微細(xì)切削刀具的特征及其制備技術(shù)

    《工具技術(shù)》作者：北京理工大學(xué) 劉志兵，王西彬，解麗靜
1 引言

    微細(xì)切削是為滿(mǎn)足微小型結(jié)構(gòu)件的加工需求，在傳統(tǒng)切削基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種微制造技術(shù)，在微型注塑模具、光學(xué)元件、集成電路、計(jì)算機(jī)外設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微細(xì)切削的基本原理是在精密（或超精密）切削機(jī)床上，利用微細(xì)切削刀具去除工件上的多余材料，使之成為在形狀、精度和表面質(zhì)量等方面符合要求的微小型精密零件。

    微細(xì)切削技術(shù)的發(fā)展依賴(lài)于微細(xì)切削刀具技術(shù)的支撐。本文結(jié)合微細(xì)切削的特征，分析了微細(xì)切削對(duì)于切削刀具的基本要求，重點(diǎn)介紹了適用于微細(xì)切削的刀具材料、刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)和典型的刀具制備工藝。

2 微細(xì)切削刀具的基本特征

    目前應(yīng)用較多的微細(xì)切削方法主要有微細(xì)車(chē)削、微細(xì)立銑削、微細(xì)飛切和微細(xì)鉆削，使用的微細(xì)切削刀具相應(yīng)為微細(xì)車(chē)刀、平頭及球頭立銑刀、飛刀和鉆頭。

    受尺度效應(yīng)的影響，微細(xì)切削的刀具磨（破）損、切削力、切削表面形成等加工機(jī)理顯著區(qū)別于常規(guī)尺度切削，刀具所承受的切削抗力、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣。適用于微細(xì)切削的刀具應(yīng)滿(mǎn)足以下基本要求：

（1）整體尺度小，局部特征尺度微小

    針對(duì)微小型系統(tǒng)中廣泛存在的框架、平面、曲面、軸、槽、壁、孔等各類(lèi)微小型結(jié)構(gòu)，為了適應(yīng)微細(xì)切削加工特征微小、加工精度較高的特點(diǎn)，以及避免與工件之間的干涉，切削刀具的整體尺度和切削部分的特征尺度必須同步減小。
（2）切削刃鋒利
    在微細(xì)切削條件下，為了實(shí)現(xiàn)極微量的材料去除，所采用的切削深度和進(jìn)給量通常在微米級(jí)，切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數(shù)量級(jí)，刀具實(shí)際前角將表現(xiàn)為較大的負(fù)值。刃口半徑對(duì)于微細(xì)切削性能的影響不容忽視，切削刀具應(yīng)具有足夠鋒利的切削刃。但是，受刀具材料特性和制造工藝的限制，刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低。
（3）表面質(zhì)量好
    表面質(zhì)量對(duì)于微細(xì)切削刀具的使用性能影響極大。為了獲得良好的微細(xì)切削精度和表面質(zhì)量，微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的表面完整性及較小的表面粗糙度和微觀(guān)成形缺陷。較差的表面質(zhì)量不僅會(huì)增加微細(xì)切削時(shí)的摩擦阻力，導(dǎo)致加工表面惡化，而且會(huì)削弱刀具強(qiáng)度。
（4）強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)
    對(duì)于小直徑的微細(xì)立銑刀和鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具，微細(xì)切削是在極高的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行。微細(xì)切削刀具的切削部分應(yīng)具備足夠高的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性，能夠承受微細(xì)切削時(shí)的高頻沖擊負(fù)載。
（5）剛性好，抗變形能力強(qiáng)
    為保證加工精度，微細(xì)刀具應(yīng)具有較高的剛性，以減小切削力作用下的變形和回彈。微細(xì)立銑削時(shí)，刀具剛性不足引起的軸向和徑向變形是影響加工精度的主要原因；微細(xì)鉆削時(shí)，鉆頭變形量過(guò)大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢。
（6）耐磨性好，磨損過(guò)程均勻
    微細(xì)切削刀具的切削部分應(yīng)具有足夠高的硬度，以保證其耐磨性。用已磨鈍的刀具進(jìn)行微細(xì)切削，不僅影響加工精度，并且會(huì)產(chǎn)生明顯的加工毛刺，給表面精整帶來(lái)困難。
（7）動(dòng)平衡精度高
    微細(xì)立銑削時(shí)，刀具跳動(dòng)與進(jìn)給量的比值明顯大于常規(guī)切削。在極高的主軸轉(zhuǎn)速下，切削刃之間的切削負(fù)載極不均衡，切削力波動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，將影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性和刀具的可靠性。為保證刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡和加工精度，微細(xì)立銑刀、鉆頭等旋轉(zhuǎn)刀具應(yīng)具有極高的動(dòng)平衡精度，使用前必須隨同刀柄系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試。
（8）刀具夾持精確可靠
    微細(xì)旋轉(zhuǎn)刀具的安裝誤差是影響加工精度和可靠性的主要因素。刀具夾持系統(tǒng)應(yīng)具有較高的接觸剛度和重復(fù)定位精度，并具有良好的高速鎖緊性。

3 微細(xì)切削刀具的材料

    選用先進(jìn)適用的刀具材料是保證微細(xì)切削刀具綜合性能的重要技術(shù)手段。單晶金剛石、細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是比較理想的微細(xì)切削刀具材料。
（1）單晶金剛石
    單晶金剛石具有硬度高、彈性模量高、與工件材料摩擦系數(shù)低、晶體結(jié)構(gòu)呈單晶等優(yōu)點(diǎn)，可以?huà)伖饧庸こ鰳O鋒利的切削刃（刃口半徑可小于50～100nm），適合銅、鋁等有色金屬材料的精密微細(xì)切削。根據(jù)延性域加工機(jī)理，通過(guò)采用合理的刀具參數(shù)和切削工藝參數(shù)，利用單晶金剛石刀具可實(shí)現(xiàn)硅片、鍺、光學(xué)玻璃等脆性材料的延性域微細(xì)切削，能夠滿(mǎn)足微小型光學(xué)零件的精密加工需求。另一方面，單晶金剛石刀具在微細(xì)切削中的應(yīng)用也受到很大局限，如：與鐵的親和力強(qiáng)，加工鋼時(shí)化學(xué)磨損嚴(yán)重，應(yīng)用范圍主要局限于非鐵基材料；硬度極高，復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形困難，只適合制造尺度較大、形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的車(chē)刀和飛切刀具，不適合制造帶螺旋槽的微細(xì)鉆頭和立銑刀。
（2）細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金
    細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金是指晶粒度大小在0.2～1.3μm之間的硬質(zhì)合金。隨著硬質(zhì)合金晶粒的細(xì)化，硬質(zhì)相尺寸減小，粘結(jié)相分布更加均勻，材料硬度和抗彎強(qiáng)度都得以提高，擴(kuò)大了硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域。細(xì)晶粒與超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的以下特點(diǎn)較適合制作微細(xì)切削刀具：
①晶粒極細(xì)
    細(xì)晶粒組織能減小刀具成形過(guò)程的崩刃缺陷，制備出的刀具刃口鋒利，表層顯微組織均勻，幾何參數(shù)穩(wěn)定，尺寸一致性好，有利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
②硬度和抗彎強(qiáng)度“雙高”，彈性模量大
    細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金突破了硬度與抗彎強(qiáng)度之間的逆向關(guān)系，具有較好的綜合物理特性，如：耐磨性好，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)切削行程后，刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面；刃口強(qiáng)度高，材料去除順暢，能夠獲得穩(wěn)定的加工表面質(zhì)量；斷裂韌性好，微細(xì)切削過(guò)程中刀具磨損均勻，刀具可靠性好；彈性模量大，制備出的微細(xì)刀具剛性好，有利于保證加工精度，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結(jié)構(gòu)的形狀精度。
③加工材料范圍廣泛
    細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金對(duì)于各類(lèi)工程材料的適應(yīng)能力較強(qiáng)，其突出優(yōu)勢(shì)是可以加工鋼，擴(kuò)大了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域�；�于細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具的高強(qiáng)高硬鋼的微細(xì)切削具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    從設(shè)計(jì)角度分析，微細(xì)切削刀具并非傳統(tǒng)刀具在尺度上的簡(jiǎn)單縮小，而是基于微細(xì)切削特征和面向具體加工需求的一類(lèi)特種刀具�，F(xiàn)以微細(xì)立銑刀和鉆頭為例，說(shuō)明微細(xì)切削刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和原則。
    微細(xì)立銑削的軸向切削深度和微細(xì)鉆削的進(jìn)給量均很小，因此刀具結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡(jiǎn)化。微細(xì)立銑刀和鉆頭不一定需要形狀完整的螺旋槽，可以采用單切削刃的結(jié)構(gòu)形式。為保證刀具剛度，應(yīng)盡量減少切削部分長(zhǎng)度，長(zhǎng)徑比不宜過(guò)大。
    刀具刃口形狀應(yīng)比較規(guī)則且半徑較小，以減小實(shí)際切削時(shí)的負(fù)前角效應(yīng)。
    由于微細(xì)立銑刀和鉆頭的直徑較小，容屑槽空間有限，碎狀切屑容易發(fā)生堵塞而導(dǎo)致刀具折斷，因此可采用涂層或固體潤(rùn)滑膜來(lái)減小刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，不僅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性。

5 微細(xì)切削刀具的制備工藝

    微細(xì)切削刀具的制備工藝是制約微細(xì)切削技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)之一。精密微細(xì)機(jī)械磨削和電火花線(xiàn)電極磨削（WEDG）、聚焦離子束濺射（FIB）等特種加工方法是目前主要的微細(xì)刀具制備技術(shù)。
（1）精密微細(xì)磨削工藝
    磨削工藝是比較成熟的刀具制備和修整方法。微細(xì)刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鋼和硬質(zhì)合金材料的高效成形。該工藝的要點(diǎn)是：為防止小直徑刀具折斷，應(yīng)合理確定刃磨時(shí)的磨削壓力。通過(guò)對(duì)砂輪施加振動(dòng)，可以顯著減小磨削力和最小成形直徑。
    精密微細(xì)磨削工藝在一定程度上可以滿(mǎn)足微細(xì)切削刀具的制備要求，但受磨削力的影響，能夠穩(wěn)定獲得的刀具最小直徑受到局限。另外，刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷，將直接影響加工表面質(zhì)量和精度水平；磨削熱應(yīng)力容易引起刀具表層微觀(guān)結(jié)構(gòu)的變化；微細(xì)立銑刀的同心度和直徑偏離等制造誤差有可能大于微細(xì)切削的單齒進(jìn)給量，成形精度有待提高。
（2）電火花線(xiàn)電極磨削工藝
    電火花線(xiàn)電極磨削（WEDG）工藝的材料蝕除機(jī)理與普通電火花加工相同，電極和工件的運(yùn)動(dòng)原理為：線(xiàn)狀電極在導(dǎo)向器上連續(xù)移動(dòng)，導(dǎo)向器沿工件徑向作微進(jìn)給，而工件隨主軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)作軸向進(jìn)給。該運(yùn)動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：線(xiàn)電極與工件之間為點(diǎn)接觸，容易實(shí)現(xiàn)微能放電；線(xiàn)電極始終沿導(dǎo)向器勻速運(yùn)動(dòng)，可以忽略線(xiàn)電極損耗對(duì)加工精度的影響。
通過(guò)控制工件的旋轉(zhuǎn)與分度，配合軸向的精密進(jìn)給控制，WEDG工藝可以加工圓柱、圓錐、棱柱、螺旋槽、平面等多種截面形狀。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：刀具成形過(guò)程中無(wú)機(jī)械力作用，成形的尺寸精度和形狀精度較高，為微細(xì)刀具制備提供了一種有效方法。
（3）聚焦離子束濺射工藝
    聚焦離子束濺射工藝是一種顯微加工技術(shù)，同樣可以用于微細(xì)刀具的制備，其基本原理為：選擇原子量較大的液態(tài)金屬鎵（原子量為69.72，其原子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量）作為離子源，在離子柱頂端施加高密度的電場(chǎng)，形成數(shù)十keV的高能離子束，通過(guò)靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點(diǎn)，然后控制聚焦后的鎵離子束對(duì)工件進(jìn)行轟擊，將鎵離子的動(dòng)量傳遞給工件中的原子或分子，產(chǎn)生濺射效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。通常每個(gè)入射鎵離子可以去除3～5個(gè)工件原子，可以精確控制材料的去除量。利用聚焦離子束濺射工藝，可以對(duì)硬質(zhì)合金、高速鋼、單晶金剛石等材料進(jìn)行顯微加工。
    與精密磨削相比，基于聚焦離子束濺射的刀具成形過(guò)程沒(méi)有機(jī)械力的作用，刀具在制造過(guò)程中不會(huì)破損，能夠制備出具有極小特征尺寸的微細(xì)刀具。
（4）激光加工工藝 
    為了克服聚焦離子束濺射工藝成形效率較低的問(wèn)題，德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)對(duì)采用激光加工工藝進(jìn)行微細(xì)刀具制備進(jìn)行了探索。該工藝同樣無(wú)機(jī)械力作用，加工過(guò)程中無(wú)振動(dòng)，刀具不產(chǎn)生變形，加工成本較低。目前存在的問(wèn)題是成形表面較粗糙，加工表面質(zhì)量有待提高。

6 結(jié)語(yǔ)

    微細(xì)切削對(duì)于由金屬材料構(gòu)成的微小型結(jié)構(gòu)及零件的制造具有一系列原理優(yōu)勢(shì)，是微制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。微細(xì)切削刀具是實(shí)施微細(xì)切削的必要條件，直接決定了微細(xì)切削技術(shù)的應(yīng)用水平。因此，微細(xì)切削刀具技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。隨著微細(xì)切削加工機(jī)理、刀具材料和刀具制備工藝等相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，微細(xì)切削刀具的實(shí)用化程度必將不斷提高，并成為推動(dòng)微細(xì)切削發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)。