微細(xì)切削加工和車銑切削技術(shù)分析

航空航天、國防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展對(duì)微小裝置的功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、可靠性的要求越來越高，從而使得對(duì)特征尺寸在微米級(jí)到毫米級(jí)、采用多種材料、且具有一定形狀精度和表面質(zhì)量要求的精密三維微小零件的需求日益迫切[1]。微小型制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向和多學(xué)科交叉的科技研究前沿，因此備受有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。圍繞著微細(xì)切削技術(shù)，國外展開了深入的研究。國內(nèi)部分大學(xué)和研究所也進(jìn)行了初步的研究。 
　　微細(xì)切削加工 
　　采用微細(xì)切削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料任意形狀微型三維零件的加工，彌補(bǔ)了MEMS技術(shù)的不足，所制作出的各種微型機(jī)械有著日益廣闊的應(yīng)用前景，因此，國內(nèi)外的一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了不斷的探索。從FANUC公司[2]采用微銑削技術(shù)加工的零件微觀形貌上看，該零件是一個(gè)高深寬比的梯形溝槽，開度角為3°，溝槽跨度為35μm，工件材料是銅，采用微銑削加工5min就可以完成，且側(cè)壁加工精度很高。采用FANUC公司制造的車床型微型銑床可以實(shí)現(xiàn)三維自由曲面的微細(xì)切削加工。從加工的微透鏡體圖中可看出，零件表面高低差為16μm，直徑為236μm，加工后的表面粗糙度Rz為0.1μm，這些均是MEMS技術(shù)以及同步輻射X射線深度光刻、LIGA工藝等技術(shù)所不及的。目前，微細(xì)切削加工技術(shù)可使用切削刀具，對(duì)包括金屬在內(nèi)的各種可切削材料進(jìn)行微細(xì)加工，而且還可利用CAD/CAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)控編程，幾乎可以滿足任意復(fù)雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法(如電火花、超聲加工)相比，微細(xì)切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

　　
　　微細(xì)銑削力模型 
　　W.Y.Bao和I.N.Tansel[3]提出了考慮刀具跳動(dòng)情況下的微細(xì)銑削切削力解析模型。由于每齒進(jìn)給量與切削刃半徑比率很大時(shí)，對(duì)切屑厚度所作的假設(shè)與傳統(tǒng)切削力模型[4]的相比變化很大，因此他們在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，改變切屑厚度的計(jì)算方法，即根據(jù)刀尖軌跡來估計(jì)切削厚度值，從而使得切削力模型更加精確。其提出的切削力表達(dá)式用到了8個(gè)參量(如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切入切出角等)和一個(gè)與刀具和工件有關(guān)的材料系數(shù)，該系數(shù)需要進(jìn)行試驗(yàn)才能確定。 
　　由于切屑厚度在微細(xì)車銑中對(duì)切削力的影響很大，G.Newby等[5]也考慮到切削刃軌跡對(duì)切屑厚度的影響，他們在W．Y．Bao和I．N．Tansel的基礎(chǔ)上建立切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。M.T.Zaman等[6]根據(jù)理論切屑面積來估計(jì)切削力的大小。與傳統(tǒng)銑削相比，在微細(xì)車銑中切削刃參與切削加工的長度相對(duì)要長，因此刀具螺旋角在微細(xì)車銑加工的切削力形狀中起到至關(guān)重要的作用，在軸向上就會(huì)產(chǎn)生可觀的切削力。 
　　I.S.Kang等[7]在基于Tlusty和MacNeil傳統(tǒng)切削力模型[5]的基礎(chǔ)上，研究了刀刃半徑對(duì)切削力的影響，并將其納入切削力模型中。Bong-CheolShin等[8]提出了用加速度傳感器和最新的霍爾傳感器來間接測量切削力的方法。在帶有高速主軸的精密機(jī)械工作臺(tái)上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，并取得了顯著成果。

　
　　微細(xì)銑刀及其涂層 
　　在微細(xì)銑削中，刀具是影響加工精度的重要參數(shù)，早在1997年I.Tansel等人[9]就已經(jīng)提出了采用智能工件夾持器來延長刀具壽命的觀點(diǎn)。A.Aramcharoen等人[10-11]對(duì)刀具涂層進(jìn)行了深入研究，對(duì)宏觀尺寸銑削和微細(xì)銑削進(jìn)行對(duì)比分析。E.Uhlmann等[12]采用有限元仿真，設(shè)計(jì)了新的微立銑刀，分析銑刀的動(dòng)載荷和應(yīng)變，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終開發(fā)的工具鋼微銑削刀具硬度達(dá)到62HRC。JanGabler和SvenPleger[13]采用了微精密ＣＶＤ金剛石涂層刀具，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層能極大地增強(qiáng)在微米級(jí)尺寸下切削刀具的性能。 
　　考慮微銑刀具的尺寸效應(yīng)，弗羅里達(dá)國際大學(xué)的I.N.Tansel等[14]對(duì)微銑削中的刀具磨損作了新的定義：刀具材料的損失，刀具表面小顆粒工件材料的沉積或是刀具撓度形狀的變化等。結(jié)合美國的空氣力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的專家，弗羅里達(dá)國際大學(xué)的專家在原先研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了遺傳刀具監(jiān)控系統(tǒng)[15]。此外，2008年，新加坡的學(xué)者開發(fā)了采用隱形馬爾可夫模型監(jiān)控微銑削刀具狀態(tài)的系統(tǒng)[16]。正是由于馬爾可夫模型的快速識(shí)別性特點(diǎn)，使得其模型對(duì)噪聲的魯棒性較好，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)刀具狀態(tài)的識(shí)別達(dá)到了較高的水平。 
　　針對(duì)微銑削與傳統(tǒng)銑削的區(qū)別，學(xué)者們在微銑削中的尺寸效應(yīng)、微刀刃半徑、最小切削厚度、摩擦效應(yīng)以及表面粗糙度等方面內(nèi)容做了深入研究[16]，分析其行為與機(jī)理，建立數(shù)學(xué)模型，并通過廣泛的試驗(yàn)來進(jìn)行了驗(yàn)證。

　
　　微細(xì)車銑切削 
　　微細(xì)車銑切削是基于車銑原理的一種先進(jìn)制造技術(shù)。車銑加工不是普通意義上的車削與銑削功能的簡單組合。它是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件的切削加工任務(wù)，達(dá)到常規(guī)的“車削”目的，使工件在形狀精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面達(dá)到使用要求[17]。車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給4個(gè)基本運(yùn)動(dòng)。銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主切削運(yùn)動(dòng)，切削速度與工件直徑?jīng)]有關(guān)系，只與銑刀直徑和銑刀轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。工件旋轉(zhuǎn)是為了配合回轉(zhuǎn)體表面加工而做的范成運(yùn)動(dòng)，對(duì)切削速度的影響一般不予考慮，它主要對(duì)加工過程中的進(jìn)給速度產(chǎn)生影響。因此，從切削原理上可以發(fā)現(xiàn)，車銑加工過程中，無論被加工件直徑多小，只要銑削頭的轉(zhuǎn)速有足夠?qū)挼淖兓�范圍，就可以�?shí)現(xiàn)微小零件的正常切削加工。 
　　無論在生產(chǎn)率還是在加工工件表面質(zhì)量上，微細(xì)車銑切削技術(shù)較其他技術(shù)而言具有很大的優(yōu)勢。其中一個(gè)非常重要的優(yōu)勢在于它能夠在一次裝夾中完成對(duì)形狀復(fù)雜工件的加工，并且能在較短時(shí)間內(nèi)完成并提供一個(gè)較高的加工精度。這尤其適用于銑刀的高速切削，不但可以提高生產(chǎn)率，而且也提高了加工精度。德國阿亨工業(yè)大學(xué)和卡爾斯魯厄大學(xué)近年來開展了淬火鋼和硬鋁材料的微細(xì)車銑切削研究，卡爾斯魯厄大學(xué)與奔馳汽車廠合作研制了世界上首臺(tái)轉(zhuǎn)速為16000r/min的精密微小型銑床，用以加工微小型模具，實(shí)現(xiàn)了用微小設(shè)備高速加工微小零件。弗朗恩霍夫研究院針對(duì)大機(jī)械加工零件所暴露的問題，近年來開展了微小型加工系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，已成功研制出微小型加工系統(tǒng)原理樣機(jī)[18]。 
　　近些年來，沈陽理工大學(xué)在微細(xì)銑削加工和微細(xì)車銑切削技術(shù)方面開展了一些研究。在微小銑削機(jī)床上完成了微細(xì)銑削AISID2模具鋼的切削試驗(yàn)，研究了各切削參數(shù)對(duì)已加工表面形貌和切削力的影響程度及變化趨勢。結(jié)果表明，每齒進(jìn)給量對(duì)表面形貌和切削力影響較大，而軸向切削深度和切削速度影響次之。在微細(xì)銑削工件表面上由于塑性變形所產(chǎn)生的微小突出物是微細(xì)毛刺[19-20]。沈陽理工大學(xué)在車銑加工技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了WCH-I數(shù)控四軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)車銑切削機(jī)床設(shè)計(jì)和開發(fā)的研究。其氣動(dòng)銑削主軸轉(zhuǎn)速為150000r/min，旨在實(shí)現(xiàn)高速微細(xì)車銑切削微小型細(xì)長軸和具有復(fù)雜型面的微小型零件。與大中型超精密機(jī)床相比，該機(jī)床具有體積小、易控制加工環(huán)境、成本低等特點(diǎn)。

　　
　　北京理工大學(xué)采用傳統(tǒng)的車削方法和先進(jìn)的車銑方法進(jìn)行了微細(xì)軸的切削加工試驗(yàn),驗(yàn)研究在自主設(shè)計(jì)的具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和加工特色的“微小型車銑復(fù)合加工中心”上進(jìn)行。首先將這一技術(shù)應(yīng)用于微小型零件的加工[21]。該中心能獨(dú)立完成車、銑、鏜、磨、鉆削的任務(wù)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)獨(dú)具特色的車銑加工功能，從根本上解決了車削時(shí)線速度太低的問題，能實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸類零件正常的切削加工甚至高速切削加工[22]。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[23-24]、南京航空航天大學(xué)[25-26]、北京航空精密機(jī)械研究所[27]、清華大學(xué)[28]也針對(duì)微小型切削機(jī)床開展了積極研究。 
　　結(jié)束語 
　　微小型零件的加工技術(shù)已引起各國的重視，發(fā)達(dá)國家已開展相關(guān)技術(shù)研究，并有不少成果問世。微細(xì)銑削和微細(xì)車銑切削技術(shù)與LIGA和光刻等其他微細(xì)加工技術(shù)相比，具有體積小、能耗低、生產(chǎn)靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而無論從理論分析還是實(shí)際加工，微細(xì)車銑切削技術(shù)更適合于微細(xì)長軸類零件的加工，它在改善微小型零件的切削狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)高速切削、降低切削力、延長刀具壽命、保證零件加工質(zhì)量、提高加工效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是一種非常適合微小型零件加工的方法。只要合理匹配車削主軸與銑削主軸的轉(zhuǎn)速比，合理輔以其他切削用量，就可以加工出理想的微小型零件。