微细切削刀具的特征及其制备技术
1 引言
微细切削是为满足微小型结构件的加工需求，在传统切削基础上发展起来的一种微制造技术，在微型注塑模具、光学元件、集成电路、计算机外设等多个领域具有广阔的应用前景。微细切削的基本原理是在精密（或超精密）切削机床上，利用微细切削刀具去除工件上的多余材料，使之成为在形状、精度和表面质量等方面符合要求的微小型精密零件。
微细切削技术的发展依赖于微细切削刀具技术的支撑。本文结合微细切削的特征，分析了微细切削对于切削刀具的基本要求，重点介绍了适用于微细切削的刀具材料、刀具设计要点和典型的刀具制备工艺。
2 微细切削刀具的基本特征
目前应用较多的微细切削方法主要有微细车削、微细立铣削、微细飞切和微细钻削，使用的微细切削刀具相应为微细车刀、平头及球头立铣刀、飞刀和钻头。
受尺度效应的影响，微细切削的刀具磨（破）损、切削力、切削表面形成等加工机理显著区别于常规尺度切削，刀具所承受的切削抗力、摩擦和冲击等工况条件更为恶劣。适用于微细切削的刀具应满足以下基本要求：
（1）整体尺度小，局部特征尺度微小
针对微小型系统中广泛存在的框架、平面、曲面、轴、槽、壁、孔等各类微小型结构，为了适应微细切削加工特征微小、加工精度较高的特点，以及避免与工件之间的干涉，切削刀具的整体尺度和切削部分的特征尺度必须同步减小。
（2）切削刃锋利
在微细切削条件下，为了实现极微量的材料去除，所采用的切削深度和进给量通常在微米级，切削厚度与刀具刃口半径处于同一数量级，刀具实际前角将表现为较大的负值。刃口半径对于微细切削性能的影响不容忽视，切削刀具应具有足够锋利的切削刃。但是，受刀具材料特性和制造工艺的限制，刃口半径还不能随刀具整体尺度的降低而成比例地降低。
（3）表面质量好
表面质量对于微细切削刀具的使用性能影响极大。为了获得良好的微细切削精度和表面质量，微细刀具应具有较高的表面完整性及较小的表面粗糙度和微观成形缺陷。较差的表面质量不仅会增加微细切削时的摩擦阻力，导致加工表面恶化，而且会削弱刀具强度。
（4）强度高，抗冲击能力强
对于小直径的微细立铣刀和钻头等旋转刀具，微细切削是在极高的主轴转速下进行。微细切削刀具的切削部分应具备足够高的强度和动态特性，能够承受微细切削时的高频冲击负载。
（5）刚性好，抗变形能力强
为保证加工精度，微细刀具应具有较高的刚性，以减小切削力作用下的变形和回弹。微细立铣削时，刀具刚性不足引起的轴向和径向变形是影响加工精度的主要原因；微细钻削时，钻头变形量过大引起的折断将导致工件报废。
（6）耐磨性好，磨损过程均匀
微细切削刀具的切削部分应具有足够高的硬度，以保证其耐磨性。用已磨钝的刀具进行微细切削，不仅影响加工精度，并且会产生明显的加工毛刺，给表面精整带来困难。
（7）动平衡精度高
微细立铣削时，刀具跳动与进给量的比值明显大于常规切削。在极高的主轴转速下，切削刃之间的切削负载极不均衡，切削力波动现象严重，将影响切削过程的稳定性和刀具的可靠性。为保证刀尖运动轨迹和加工精度，微细立铣刀、钻头等旋转刀具应具有极高的动平衡精度，使用前必须随同刀柄系统进行动平衡测试。
（8）刀具夹持精确可靠
微细旋转刀具的安装误差是影响加工精度和可靠性的主要因素。刀具夹持系统应具有较高的接触刚度和重复定位精度，并具有良好的高速锁紧性。
3 微细切削刀具的材料
选用先进适用的刀具材料是保证微细切削刀具综合性能的重要技术手段。单晶金刚石、细晶粒和超细晶粒硬质合金是比较理想的微细切削刀具材料。
（1）单晶金刚石
单晶金刚石具有硬度高、弹性模量高、与工件材料摩擦系数低、晶体结构呈单晶等优点，可以抛光加工出极锋利的切削刃（刃口半径可小于50～100nm），适合铜、铝等有色金属材料的精密微细切削。根据延性域加工机理，通过采用合理的刀具参数和切削工艺参数，利用单晶金刚石刀具可实现硅片、锗、光学玻璃等脆性材料的延性域微细切削，能够满足微小型光学零件的精密加工需求。另一方面，单晶金刚石刀具在微细切削中的应用也受到很大局限，如：与铁的亲和力强，加工钢时化学磨损严重，应用范围主要局限于非铁基材料；硬度极高，复杂结构成形困难，只适合制造尺度较大、形状相对简单的车刀和飞切刀具，不适合制造带螺旋槽的微细钻头和立铣刀。
（2）细晶粒和超细晶粒硬质合金
细晶粒与超细晶粒硬质合金是指晶粒度大小在0.2～1.3μm之间的硬质合金。随着硬质合金晶粒的细化，硬质相尺寸减小，粘结相分布更加均匀，材料硬度和抗弯强度都得以提高，扩大了硬质合金的应用领域。细晶粒与超细晶粒硬质合金的以下特点较适合制作微细切削刀具：
①晶粒极细
细晶粒组织能减小刀具成形过程的崩刃缺陷，制备出的刀具刃口锋利，表层显微组织均匀，几何参数稳定，尺寸一致性好，有利于实现批量生产。
②硬度和抗弯强度“双高”，弹性模量大
细晶粒和超细晶粒硬质合金突破了硬度与抗弯强度之间的逆向关系，具有较好的综合物理特性，如：耐磨性好，经过较长切削行程后，刀具仍能保持较小的刃口半径和光滑表面；刃口强度高，材料去除顺畅，能够获得稳定的加工表面质量；断裂韧性好，微细切削过程中刀具磨损均匀，刀具可靠性好；弹性模量大，制备出的微细刀具刚性好，有利于保证加工精度，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁结构的形状精度。
③加工材料范围广泛
细晶粒和超细晶粒硬质合金对于各类工程材料的适应能力较强，其突出优势是可以加工钢，扩大了微细切削的应用领域。基于细晶粒和超细晶粒硬质合金刀具的高强高硬钢的微细切削具有广阔的应用前景。
4 微细切削刀具的设计要点
从设计角度分析，微细切削刀具并非传统刀具在尺度上的简单缩小，而是基于微细切削特征和面向具体加工需求的一类特种刀具。现以微细立铣刀和钻头为例，说明微细切削刀具的设计要点和原则。
微细立铣削的轴向切削深度和微细钻削的进给量均很小，因此刀具结构可适当简化。微细立铣刀和钻头不一定需要形状完整的螺旋槽，可以采用单切削刃的结构形式。为保证刀具刚度，应尽量减少切削部分长度，长径比不宜过大。
刀具刃口形状应比较规则且半径较小，以减小实际切削时的负前角效应。
由于微细立铣刀和钻头的直径较小，容屑槽空间有限，碎状切屑容易发生堵塞而导致刀具折断，因此可采用涂层或固体润滑膜来减小刀具与工件之间的摩擦系数，不仅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性。
5 微细切削刀具的制备工艺
微细切削刀具的制备工艺是制约微细切削技术发展的难点之一。精密微细机械磨削和电火花线电极磨削（WEDG）、聚焦离子束溅射（FIB）等特种加工方法是目前主要的微细刀具制备技术。
（1）精密微细磨削工艺
磨削工艺是比较成熟的刀具制备和修整方法。微细刀具的精密磨削工艺主要采用金刚石砂轮，能够实现高速钢和硬质合金材料的高效成形。该工艺的要点是：为防止小直径刀具折断，应合理确定刃磨时的磨削压力。通过对砂轮施加振动，可以显著减小磨削力和最小成形直径。
精密微细磨削工艺在一定程度上可以满足微细切削刀具的制备要求，但受磨削力的影响，能够稳定获得的刀具最小直径受到局限。另外，刃磨工艺容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷，将直接影响加工表面质量和精度水平；磨削热应力容易引起刀具表层微观结构的变化；微细立铣刀的同心度和直径偏离等制造误差有可能大于微细切削的单齿进给量，成形精度有待提高。
（2）电火花线电极磨削工艺
电火花线电极磨削（WEDG）工艺的材料蚀除机理与普通电火花加工相同，电极和工件的运动原理为：线状电极在导向器上连续移动，导向器沿工件径向作微进给，而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。该运动方式的主要优点是：线电极与工件之间为点接触，容易实现微能放电；线电极始终沿导向器匀速运动，可以忽略线电极损耗对加工精度的影响。
通过控制工件的旋转与分度，配合轴向的精密进给控制，WEDG工艺可以加工圆柱、圆锥、棱柱、螺旋槽、平面等多种截面形状。该方法的主要优点是：刀具成形过程中无机械力作用，成形的尺寸精度和形状精度较高，为微细刀具制备提供了一种有效方法。
（3）聚焦离子束溅射工艺
聚焦离子束溅射工艺是一种显微加工技术，同样可以用于微细刀具的制备，其基本原理为：选择原子量较大的液态金属镓（原子量为69.72，其原子质量远远大于电子的质量）作为离子源，在离子柱顶端施加高密度的电场，形成数十keV的高能离子束，通过静电透镜将离子束聚焦为亚微米直径的斑点，然后控制聚焦后的镓离子束对工件进行轰击，将镓离子的动量传递给工件中的原子或分子，产生溅射效应从而实现材料的去除。通常每个入射镓离子可以去除3～5个工件原子，可以精确控制材料的去除量。利用聚焦离子束溅射工艺，可以对硬质合金、高速钢、单晶金刚石等材料进行显微加工。
与精密磨削相比，基于聚焦离子束溅射的刀具成形过程没有机械力的作用，刀具在制造过程中不会破损，能够制备出具有极小特征尺寸的微细刀具。
（4）激光加工工艺
为了克服聚焦离子束溅射工艺成形效率较低的问题，德国卡尔斯鲁厄大学对采用激光加工工艺进行微细刀具制备进行了探索。该工艺同样无机械力作用，加工过程中无振动，刀具不产生变形，加工成本较低。目前存在的问题是成形表面较粗糙，加工表面质量有待提高。
6 结语
微细切削对于由金属材料构成的微小型结构及零件的制造具有一系列原理优势，是微制造技术的重要发展方向之一。微细切削刀具是实施微细切削的必要条件，直接决定了微细切削技术的应用水平。因此，微细切削刀具技术的研究和开发具有十分重要的工程应用价值。随着微细切削加工机理、刀具材料和刀具制备工艺等相关理论和技术的发展，微细切削刀具的实用化程度必将不断提高，并成为推动微细切削发展的重要基础技术。
微细切削是为满足微小型结构件的加工需求，在传统切削基础上发展起来的一种微制造技术，在微型注塑模具、光学元件、集成电路、计算机外设等多个领域具有广阔的应用前景。微细切削的基本原理是在精密（或超精密）切削机床上，利用微细切削刀具去除工件上的多余材料，使之成为在形状、精度和表面质量等方面符合要求的微小型精密零件。
微细切削技术的发展依赖于微细切削刀具技术的支撑。本文结合微细切削的特征，分析了微细切削对于切削刀具的基本要求，重点介绍了适用于微细切削的刀具材料、刀具设计要点和典型的刀具制备工艺。
2 微细切削刀具的基本特征
目前应用较多的微细切削方法主要有微细车削、微细立铣削、微细飞切和微细钻削，使用的微细切削刀具相应为微细车刀、平头及球头立铣刀、飞刀和钻头。
受尺度效应的影响，微细切削的刀具磨（破）损、切削力、切削表面形成等加工机理显著区别于常规尺度切削，刀具所承受的切削抗力、摩擦和冲击等工况条件更为恶劣。适用于微细切削的刀具应满足以下基本要求：
（1）整体尺度小，局部特征尺度微小
针对微小型系统中广泛存在的框架、平面、曲面、轴、槽、壁、孔等各类微小型结构，为了适应微细切削加工特征微小、加工精度较高的特点，以及避免与工件之间的干涉，切削刀具的整体尺度和切削部分的特征尺度必须同步减小。
（2）切削刃锋利
在微细切削条件下，为了实现极微量的材料去除，所采用的切削深度和进给量通常在微米级，切削厚度与刀具刃口半径处于同一数量级，刀具实际前角将表现为较大的负值。刃口半径对于微细切削性能的影响不容忽视，切削刀具应具有足够锋利的切削刃。但是，受刀具材料特性和制造工艺的限制，刃口半径还不能随刀具整体尺度的降低而成比例地降低。
（3）表面质量好
表面质量对于微细切削刀具的使用性能影响极大。为了获得良好的微细切削精度和表面质量，微细刀具应具有较高的表面完整性及较小的表面粗糙度和微观成形缺陷。较差的表面质量不仅会增加微细切削时的摩擦阻力，导致加工表面恶化，而且会削弱刀具强度。
（4）强度高，抗冲击能力强
对于小直径的微细立铣刀和钻头等旋转刀具，微细切削是在极高的主轴转速下进行。微细切削刀具的切削部分应具备足够高的强度和动态特性，能够承受微细切削时的高频冲击负载。
（5）刚性好，抗变形能力强
为保证加工精度，微细刀具应具有较高的刚性，以减小切削力作用下的变形和回弹。微细立铣削时，刀具刚性不足引起的轴向和径向变形是影响加工精度的主要原因；微细钻削时，钻头变形量过大引起的折断将导致工件报废。
（6）耐磨性好，磨损过程均匀
微细切削刀具的切削部分应具有足够高的硬度，以保证其耐磨性。用已磨钝的刀具进行微细切削，不仅影响加工精度，并且会产生明显的加工毛刺，给表面精整带来困难。
（7）动平衡精度高
微细立铣削时，刀具跳动与进给量的比值明显大于常规切削。在极高的主轴转速下，切削刃之间的切削负载极不均衡，切削力波动现象严重，将影响切削过程的稳定性和刀具的可靠性。为保证刀尖运动轨迹和加工精度，微细立铣刀、钻头等旋转刀具应具有极高的动平衡精度，使用前必须随同刀柄系统进行动平衡测试。
（8）刀具夹持精确可靠
微细旋转刀具的安装误差是影响加工精度和可靠性的主要因素。刀具夹持系统应具有较高的接触刚度和重复定位精度，并具有良好的高速锁紧性。
3 微细切削刀具的材料
选用先进适用的刀具材料是保证微细切削刀具综合性能的重要技术手段。单晶金刚石、细晶粒和超细晶粒硬质合金是比较理想的微细切削刀具材料。
（1）单晶金刚石
单晶金刚石具有硬度高、弹性模量高、与工件材料摩擦系数低、晶体结构呈单晶等优点，可以抛光加工出极锋利的切削刃（刃口半径可小于50～100nm），适合铜、铝等有色金属材料的精密微细切削。根据延性域加工机理，通过采用合理的刀具参数和切削工艺参数，利用单晶金刚石刀具可实现硅片、锗、光学玻璃等脆性材料的延性域微细切削，能够满足微小型光学零件的精密加工需求。另一方面，单晶金刚石刀具在微细切削中的应用也受到很大局限，如：与铁的亲和力强，加工钢时化学磨损严重，应用范围主要局限于非铁基材料；硬度极高，复杂结构成形困难，只适合制造尺度较大、形状相对简单的车刀和飞切刀具，不适合制造带螺旋槽的微细钻头和立铣刀。
（2）细晶粒和超细晶粒硬质合金
细晶粒与超细晶粒硬质合金是指晶粒度大小在0.2～1.3μm之间的硬质合金。随着硬质合金晶粒的细化，硬质相尺寸减小，粘结相分布更加均匀，材料硬度和抗弯强度都得以提高，扩大了硬质合金的应用领域。细晶粒与超细晶粒硬质合金的以下特点较适合制作微细切削刀具：
①晶粒极细
细晶粒组织能减小刀具成形过程的崩刃缺陷，制备出的刀具刃口锋利，表层显微组织均匀，几何参数稳定，尺寸一致性好，有利于实现批量生产。
②硬度和抗弯强度“双高”，弹性模量大
细晶粒和超细晶粒硬质合金突破了硬度与抗弯强度之间的逆向关系，具有较好的综合物理特性，如：耐磨性好，经过较长切削行程后，刀具仍能保持较小的刃口半径和光滑表面；刃口强度高，材料去除顺畅，能够获得稳定的加工表面质量；断裂韧性好，微细切削过程中刀具磨损均匀，刀具可靠性好；弹性模量大，制备出的微细刀具刚性好，有利于保证加工精度，尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁结构的形状精度。
③加工材料范围广泛
细晶粒和超细晶粒硬质合金对于各类工程材料的适应能力较强，其突出优势是可以加工钢，扩大了微细切削的应用领域。基于细晶粒和超细晶粒硬质合金刀具的高强高硬钢的微细切削具有广阔的应用前景。
4 微细切削刀具的设计要点
从设计角度分析，微细切削刀具并非传统刀具在尺度上的简单缩小，而是基于微细切削特征和面向具体加工需求的一类特种刀具。现以微细立铣刀和钻头为例，说明微细切削刀具的设计要点和原则。
微细立铣削的轴向切削深度和微细钻削的进给量均很小，因此刀具结构可适当简化。微细立铣刀和钻头不一定需要形状完整的螺旋槽，可以采用单切削刃的结构形式。为保证刀具刚度，应尽量减少切削部分长度，长径比不宜过大。
刀具刃口形状应比较规则且半径较小，以减小实际切削时的负前角效应。
由于微细立铣刀和钻头的直径较小，容屑槽空间有限，碎状切屑容易发生堵塞而导致刀具折断，因此可采用涂层或固体润滑膜来减小刀具与工件之间的摩擦系数，不仅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性。
5 微细切削刀具的制备工艺
微细切削刀具的制备工艺是制约微细切削技术发展的难点之一。精密微细机械磨削和电火花线电极磨削（WEDG）、聚焦离子束溅射（FIB）等特种加工方法是目前主要的微细刀具制备技术。
（1）精密微细磨削工艺
磨削工艺是比较成熟的刀具制备和修整方法。微细刀具的精密磨削工艺主要采用金刚石砂轮，能够实现高速钢和硬质合金材料的高效成形。该工艺的要点是：为防止小直径刀具折断，应合理确定刃磨时的磨削压力。通过对砂轮施加振动，可以显著减小磨削力和最小成形直径。
精密微细磨削工艺在一定程度上可以满足微细切削刀具的制备要求，但受磨削力的影响，能够稳定获得的刀具最小直径受到局限。另外，刃磨工艺容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷，将直接影响加工表面质量和精度水平；磨削热应力容易引起刀具表层微观结构的变化；微细立铣刀的同心度和直径偏离等制造误差有可能大于微细切削的单齿进给量，成形精度有待提高。
（2）电火花线电极磨削工艺
电火花线电极磨削（WEDG）工艺的材料蚀除机理与普通电火花加工相同，电极和工件的运动原理为：线状电极在导向器上连续移动，导向器沿工件径向作微进给，而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。该运动方式的主要优点是：线电极与工件之间为点接触，容易实现微能放电；线电极始终沿导向器匀速运动，可以忽略线电极损耗对加工精度的影响。
通过控制工件的旋转与分度，配合轴向的精密进给控制，WEDG工艺可以加工圆柱、圆锥、棱柱、螺旋槽、平面等多种截面形状。该方法的主要优点是：刀具成形过程中无机械力作用，成形的尺寸精度和形状精度较高，为微细刀具制备提供了一种有效方法。
（3）聚焦离子束溅射工艺
聚焦离子束溅射工艺是一种显微加工技术，同样可以用于微细刀具的制备，其基本原理为：选择原子量较大的液态金属镓（原子量为69.72，其原子质量远远大于电子的质量）作为离子源，在离子柱顶端施加高密度的电场，形成数十keV的高能离子束，通过静电透镜将离子束聚焦为亚微米直径的斑点，然后控制聚焦后的镓离子束对工件进行轰击，将镓离子的动量传递给工件中的原子或分子，产生溅射效应从而实现材料的去除。通常每个入射镓离子可以去除3～5个工件原子，可以精确控制材料的去除量。利用聚焦离子束溅射工艺，可以对硬质合金、高速钢、单晶金刚石等材料进行显微加工。
与精密磨削相比，基于聚焦离子束溅射的刀具成形过程没有机械力的作用，刀具在制造过程中不会破损，能够制备出具有极小特征尺寸的微细刀具。
（4）激光加工工艺
为了克服聚焦离子束溅射工艺成形效率较低的问题，德国卡尔斯鲁厄大学对采用激光加工工艺进行微细刀具制备进行了探索。该工艺同样无机械力作用，加工过程中无振动，刀具不产生变形，加工成本较低。目前存在的问题是成形表面较粗糙，加工表面质量有待提高。
6 结语
微细切削对于由金属材料构成的微小型结构及零件的制造具有一系列原理优势，是微制造技术的重要发展方向之一。微细切削刀具是实施微细切削的必要条件，直接决定了微细切削技术的应用水平。因此，微细切削刀具技术的研究和开发具有十分重要的工程应用价值。随着微细切削加工机理、刀具材料和刀具制备工艺等相关理论和技术的发展，微细切削刀具的实用化程度必将不断提高，并成为推动微细切削发展的重要基础技术。
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