采用微型刀具加工时的技巧

        

微型零件通常是用模具加工的，而这种模具 必须进行微细铣削加工方可实现所要求 的精度。（照片由Cimatron提供）

        如今零件不仅变得越来越小，同时它们包括的部件越来越多，以提供更多机能。制作小而复杂的零件需要采用微型刀具进行加工，这种刀具为非标刀具，同时极易变形和破损。用于微细加工的刀具不会与大尺寸刀具一样对切削环境做出反应。有大量影响该过程基本机制的微细加工问题，这些问题与采用大规格刀具加工时存在的问题有着本质区别。这些问题包括，切屑形成过程中发生的变化、切削力变化、过程中的异常振动和非稳定性以及加工表面的形成和特征等。
        微型零件在航空、汽车、生物医学、电子、信息技术、光学及电信行业等领域具有大量应用。为了降低成本，大部分微型零件都是用模具制造的。模具制造厂家面临着各种挑战，包括采用稀有材料直至专用模具涂层，用直径为0.002英寸（50μm）直径的刀具铣削零件，用0.00078英寸（20 μm）的电极丝进行电火花加工，以及实现“潜水艇”级精度等。如今许多零件设计带有尺寸不到100μm的特征——仅仅比人的头发丝略大一点。
        对于这么小的零件和特征尺寸，精度就有了新的含义。例如，±0.0002英寸（±5 μm）的公差，对于尺寸为0.2英寸的零件，与相对于尺寸为0.002英寸的零件而言，肯定是有很大差异的。
        位于以色列Givat Shmuel的Cimatron有限公司((暂不可见))是一个CAD/CAM软件供应厂家，其工程主管Hari Sridharan说：“为了实现微细加工中所要求的质量和精度，在满足经济和商业方面限制的同时，还必须对整个制造链实现优化和同步化。”随着简单和中等复杂度的模具生产被转移到劳动力价格低廉的国家，美国与欧洲的模具制造厂家转而采用越来越先进的技术，诸如微型模具及微细铣削，以保持自己的竞争势头。
        

CimatronE软件带有内置式针对微细铣削表面而 优化的高速切削策略及其他专用加工功能。

        小零件，大挑战
        在这方面存在的主要挑战包括：对由微型部件组成的模具进行直接铣削以及制造EDM微型电极。与微细铣削相关的挑战包括采用直径小至100μm甚至更小的微细刀具，主轴转速高达150,000 rpm，表面粗糙度达0.2 μm（0.0000078英寸）。同时，由于对具有微细结构的精细零件进行抛光往往是不现实的，因此，微细铣削需要进行无抛光加工。
        微型刀具为什么会变形和破损与常规铣削相比，在进行微细铣削加工时，刀具更容易变形和破损。新加坡Suwa精密工程有限公司((暂不可见))的主管Ken Yap认为，微型加工刀具更易破损有三个主要原因。
        第一，在加工过程中去除金属时，随着切屑厚度降低，所需要的比能大大提高。这一点意味着，对于微细加工，采用小切深、随着切屑变薄，微细刀具刀尖受到的阻力要比常规加工中的大。这就好像在微细加工中工件材料变得越来越硬。这种阻力足够大，从而甚至在刀具产生任何明显磨损前就超出了刀尖的弯曲强度极限，并且可能导致刀尖产生破损。防止这种现象的一种方式是确保切屑厚度小于刀尖刃部半径。
        第二，在微细铣削过程中因切屑堵塞而引起的切削力和应力剧烈上升也可能引起刀尖破损。在大部分采用带两个切削刃的微型刀尖的微细铣削操作中，每个切削刃都是在转半圈时就从切削区去除切屑。但是，如果发生切屑堵塞现象，则在若干次刀具旋转过程中，切削力和应力上升到超出刀尖弯曲强度极限，那么刀具就会破损。为此，某些用户更喜欢采用高速钢刀具，因为与硬质合金刀具相比，它们更软，可以更好地容忍切屑堵塞的存在。
        第三个原因是，刀尖因切削刃变厚而损失了自己的刃口，无法高效加工。随着工件开始冲击刀尖顶部，刀尖发生轻微变形。刀具变形的增加以及因每转铣削而产生的应力最终引起刀尖破损。该过程也被称作彻底破损。
        由于这些现象的存在，大部分用于微细铣削的机床都配备传感器（用于测量作用在刀尖上力的大小）以及高级CAM软件（在整个微细加工过程中预测切屑负荷）。
        

Titex精密刀具（(暂不可见)）推出的Alpha 2 Plus 微型钻，采用外部冷却，带有优化的切屑槽及 刀尖几何结构。新的产品系列直径有80种规格，范围为 0.5mm（0.019685英寸）～2.9mm（0.1141732英寸）。

        CAD/CAM要求
        为了实现微观尺寸以及微细加工所需要的极端精度，不能通过简单地缩小铣床、刀夹及刀具尺寸来达到此目的。同样，软件必须针对微细过程而谐调和优化。采用正确的精度、平整度及连续性形成并修改几何形状仅仅是微型零件CAD解决方案的入门点。CAM系统必须可以处理严密的公差及超精加工。由于操作员无法干预而预防刀具破损，软件在整个加工过程中必须精确考虑切屑负载。
        Cimatron已经推出了一款用于微细铣削加工的NC软件解决方案——随CimatronE 7.0产品包提供。在该解决方案于2005年发行时，公司称，该软件是微细铣削的第一款商用解决方案。该软件是Cimatron参与一个微细铣削研究项目——由欧共体赞助，德国亚琛的Fraunhofer生产技术研究所（IPT）主持——的产物。
        由于手动抛光不是微细铣削的一个选项，Cimatron软件支持无抛光加工式高速铣削。为了避免刀具破损的风险，减少空切动作，维持刀具负荷和延长刀具寿命，该软件会不断自动记录剩余毛坯的详细情况，甚至在微型部件水平上也如此。该软件支持5轴倾斜操作，从而可以用锥度刀具加工较深的区域。借助将刀具从材料上倾斜开去的本领，可以采用较短的刀具进行加工。但是，由于连续5轴铣削当前没有3轴铣削那么精密，因此在采用连续5轴加工进行微细铣削时，必须仔细验证机床规格及实际性能。该软件的其他特征包括一种经过优化的铣削策略以及带有精确（0.001 μm）表面生成和修改工具的内置式CAD。
        Not only are the parts getting smaller, they are packed with more components to provide added power and functionality. Manufacturing small, complex parts requires machining with microtools that are delicate and can be easily deflected and broken. Cutters for micromachining do not respond to their cutting environment as their larger-size cousins do. There are a number of micromachining issues that influence the underlying mechanisms of the process, and are fundamentally different than when machining with large tools. These include changes in the chip-formation process, changed cutting forces, unusual vibrations and instability in the process and the generation and character of the resulting machined surface.

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