有的微細銑削過程中都是一樣的,主要受未變形切屑厚度、加工件的結構和刀具的幾何形狀影響。微細銑削中,最大未變形的切削厚度比切削刃的半徑還小,這就使得微細銑削在刀具的負前角下進行(見圖1)。當前對尺寸效應的產生機理缺乏統(tǒng)一的解釋,許多研究人員進行了不同的研究。S. S. Joshi等[17]應用應變梯度塑性理論解釋在加工過程中第一變形區(qū)所產生的尺寸效應,建立了基于平行邊剪切區(qū)模型的評價應變梯度、第一變形區(qū)的材料剪切強度和單位剪切強度等對象的模型。Liu K等[18]研究了第二剪切區(qū)的情況,研究表明,在第二剪切區(qū)產生尺寸效應的主要原因是溫度隨著未變形切屑厚度的減小而降低。

圖1 微細銑削中的尺寸效應

微細銑削力學模型是微細銑削機理研究的基礎。傳統(tǒng)的宏觀切削力模型都是在一定假設基礎上形成的,并沒有考慮微細切削過程中刃口區(qū)域的剪切力和耕犁力,因而不能直接適用于微銑削力的預測?，F(xiàn)有的微銑削力學模型也是在現(xiàn)有的宏觀切削力模型基礎上,從切屑厚度的角度出發(fā),應用能量法估算出切削力。Bao W Y等[19]在普通銑削力模型的基礎上,假設切向力與切削面積、徑向力成正比,建立了微細端銑過程切削力模型,運用該模型計算出了微細銑削過程中切屑厚度的變化,但該模型忽視了刀具刃口參數(shù)的影響。M. P. Vogler等[20]考慮了刀具刃口鈍圓、切屑變形系數(shù)、等效前角的影響,也建立了一個微細端銑切削力模型,精準預測了刀具鈍圓半徑對切削力的影響。S. Venkatachalam等[21]對微細切削中刃口區(qū)域的耕犁力和滑擦力進行了研究,并對二者進行了區(qū)分。M. Malekian等[22]綜合考慮了耕犁、彈性回復、刀具跳動等多個方面對力學模型的影響,建立了更加完備的力學模型。張衛(wèi)鋒等[23]通過實驗的方法建立了微細銑削力的模型。

有限元仿真在研究微細銑削機理方面發(fā)揮出了重要的作用。M. Nasr等[24]利用有限元仿真對微細切削中的尺寸效應進行了研究,其研究表明,當切削深度小于刃口半徑時,刃口切削區(qū)域的靜壓應力很高,材料的去除過程為拉伸斷裂,而非剪切。Liu K等[25]利用有限元仿真建立了基于應變梯度塑性理論的正交微細切削模型,其研究結果表明,尺寸效應會使切削比能產生非線性增長。張翔采用有限元仿真方法對D型(即半圓形)、三角形和普通螺旋形微細銑刀進行了優(yōu)化,仿真結果表明,D型刀具剛性最好[26]。T. Pratap等[27]利用有限元方法對鈦合金Ti-6Al-4V的微細銑削過程進行了仿真分析,建立了一個考慮應力、應變速率及溫度的銑削力模型。Jin X等[28]利用有限元方法在考慮切屑尺寸和切削刃鈍圓半徑對于銑削力的影響的基礎上,建立了銑削力模型,并對銑削力系數(shù)進行估算。

3.2 微細銑削加工機床的研究

微細銑削加工機床作為微細銑削加工的基礎核心設備,主要包括高速精密主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高效冷卻系統(tǒng)、精密進給系統(tǒng)、刀具及工件夾持系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)等。微銑削加工并不一定都是在微細加工機床上加工的,也可以在普通超精密微銑削機床上進行微細尺寸的加工。超精密微銑削機床剛度好、振動小且可實現(xiàn)精準的驅動加工,但其尺寸較大,對加工周圍的環(huán)境要求較高,對應的微小零件的加工成本也較高。為此,研究人員研究開發(fā)微小型機床來完成微小零件的加工。微小型機床體積小,可有效減小空間的利用率,在一定程度上節(jié)省了原材料,且其固有頻率應高于普通機床,從而微小型機床可以在主軸轉速較寬的范圍內穩(wěn)定使用而不發(fā)生共振。

1996年,日本研制出了世界上第一臺微細銑床[29],在這以后的20多年的時間,微細加工機床才有了一定程度的發(fā)展。此后不久的時間里,MEL成功研制出了世界上第一臺32 mm×25 mm×30.5 mm的微型車床模型,其主軸轉速高達10 000 r/min[30]。1999年,日本國家先進工業(yè)學會又成功研制了一臺微型數(shù)控機床,其主軸轉速高達200 000 r/min,工作臺的進給速度也達到了50 mm/s,該機床的整體技術水平得到了較大的突破。與此同時,美國麻省理工學院與北卡羅來納州立大學共同研制了一臺六自由度的超精密微細運動平臺,為今后微型機床的進一步發(fā)展奠定了基礎[31]。

國內在微型化機床的研制方面起步較晚,與國外存在一定的差距。2005年哈爾濱工業(yè)大學研制出了國內第一臺微型銑床[32],外形幾何尺寸為300 mm×150 mm×165 mm,機床本身為三軸聯(lián)動臥式機床,采用先進的空氣渦輪主軸和PMAC運動控制卡,其主軸轉速高達150 000 r/min,功率僅為21 W,該機床的成功研制為我國的微型機床的發(fā)展奠定了基礎。2006年上海交通大學研發(fā)了一臺臥式三軸聯(lián)動的微細數(shù)控銑床,其幾何尺寸為270 mm×190 mm×220 mm,最高轉速達到了120 000 r/min,定位精度為1.62 μm[33]。2008年南京航空航天大學成功研制出了一臺龍門式微型銑床,直線伺服電機驅動可實現(xiàn)精密的銑削加工。2009年,北京航空航天大學成功研制出了一臺五軸聯(lián)動的微細數(shù)控銑床,其床身的幾何尺寸為900 mm×700 mm,采用高精密的滑臺、高精密主軸和高精度的PMAC運動控制卡,主軸最高轉速為100 000 r/min,X、Y、Z各軸的行程為102 mm[34]。

3.3 微細銑削加工刀具的研究

在微細銑削中,為實現(xiàn)精確的材料去除,加工刀具需要極小的刃口圓弧半徑,切削刃口圓弧半徑直接影響已加工工件表面質量等。由于加工工藝和刀具材料特性的影響,刃口圓弧半徑不能隨著刀具整體尺寸的減小而相應的減小,因而如何將刀具材料晶粒細化和刀具刃口微細化一直是當前研究的重點和難點。

當前,微細銑削刀具比較理想的材料是單晶金剛石、細晶粒(晶粒度大小在0.8～1.3 μm之間)和超細晶粒硬質合金(晶粒度大小在0.2～0.5 μm之間)[35]。在微小徑銑刀領域中,刀具材料主要以硬質合金為主,主要是由許多晶粒構成的燒結體,其中晶粒度大小直接決定了刀具刃口的鋒利程度,為獲得較為鋒利的刀具刃口,普遍采用鎢鈷類的超細晶粒硬質合金,晶粒度大小在0.2～0.5 μm之間,因而切削刀具刃口圓弧半徑可為幾微米,當前市場上的微銑刀的直徑已達到50 μm。

刀具的幾何形狀對微銑削加工的影響也至關重要。當前,微細銑刀的幾何形狀主要以傳統(tǒng)螺旋立銑刀結構和簡單的多面體結構為主。當前,微細刀具的制備技術主要包括精密微細機械磨削、激光加工、聚焦離子束濺射加和電火花線電極磨削等技術手段。D. P. Adams等[36]利用聚焦離子束濺射技術研制出了直徑為25 μm的立銑刀。

微銑刀具涂層應用技術可以極大地改善刀具的整體性能,這是由于高硬度、耐磨性和化學穩(wěn)定性好的涂層可以有效阻止刀具、工件和切屑間的相互作用,減輕刀具的磨損。涂層按其成分和作用可以劃分為“硬涂層”和“軟涂層”兩種類型,“硬涂層”耐磨性好,硬度高;“軟涂層”的主要作用是減少摩擦,降低加工過程中的切削力和切削溫度。T. Thepsonthi等[37]研究在WC/Co微銑刀上涂立方氮化硼涂層對刀具及加工性能的影響,并采用磨損機理對涂層刀具的使用壽命進行估計,研究結果表明,涂層刀具可有效改善加工表面粗糙度和刀具的使用壽命。U. Irfan等[38]在微銑削試驗中研究了加工鉻鎳鐵合金時單涂層(DLC、AlTiN和AlCrN)和多涂層(TiAlN+AlCrN和TiAlN+WC/C)的磨損特性。

4 微細銑削技術的展望

微細銑削技術是傳統(tǒng)銑削加工技術的延伸,但又不同于傳統(tǒng)銑削,目前國內外主要集中在微細機床加工設備、微細切削機理、微細加工過程的檢測與控制技術等方面的理論研究,也取得了一些研究成果,但總體上還無法滿足生產實踐需求,有待于進一步深入研究。

4.1 加強微細銑削機理的研究

在微細銑削機理的研究中,可以從如下幾個方面加強微細銑削機理的深入研究:1)基于材料尺度效應對最小切削厚度的精確計算;2)建立適用范圍更廣的切削力模型;3)微銑削表面粗糙度和毛刺形成機理的研究;4)刀具的磨損和使用壽命的監(jiān)控預測。

4.2 加快微細銑削精密加工機床的研制

微細銑削精密加工機床是微細銑削技術發(fā)展的必然結果,雖然我國在微細銑削機床技術方面進行了些許研究,但與國外的先進技術相比仍有一定的差距。微細銑削精密機床的研究主要包括高精度進給單元技術、高精度主軸單元技術和高精度CNC系統(tǒng)技術。

4.3 微銑削刀具材料與結構技術的研究

刀具的材料和結構隨著微銑削技術的發(fā)展需求而發(fā)展。陶瓷刀具在傳統(tǒng)切削領域的應用較為廣泛,但在微銑削領域的研究還需進一步發(fā)展。此外,新型的涂層技術和涂層材料也需進一步發(fā)展。刀具的結構設計方向、多功能和專用刀具將是未來的研究方向。

4.4 微銑削過程在線監(jiān)測技術的研究

在微銑削過程中,對刀具狀態(tài)和工件表面質量的在線監(jiān)測是微銑削技術的發(fā)展方向。通過在線監(jiān)測刀具振動是否正常、工件表面質量是否合格,進而反饋調節(jié)工藝參數(shù)、更換刀具、調整設備,保證微銑削高效進行。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)微細銑削已成功應用于醫(yī)療、電子、光學、航空航天等諸多領域,微細銑削技術已成為當前精密制造領域中的重點研究內容。

2)與其他微細加工技術相比,微細銑削技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在加工材料范圍廣、三維銑削能力強、加工特征尺寸小、材料去除率高和加工精度高等方面。

3)推進微細銑削技術的發(fā)展主要從如下幾個方面著手:a.加強微細銑削機理的研究;b.加快微細銑削精密加工機床的研制;c.開展微銑削刀具材料與結構技術的研究;d.開展微銑削過程在線監(jiān)測技術的研究。