微細銑削加工發(fā)展情況

　　近年來，民用和國防等領域對各種微小型化產(chǎn)品的需求不斷增加，對微小裝置的功能、結構復雜程度、可靠性等要求也越來越高。因此，研究開發(fā)經(jīng)濟上可行、能夠加工三維幾何形狀和多樣化材料、特征尺寸在微米級到毫米級的精密三維微小零件的微細加工技術具有重要意義。目前，微細切削已成為克服MEMS技術局限性的重要技術，而微細銑削技術因具有高效率、高柔性、能加工復雜三維形狀和多種材料的特點，已成為一個非常活躍的研究熱點。

　　1959年，Richard P Feynman(1965年諾貝爾物理獎獲得者)就提出了微型機械的設想。1962年第一個硅微型壓力傳感器問世，氣候開發(fā)出尺寸為50～500μm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)接件等微機械。1965年，斯坦福大學研制出硅腦電極探針，后來又在掃描隧道顯微鏡、微型傳感器方面取得成功。1987年美國加州大學伯克利分校研制出轉子直徑為60～12μm的利用硅微型靜電機，顯示出利用硅微加工工藝制造小可動結構并與集成電路兼容以制造微小系統(tǒng)的潛力。

　　傳統(tǒng)的微細銑削技術研究與應用主要是采用直徑幾十微米至1mm的微型立銑刀，在常規(guī)尺寸的超精密機床上進行微細加工。由于這些機床主要用于加工精度很高的非微小幾何尺寸零件，通常需要通過昂貴的設計和制造工藝來達到所期望的目標精度，而對于微小零件的加工，則缺少必要的柔性，且加工成本高、效率低。微小型化的加工設備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源、易于重組、成本低等優(yōu)點。近年來，利用微小型加工設備實現(xiàn)微細銑削加工已引起人們的普遍重視，并實現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機床上的微細加工過程。在對微細銑削加工技術的研究中，研究重點主要集中于加工表面質量、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。

　　在銑削過程中，刀具的受載狀態(tài)極其復雜，不斷受到大小、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷。由于微細銑削中的每齒進給量小于(或等于)刀具切削刃鈍圓半徑，切削加工過程從以剪切為主變化到以摩擦、擠壓或耕犁為主;又由于切削速度較高，沖擊載荷較大，使得微細切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同。

　　Bao和Tansel針對采用微徑立銑刀進行微細銑削加工時的切削力進行了研究，提出了改進的切削力模型。該模型通過計算刀具旋轉和前移時刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出，并且考慮了每齒進給量與刀具半徑比值的不同、刀具跳動量和刀具磨損對切削力的影響，并通過實驗驗證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準確。

　　Vogler等人提出了一個微細立銑削加工的力學模型，考慮了異質材料中不同的相，發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導致切削力的高頻變化，從而解釋了微細銑削多相材料時切削力中出現(xiàn)的高頻信號。

　　目前對微細切削力的研究還不多，還需進一步了解微細切削力的特征，并可以考慮通過對切削力的實時監(jiān)測，動態(tài)調節(jié)切削用量，以控制切削力，提高加工表面質量，延長刀具使用壽命。

　　利用小直徑立銑刀進行微細加工時，由于對切削后加工面的修整非常困難，因此希望能用一把銑刀完成最終加工工序。而且高精度形狀加工耗用的切削時間往往需要數(shù)小時，因此對刀具的壽命和切削性能提出了更高要求。

　　Rahman等人采用直徑1mm的立銑刀對純銅進行了微細銑削實驗，利用統(tǒng)計學中的響應曲面法建立了純銅微細銑削過程中刀具壽命的二次模型，得出切削速度和背吃刀量對刀具壽命影響顯著，而進給速度的影響不顯著。切削刃磨鈍顯現(xiàn)出切削力的增加。同時應當考慮微型刀具的直徑和刃口尺寸。Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極，指出刀具磨損以磨粒磨損為主，磨損形態(tài)為后刀面磨損、前刀面磨損、微碎裂和破損，切屑形狀有塊狀、柱狀、球狀和片狀;涂層刀具的壽命是無涂層刀具的1.5倍;提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具的磨損和破損。Miyaguchi等人指出，刀具壽命可以通過減小刀具剛度得以延長，由于刀具的低剛度，刀具的彎曲平衡了切削力，調節(jié)了跳動量的影響，導致兩個切削刃均勻磨損。

　　在微刀具的微細銑削加工中，切屑狀態(tài)是實現(xiàn)精密加工、控制加工過程、判斷加工能力的重要因素。Kim等人對微細銑削過程中切屑的形成進行了實驗研究。以不同的進給量對黃銅工件銑槽，通過收集切屑進行測量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，當每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時，實際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍，進刀痕跡間隔也大于每齒進給量。隨著每齒進給量的增加，實際切屑體積逐漸接近名義切屑體積。由此可知，微細銑削中以較小的每齒進給量進給期間并不是總會形成切屑，即切屑的形成是間歇性的，斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生的。

　　為了提高微細銑削加工質量，必須對刀具的磨損及壽命進行研究，可以考慮通過切削力、表面粗糙度、刀具的振動來研究刀具的磨損、破損情況。

　　目前，在微細銑削加工領域，對加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但對加工硬化、殘余應力的研究還不多，對切削力的研究也還不夠成熟。為了改善微細銑削的加工效果，可對切削力、加工質量、刀具磨損和加工振動等因素的影響進行綜合研究;通過對微細銑削工藝的深入研究及開發(fā)，進一步提高微小型機床的加工能力。隨著精密三維微小零件市場需求的不斷增大，微細銑削技術必將大有可為。