微型刀具的亞微切削加工

雖然“微加工（micro-machining）”這一術語可用于表示在極小尺度范圍內完成的各種加工操作，但圣地亞國家實驗室的研究人員卻避免將他們進行的微小尺度車削和銑削加工稱為“微加工”。他們認為，在“加工”一詞前面冠以“微（micro）”的前綴，則表示用該加工方法可加工出尺寸小至1μm的工件形貌，而該實驗室目前還做不到這一點——至少在車削和銑削加工上還達不到這一水平，目前他們研制的微型刀具能夠加工出的工件形貌尺寸最小可達到25μm。換句話說，雖然他們已達到的加工尺度水平還不能稱為“微加工”，但已比幾乎任何其它金屬切削加工車間都更接近“微加工”的目標。圣地亞國家實驗室的研究人員將這種尺度水平的加工稱為“亞微加工（meso-machining）”。

　　亞微加工所用的微型銑刀和微型車刀是采用聚焦離子束對硬質合金和高速鋼刀坯材料進行雕蝕加工而成。用該方法制造的微型立銑刀的直徑可小至約20μm；微型車刀的寬度可小至約10μm。這種微型刀具是實現亞微加工所必不可少的關鍵工藝因素，因為目前在機床上使用這種微型刀具的適用加工技術已基本成熟。在圣地亞國家實驗室，雖然仍然需要全力開發(fā)亞微切削實驗所用的微型刀具，但實驗所用加工機床已完全具備了使用微型刀具的技術條件。研究人員利用市場上機床供貨商提供的精密加工機床，即可有效地使用微型刀具進行亞微切削加工。

　　美國開展亞微加工研究的一個主要原因與核武器有關。美國現存核武器上的某些零件需要經常更換，并且需要對這些零件的結構形貌不斷進行改進。但是，因為核武器上的各個零件與周圍其它零件之間都有不允許改變的裝配關系，所以每一個零件的尺寸和外形都必須保持固定不變。因此，為了在零件上增加新的結構形貌，惟一的途徑就是將更多結構微縮于現有空間之中，而亞微加工可以成為實現這一目標的一種有效手段。

　　圣地亞國家實驗室通過大量實驗研究，已可在包括鋁、黃銅、4340鋼等材料上成功地銑削出寬度20～30μm的槽，典型切削深度為1μm。該實驗室用一把φ22μm硬質合金雙刃立銑刀進行的切削實驗表明，在切深1μm、轉速18000r/min的切削條件下加工鋁件時，微型立銑刀能以最大至50mm/min的進給率進行有效切削，刀具銑削時間超過6小時以上，且在整個進給率變化范圍內未發(fā)生刀具破損現象。

　　微型車刀的切削可靠性也已得到證實。典型的切削實驗表明，一把寬度為13μm的微型車刀能夠在全長200mm的鋁件上切出深度為4μm的螺旋槽。

　　微型車刀的幾何形狀與常規(guī)尺寸車刀類似，而微型銑刀的幾何形狀則與常規(guī)尺寸銑刀有所不同。由于用聚焦離子束對微型銑刀進行成形加工時，難以加工出典型的標準立銑刀帶有容屑槽的復雜幾何形狀，因此，亞微加工用微型立銑刀的刀體剖面幾何形狀較為簡單。

　　微型刀具的切削機理與常規(guī)尺寸刀具基本相同，可看作是常規(guī)刀具切削的“微縮版”。用光學顯微鏡對亞微銑削過程的觀測表明，切屑可從銑刀附近快速排出。此外，用電子顯微鏡觀測表明，銑削工件表面同樣出現了切削刀痕。對亞微車削的觀測結果也清楚地表明，與常規(guī)尺寸車刀加工的常見現象一樣，用亞微車刀切削后，也經�？梢园l(fā)現刀具上粘附有長條形切屑。

　　上述亞微銑削實驗是在一臺上世紀九十年代購進的BostonDigital加工中心上進行的。該機床的位移分辨率達到1μm，因此可以利用在手動銑床加工中常用的“觸發(fā)（touchingoff）”對刀方式來實現微型銑刀相對于工件的定位。研究人員采用手動方式，以每次1μm的步距持續(xù)緩慢地微動進刀，直至通過顯微鏡觀察到出現了一點切屑，即表明此時銑刀已剛好與工件接觸。

　　最近，圣地亞國家實驗室又在一臺Willemin-Macodel公司的精密加工中心上進行了亞微銑削的實驗研究。亞微車削實驗則是在一臺MooreTool公司的金剛石車床上進行的（雖然使用的微型車刀材料并不是金剛石）。該實驗室還在Agie公司的線切割機和電火花成形機上進行了亞微放電加工（EDM）的實驗研究。此外，亞微激光加工也是該實驗室亞微加工研究的另一重要領域。

　　目前，亞微車削比亞微銑削更具實用性。對于亞微銑削而言，制約其應用的因素除了亞微刀具制造工藝難以復制出傳統(tǒng)立銑刀的復雜幾何形狀外，另一個原因是很難將安裝在刀夾中的微型銑刀的徑向跳動減小至一把直徑僅20μm的刀具可以容許的誤差范圍內。另一個問題是目前對亞微銑削的需求還不多。圣地亞國家實驗室的用戶迄今提出的研制要求是需要直徑小于130μm的銑刀。對于某些工件形貌，例如微型外齒輪的輪齒，實驗室趨向于采用線切割機進行放電加工（EDM）。不過，如果需要加工微型內齒輪的輪齒，則可能需要采用亞微銑削。

　　雖然存在上述問題，對各種亞微加工方法（包括亞微銑削）的實驗研究仍在繼續(xù)進行。為了避免因銑刀夾持及與此相關的銑刀徑跳引起的問題，圣地亞國家實驗室正在對一種可帶動刀具旋轉而不需要刀具夾頭的專用主軸進行實驗，這種由佛羅里達大學開發(fā)的主軸轉速可高達500000r/min。

　　影響亞微切削加工的另一個常見問題是使用亞微刀具需要較高的專業(yè)知識水平。亞微切削加工與常規(guī)切削加工的要求不同。在常規(guī)切削中，刀具、工件和加工程序可在不同的機床之間替換使用；而亞微切削則要求操作者必須了解在不同的加工環(huán)境下微小誤差的疊加規(guī)律有何不同，以及選擇的特定切削參數（如切削速度、進給率等）是如何影響特定機床的加工精度的。要成為一個熟練的亞微切削操作者，可能需要好多個月的時間不斷進行學習和實踐，以正確掌握亞微切削的技術知識和操作要領。這種較高的技術要求大大限制了亞微切削技術的推廣應用。即使在圣地亞國家實驗室的五、六十名技術精湛的機械技師中，也只有少數幾人能夠熟練掌握此項操作技術。

　　亞微加工技術的發(fā)展現狀可總結如下：

　　①聚焦離子束工藝（用于制造亞微刀具）：可加工最小形貌尺寸：200nm，公差20nm；材料去除率：0.5μm3/sec；可加工材料：任何材料。

　�、趤單�銑削、亞微車削：可加工最小形貌尺寸：25μm（車削可達10μm），公差2μm；材料去除率：10400μm3/sec；可加工材料：鋁，黃銅，低碳鋼，PMMA塑料。

　�、蹃單⒎烹娂庸ぃ‥DM）：可加工最小形貌尺寸：25μm，公差3μm；材料去除率：25×10的6次方μm3/sec；可加工材料：導電材料。