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(暂不可见)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）。  

　　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。 

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。