微細(xì)切削刀具的特征及其制備技術(shù)

1、微細(xì)切削刀具的特征及其制備技術(shù)發(fā)布日期： 2008-1-18共閱 744 次1引言微細(xì)切削是為滿足微小型結(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 賴于微細(xì)切削刀具技術(shù)的支撐。本文 結(jié)合微細(xì)

2、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)滿足以下基本要求：（ 1） 整體尺度

3、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

4、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

5、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) ，鉆頭變形量過大引起的折斷將導(dǎo)致工件報(bào)廢。（ 6） 耐磨 性好 ， 磨 損過 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

6、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

7、 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)，可以拋光加工出極鋒利的切削刃（刃 口半徑可小于5010 0n m）,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

8、 ，通 過 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 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。

9、（ 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. 21.3叱m 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：晶粒極細(xì)細(xì)晶粒組織能減小刀具成形過程的崩刃缺陷，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)。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

10、好的綜合物理特性，如：耐磨性好，經(jīng)過較長(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 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。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

11、了微細(xì)切削的應(yīng)用領(lǐng)域。 基于細(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特種 刀 具 ?，F(xiàn) 以 微 細(xì) 立 銑 刀 和 鉆 頭 為 例 ，說 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

12、過大。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 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 電 極 磨 削 （ WEDG） 、 聚 焦 離 子束濺射 （FI B） 等特種加工方法是 目 前主要的 微 細(xì)

13、 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 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

14、 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） 2） 電 火 花線 電 極 磨 削 工藝電火花線電極磨削（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：線電極與工件之間為點(diǎn)接 觸 ，容易 實(shí)現(xiàn) 微能放電；線電極始終沿 導(dǎo)向器 勻速運(yùn)動(dòng)，可以忽略線電極損耗對(duì)

15、加工精度的影響。通過控制工件的旋轉(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：刀具成形過程中無機(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 69.7 2， 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 ， 通過靜電透鏡

16、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 錢離子可以去除35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程沒有 機(jī) 械 力 的 作 用 ，刀 具 在 制 造 過程 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） 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 機(jī) 械 力 作 用 ，加 工 過 程 中 無 振 動(dòng) ，刀 具 不 產(chǎn) 生 變 形 ，加 工 成 本 較低 。目 前 存在