微径铣刀及微细铣削技术的研究

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。

1 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22mm。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62mm,槽间肋厚为8mm。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(D-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,<br>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;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0.5&micro;m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。

(3)刀具涂层

涂层具有高的硬度、耐磨性和化学稳定性,可以阻止刀具-切屑-工件材料间的相互作用,能起到热屏障作用,减轻刀具的粘着磨损、溶解磨损、表层剥落磨损等,并能有效延缓刀具磨损的出现。因此涂层的应用能极大地改善刀具性能。

涂层按其成分和作用可分为两大类:一类是“硬”涂层,特点是硬度高,耐磨性好；另一类是“软”涂层,主要作用是减少摩擦,降低切削力和切削温度。涂层按其结构可分为单层涂层、多层涂层、复合涂层、梯度涂层、纳米多层涂层、纳米复合结构涂层等。在选用涂层时,应考虑涂层的厚度、光滑性以及与基体硬质合金的兼容性等问题。

刀具涂层的发展特点是多样化和系列化。纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料涂层的开发与应用为提高刀具的使用性能发挥了重要作用。在层出不穷的涂层新产品中,既有适应高速切削、干切削和硬切削的耐磨、耐热涂层,也有适应断续切削的韧性涂层,还有适用于干切削及需要降低摩擦系数的润滑涂层。金刚石涂层也得到了进一步应用,提高了铝合金等非铁金属和非金属材料的加工效率。多种纳米涂层(包括纳米结晶、纳米层厚和纳米结构涂层)的实用化,使涂层性能得到更大提高。纳米涂层技术的最新成果是开发出TiSiN和CrSiN涂层立铣刀,这两种涂层材料的粒径均为5nm。此外,通过提高涂层表面光洁度,可以提高涂层刀具的抗摩擦、抗粘结能力。

2 微细铣削技术的研究

传统的微细铣削技术研究与应用主要是采用直径几十微米至1mm的微型立铣刀,在常规尺寸的超精密机床上进行微细加工。由于这些机床主要用于加工精度很高的非微小几何尺寸零件,通常需要通过昂贵的设计和制造工艺来达到所期望的目标精度,而对于微小零件的加工,则缺少必要的柔性,且加工成本高、效率低。微小型化的加工设备具有节省空间、节省能源、易于重组、成本低等优点。近年来,利用微小型加工设备实现微细铣削加工已引起人们的普遍重视,并实现了采用微型刀具在微小型机床上的微细加工过程。在对微细铣削加工技术的研究中,研究重点主要集中于加工表面质量、切削力、刀具的磨损和寿命、切屑状态、对微小零件的加工能力等方面。

(1)加工表面质量及毛刺

在对微细加工表面质量的研究中,表面粗糙度一直是备受关注的问题。韩国的W. Wang等人在黄铜上进行了微细铣削实验,并采用统计学方法分析了刀具直径、切削深度、主轴转速、进给率等参数对表面粗糙度的影响,建立了一个新的表面粗糙度数学模型。研究表明,进给率起着主要的影响作用,表面粗糙度随着刀具直径和主轴转速的增加呈线性增长。然而,刀具的硬度和主轴的振动带来的影响却比进给率更大。最后指出,增加结构和刀具的硬度及刚度,降低主轴的振动,是在该加工条件下提高表面质量的最好方法。

德国的J. Schmidt等人对微细铣削进行了大量研究。在切削硬钢(HRC52)时,发现在切入的一段,因刀具的剧烈磨损导致表面粗糙度不稳定,在逆铣切入一侧最差,中间部分最好,顺铣一侧居中(Rz0.5～1.6μm)。随着刀具的继续磨损,逆铣一侧粗糙度变好,顺铣一侧降低,表面粗糙度趋于稳定。而在切削软钢(HRC42)时,没有出现上述现象,表面粗糙度始终是中间部分最好(Rz0.7～1.8μm)。此外还进行了每齿进给量为7μm的铣削实验,也获得了不错的表面质量,而这种进给量在切削高硬度材料(HRC52)时被认为是不合适的。

毛刺是影响微细铣削加工质量的主要因素。Lee等人通过实验研究了微细铣削铝和铜时产生的毛刺。实验中观察到5种类型的毛刺:顺铣侧面切入毛刺、槽侧面顶端毛刺、槽底面切出毛刺和逆铣侧面切出毛刺,且毛刺尺寸随着背吃刀量和进给量的增加而增大。德国的J. Schmidt等人发现,只有在每齿进给量为0.5μm时才会出现几毫米长的毛刺,大多数情况下毛刺的高度在5～60μm,这对所加工模具的实际应用没有影响,结果令人满意。此外还发现顺铣一侧的毛刺较大,硬材料的毛刺比软材料的毛刺大；随着刀具的磨损,毛刺会变大,尤其在逆铣一侧；随着切削速度的增加,毛刺略有减小。

目前,世界各国对表面粗糙度已进行了大量研究,但对加工硬化、残余应力的研究还鲜有报道,而这些因素对微小零件的性能都有很大影响,相信具有很大的研究价值,会成为未来的研究方向之一。

(2)微细切削力

在铣削过程中,刀具的受载状态极其复杂,不断受到大小、位置不同的机械冲击和热冲击载荷。由于微细铣削中的每齿进给量小于(或等于)刀具切削刃钝圆半径,切削加工过程从以剪切为主变化到以摩擦、挤压或耕犁为主；又由于切削速度较高,冲击载荷较大,使得微细切削力与传统铣削力有很大的不同。

Bao和Tansel针对采用微径立铣刀进行微细铣削加工时的切削力进行了研究,提出了改进的切削力模型。该模型通过计算刀具旋转和前移时刀尖轨迹引起的切屑厚度变化得出,并且考虑了每齿进给量与刀具半径比值的不同、刀具跳动量和刀具磨损对切削力的影响,并通过实验验证了该模型比传统的立铣模型更为准确。

Vogler等人提出了一个微细立铣削加工的力学模型,考虑了异质材料中不同的相,发现金属材料中的多相导致切削力的高频变化,从而解释了微细铣削多相材料时切削力中出现的高频信号。

目前对微细切削力的研究还不多,还需进一步了解微细切削力的特征,并可以考虑通过对切削力的实时监测,动态调节切削用量,以控制切削力,提高加工表面质量,延长刀具使用寿命。

(3)微刀具的磨损、寿命及切屑状态

利用小直径立铣刀进行微细加工时,由于对切削后加工面的修整非常困难,因此希望能用一把铣刀完成最终加工工序。而且高精度形状加工耗用的切削时间往往需要数小时,因此对刀具的寿命和切削性能提出了更高要求。

Rahman等人采用直径1mm的立铣刀对纯铜进行了微细铣削实验,利用统计学中的响应曲面法建立了纯铜微细铣削过程中刀具寿命的二次模型,得出切削速度和背吃刀量对刀具寿命影响显著,而进给速度的影响不显著。切削刃磨钝显现出切削力的增加。同时应当考虑微型刀具的直径和刃口尺寸。Zhou等人用直径2mm的立铣刀高速铣削石墨电极,指出刀具磨损以磨粒磨损为主,磨损形态为后刀面磨损、前刀面磨损、微碎裂和破损,切屑形状有块状、柱状、球状和片状；涂层刀具的寿命是无涂层刀具的1.5倍；提出利用空气喷射管口和吸尘器能有效减少刀具的磨损和破损。Miyaguchi等人指出,刀具寿命可以通过减小刀具刚度得以延长,由于刀具的低刚度,刀具的弯曲平衡了切削力,调节了跳动量的影响,导致两个切削刃均匀磨损。

在微刀具的微细铣削加工中,切屑状态是实现精密加工、控制加工过程、判断加工能力的重要因素。Kim等人对微细铣削过程中切屑的形成进行了实验研究。以不同的进给量对黄铜工件铣槽,通过收集切屑进行测量以及观察槽底表面的SEM图像发现,当每齿进给量小于切削刃钝圆半径时,实际切屑体积是名义切屑体积的数倍,进刀痕迹间隔也大于每齿进给量。随着每齿进给量的增加,实际切屑体积逐渐接近名义切屑体积。由此可知,微细铣削中以较小的每齿进给量进给期间并不是总会形成切屑,即切屑的形成是间歇性的,断断续续产生的。

为了提高微细铣削加工质量,必须对刀具的磨损及寿命进行研究,可以考虑通过切削力、表面粗糙度、刀具的振动来研究刀具的磨损、破损情况。

(4)对微小零件的加工能力

目前,大多数微细铣削研究都集中于所能实现的形状特征能力方面,其目的是期望在微小型加工设备上实现复杂微型零件(如微型模具等)的实用化加工。为了提高加工复杂形状的能力和加工效率,多轴联动的微小型加工设备的研究也已经开始。

韩国的Young等人研制了一台五轴微小型立式铣床,他们使用直径200μm和100μm的硬质合金平头立铣刀,在黄铜工件上加工出了厚25μm、高650μm的微型墙结构,以及微型方柱(30μm×30μm×320μm)、微型圆柱以及微型叶轮(直径600μm)结构。

德国的J. Schmidt等人为了证明微细铣削加工微小模具的能力,加工了微车轮、微齿轮的模具(工件硬度HRC52),获得了较好的精度(0.01mm)及合适的表面粗糙度,并在一个小时内完成加工。

在国内,哈尔滨工业大学精密工程研究所研制了国内首台微小型卧式铣床,尺寸为300mm×150mm×165mm,主轴最高转速140000r/min,驱动系统分辨率0.1μm。实现了在硬铝LY12上铣削尺寸为700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁结构；同时在两块尺寸分别为12mm×8mm和8mm×5mm的有机玻璃材料上进行了人脸曲面的数控加工。

目前,哈尔滨工业大学又研制了一台三轴微小型立式铣床,尺寸为300mm×300mm×290mm,主轴最高转速160000r/min,最大径向跳动1μm；驱动系统重复定位精度0.25μm,速度范围1μm～250mm/s；采用全闭环控制,分辨率0.1μm。采用0.2mm的微型立铣刀,在厚70μm的小薄钢片(HRC50)上加工了一个微型槽(剩余厚度约20μm)。

3 结语

为了获得理想的微细铣削加工效果,不仅需要高性能的加工机床,还需要优秀的切削刀具和严格的过程控制。具有优异切削性能的微型刀具将在未来的微细铣削加工中发挥重要作用。

目前,在微细铣削加工领域,对加工表面粗糙度的研究已取得不少成果,但对加工硬化、残余应力的研究还不多,对切削力的研究也还不够成熟。为了改善微细铣削的加工效果,可对切削力、加工质量、刀具磨损和加工振动等因素的影响进行综合研究；通过对微细铣削工艺的深入研究及开发,进一步提高微小型机床的加工能力。随着精密三维微小零件市场需求的不断增大,微细铣削技术必将大有可为。

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