微型刀具的亞微切削加工

雖然“微加工（micro-machining）”這一術(shù)語(yǔ)可用于表示在極小尺度范圍內(nèi)完成的各種加工操作，但圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員卻避免將他們進(jìn)行的微小尺度車(chē)削和銑削加工稱(chēng)為“微加工”。他們認(rèn)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(shí)驗(yàn)室目前還做不到這一點(diǎn)——至少在車(chē)削和銑削加工上還達(dá)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(dá)到25μm。換句話(huà)說(shuō)，雖然他們已達(dá)到的加工尺度水平還不能稱(chēng)為“微加工”，但已比幾乎任何其它金屬切削加工車(chē)間都更接近“微加工”的目標(biāo)。圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員將這種尺度水平的加工稱(chēng)為“亞微加工（meso-machining）”。

　　亞微加工所用的微型銑刀和微型車(chē)刀是采用聚焦離子束對(duì)硬質(zhì)合金和高速鋼刀坯材料進(jìn)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(chē)刀的寬度可小至約10μm。這種微型刀具是實(shí)現(xiàn)亞微加工所必不可少的關(guān)鍵工藝因素，因?yàn)槟壳霸跈C(jī)床上使用這種微型刀具的適用加工技術(shù)已基本成熟。在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，雖然仍然需要全力開(kāi)發(fā)亞微切削實(shí)驗(yàn)所用的微型刀具，但實(shí)驗(yàn)所用加工機(jī)床已完全具備了使用微型刀具的技術(shù)條件。研究人員利用市場(chǎng)上機(jī)床供貨商提供的精密加工機(jī)床，即可有效地使用微型刀具進(jìn)行亞微切削加工。

　　美國(guó)開(kāi)展亞微加工研究的一個(gè)主要原因與核武器有關(guān)。美國(guó)現(xiàn)存核武器上的某些零件需要經(jīng)常更換，并且需要對(duì)這些零件的結(jié)構(gòu)形貌不斷進(jìn)行改進(jìn)。但是，因?yàn)楹宋淦魃系母鱾�(gè)零件與周?chē)�其它零件之間都有不允許改變的裝配關(guān)系，所以每一個(gè)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(jié)構(gòu)形貌，惟一的途徑就是將更多結(jié)構(gòu)微縮于現(xiàn)有空間之中，而亞微加工可以成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種有效手段。

　　圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室用一把φ22μm硬質(zhì)合金雙刃立銑刀進(jìn)行的切削實(shí)驗(yàn)表明，在切深1μm、轉(zhuǎn)速18000r/min的切削條件下加工鋁件時(shí)，微型立銑刀能以最大至50mm/min的進(jìn)給率進(jìn)行有效切削，刀具銑削時(shí)間超過(guò)6小時(shí)以上，且在整個(gè)進(jìn)給率變化范圍內(nèi)未發(fā)生刀具破損現(xiàn)象。

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

　　微型車(chē)刀的幾何形狀與常規(guī)尺寸車(chē)刀類(lèi)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(duì)微型銑刀進(jìn)行成形加工時(shí)，難以加工出典型的標(biāo)準(zhǔn)立銑刀帶有容屑槽的復(fù)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(jiǎn)單。

　　微型刀具的切削機(jī)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(xué)顯微鏡對(duì)亞微銑削過(guò)程的觀測(cè)表明，切屑可從銑刀附近快速排出。此外，用電子顯微鏡觀測(cè)表明，銑削工件表面同樣出現(xiàn)了切削刀痕。對(duì)亞微車(chē)削的觀測(cè)結(jié)果也清楚地表明，與常規(guī)尺寸車(chē)刀加工的常見(jiàn)現(xiàn)象一樣，用亞微車(chē)刀切削后，也經(jīng)�？梢园l(fā)現(xiàn)刀具上粘附有長(zhǎng)條形切屑。

　　上述亞微銑削實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)上世紀(jì)九十年代購(gòu)進(jìn)的BostonDigital加工中心上進(jìn)行的。該機(jī)床的位移分辨率達(dá)到1μm，因此可以利用在手動(dòng)銑床加工中常用的“觸發(fā)（touchingoff）”對(duì)刀方式來(lái)實(shí)現(xiàn)微型銑刀相對(duì)于工件的定位。研究人員采用手動(dòng)方式，以每次1μm的步距持續(xù)緩慢地微動(dòng)進(jìn)刀，直至通過(guò)顯微鏡觀察到出現(xiàn)了一點(diǎn)切屑，即表明此時(shí)銑刀已剛好與工件接觸。

　　最近，圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室又在一臺(tái)Willemin-Macodel公司的精密加工中心上進(jìn)行了亞微銑削的實(shí)驗(yàn)研究。亞微車(chē)削實(shí)驗(yàn)則是在一臺(tái)MooreTool公司的金剛石車(chē)床上進(jìn)行的（雖然使用的微型車(chē)刀材料并不是金剛石）。該實(shí)驗(yàn)室還在Agie公司的線(xiàn)切割機(jī)和電火花成形機(jī)上進(jìn)行了亞微放電加工（EDM）的實(shí)驗(yàn)研究。此外，亞微激光加工也是該實(shí)驗(yàn)室亞微加工研究的另一重要領(lǐng)域。

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

　　雖然存在上述問(wèn)題，對(duì)各種亞微加工方法（包括亞微銑削）的實(shí)驗(yàn)研究仍在繼續(xù)進(jìn)行。為了避免因銑刀夾持及與此相關(guān)的銑刀徑跳引起的問(wèn)題，圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)一種可帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)而不需要刀具夾頭的專(zhuān)用主軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種由佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)的主軸轉(zhuǎn)速可高達(dá)500000r/min。

　　影響亞微切削加工的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是使用亞微刀具需要較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(jī)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(shù)（如切削速度、進(jìn)給率等）是如何影響特定機(jī)床的加工精度的。要成為一個(gè)熟練的亞微切削操作者，可能需要好多個(gè)月的時(shí)間不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐，以正確掌握亞微切削的技術(shù)知識(shí)和操作要領(lǐng)。這種較高的技術(shù)要求大大限制了亞微切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。即使在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的五、六十名技術(shù)精湛的機(jī)械技師中，也只有少數(shù)幾人能夠熟練掌握此項(xiàng)操作技術(shù)。

　　亞微加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可總結(jié)如下：

　�、倬劢闺x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(chē)削：可加工最小形貌尺寸：25μm（車(chē)削可達(dá)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。

　　③亞微放電加工（EDM）：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(dǎo)電材料。