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微径铣刀及微细铣削技术的研究进展 |
1 引言
近年来，民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加，对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高。因此，研究开发经济上可行、能够加工三维几何形状和多样化材料、特征尺寸在微米级到毫米级的精密三维微小零件的微细加工技术具有重要意义。目前，微细切削已成为克服MEMS技术局限性的重要技术，而微细铣削技术因具有高效率、高柔性、能加工复杂三维形状和多种材料的特点，已成为一个非常活跃的研究热点。
2 微径铣刀及其制造技术
（1）制造工艺及刀具性能
磨削是一种传统的铣刀制造工艺，但对于直径仅为零点几毫米的微径铣刀，要在磨削力作用下、在不均质的刀具材料上磨削加工出锋利的切削刃口是一件十分困难的事情，这也成为微径铣刀发展的一个技术瓶颈。为此，从理论和实验的角度出发，可以选择一种不产生切削力的加工方法（如激光加工、聚焦离子束加工等）。
聚焦离子束加工方法从原理上比较适合用于制造微径铣刀。Friedrich和Vasile等人采用聚焦离子束加工技术制作了微径铣刀，最小直径达到22μm。利用微径铣刀和定制的高精度铣床，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上加工出了89.5°直壁微槽结构，深度为62μm，槽间肋厚为8μm。Adams等人采用聚焦离子束加工技术制作了一些直径约为25μm的微径铣刀，其轮廓形状有两面体、四面体和六面体，切削刃分为2刃、4刃和6刃，刀具材料为高速钢和硬质合金。用这些刀具分别对铝、黄铜、4340钢和PMMA四种工件材料进行了微细铣削加工。但是，由于使用微径铣刀进行切削加工必须采用小进给量，且刀具磨损剧烈，加工毛刺较大，加工效果至今不能令人满意。
立铣刀的刀刃几何形状主要有直体、锥体三角形（Δ-type）、半圆形（D-type）和已商品化的螺旋刃立铣刀四种。Fang等人通过实验和有限元分析，从刀具刚度和加工性能出发，对上述四种立铣刀进行了研究对比。结果表明，锥体D-type立铣刀更适合微细切削加工，并用直径0.1mm的锥体立铣刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物医学零件和特征尺寸小于80μm的微型压花模具。
但是，从实用角度和应用前景来讲，还是应优先选择商品化的螺旋刃微径立铣刀，很多研究都是针对此类铣刀进行的。目前，直径0.1mm的硬质合金立铣刀在国外已经商品化（在国内，直径0.2mm的立铣刀也已经商品化），直径50μm的立铣刀也开始上市。目前此类铣刀的制造仍需依赖于高性能的工具磨床。
在欧洲，采用微径立铣刀（最小直径50μm）加工微型塑料组件的注射模具，模具硬度达53HRC，铣削精度＜5μm，表面粗糙度Ra＜0.2μm。美国开发了专门用于模具和硬型模具加工的新型微径铣刀，能够对石墨、钢等高硬度材料进行高速切削加工（切削速度30m/min，最高达150m/min）。瑞士的研究人员做了一个高速切削硬材料的实验，用直径0.5mm的TiAlN涂层微径铣刀切削316L不锈钢，切削深度0.1mm，切削速度80m/min，主轴转速50000r/min，进给率240mm/min。实验结果表明刀具寿命达8小时（117m）。
（2）刀具材料
作为刀具材料，金刚石、立方氮化硼、陶瓷等都各有其优点和局限性，而使用最多的是硬质合金材料，目前国外90%以上的车刀和55%以上的铣刀均采用硬质合金。在微径铣刀领域，刀具材料也以硬质合金为主。硬质合金是由很多晶粒组成的烧结体，晶粒的大小决定了刀刃的微观锋利程度，为了获得锋利的刀刃，通常采用钨钴类的超细颗粒硬质合金。目前超细颗粒硬质合金的晶粒尺寸在0.5μm左右，其切削刃圆弧半径为几微米。
细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发与应用是进一步提高刀具使用可靠性的发展方向，其特点是不断开发刀具材料新牌号，使之更适应被加工材料和切削条件，从而达到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“对症下药”的策略，不断开发具有加工针对性的刀具新牌号，如美国肯纳公司仅针对车削加工新推出的牌号就有：加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615等。与原有的老牌号相比，新牌号平均可提高切削效率15%～20%。其次，在新牌号的开发中，更加重视基体与涂层的优化组合，以更好地实现适用性开发的目的。此外，新牌号的开发通常还包括相应刀具槽形和几何参数的改进，以更好适应被加工材料的特性以及不同工序对断屑的要求，并起到降低切削力、减小振动等作用，使切削更加轻快、高效。 |
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