1 引言

近年來，民用和國防等領域對各種微小型化產品的需求不斷增加，對微小裝置的功能、結構復雜程度、可靠性等要求也越來越高。因此，研究開發(fā)經濟上可行、能夠加工三維幾何形狀和多樣化材料、特征尺寸在微米級到毫米級的精密三維微小零件的微細加工數(shù)控技術具有重要意義。目前，微細切削已成為克服MEMS技術局限性的重要技術，而微細銑削數(shù)控技術因具有高效率、高柔性、能加工復雜三維形狀和多種材料的特點，已成為一個非常活躍的研究熱點。

2 微徑銑刀及其制造數(shù)控技術

　?。?）制造工藝及刀具性能

　　磨削是一種傳統(tǒng)的銑刀制造工藝，但對于直徑僅為零點幾毫米的微徑銑刀，要在磨削力作用下，在不均質的刀具材料上磨削加工出鋒利的切削刃口，是一件十分困難的事情，這也成為微徑銑刀發(fā)展的一個技術瓶頸。為此，從理論和實驗的角度出發(fā)，可以選擇一種不產生切削力的加工方法（如激光加工、聚焦離子束加工等）。

　　聚焦離子束加工方法從原理上比較適合用于制造微徑銑刀。Friedrich和Vasile等人采用聚焦離子束加工技術制作了微徑銑刀，最小直徑達到22mm。利用微徑銑刀和定制的高精度銑床，在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上加工出了89.5°直壁微槽結構，深度為62mm，槽間肋厚為8mm。Adams等人采用聚焦離子束加工技術制作了一些直徑約為25μm的微徑銑刀，其輪廓形狀有兩面體、四面體和六面體，切削刃分為2刃、4刃和6刃，刀具材料為高速鋼和硬質合金。用這些刀具分別對鋁、黃銅、4340鋼和PMMA四種工件材料進行了微細銑削加工。但是，由于使用微徑銑刀進行切削加工必須采用小進給量，且刀具磨損劇烈，加工毛刺較大，加工效果至今不能令人滿意。

　　立銑刀的刀刃幾何形狀主要有直體、錐體三角形（D-type）、半圓形（D-type）和已商品化的螺旋刃立銑刀四種。Fang等人通過實驗和有限元分析，從刀具剛度和加工性能出發(fā)，對上述四種立銑刀進行了研究對比。結果表明，錐體D-type立銑刀更適合微細切削加工，并用直徑0.1mm的錐體立銑刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物醫(yī)學零件和特征尺寸小于80μm的微型壓花模具。

　　但是，從實用角度和應用前景來講，還是應優(yōu)先選擇商品化的螺旋刃微徑立銑刀，很多研究都是針對此類銑刀進行的。目前，直徑0.1mm的硬質合金立銑刀在國外已經商品化（在國內，直徑0.2mm的立銑刀也已經商品化），直徑50μm的立銑刀也開始上市。目前此類銑刀的制造仍需依賴于高性能的數(shù)控工具磨床，

　　在歐洲，采用微徑立銑刀（最小直徑50μm）加工微型塑料組件的注射模具，模具硬度達53HRC，銑削精度＜5μm，表面粗糙度Ra＜0.2μm。美國開發(fā)了專門用于模具和硬型模具加工的新型微徑銑刀，能夠對石墨、鋼等高硬度材料進行高速切削加工（切削速度30m/min，最高達150m/min）。瑞士的研究人員做了一個高速切削硬材料的實驗，用直徑0.5mm的TiAlN涂層微徑銑刀切削316L不銹鋼，切削深度0.1mm，切削速度80m/min，主軸轉速50000r/min，進給率240mm/min。實驗結果表明刀具壽命達8小時（117m）。

　?。?）刀具材料

　　作為刀具材料，金剛石、立方氮化硼、陶瓷等都各有其優(yōu)點和局限性，而使用最多的是硬質合金材料，目前國外90％以上的車刀和55％以上的銑刀均采用硬質合金。在微徑銑刀領域，刀具材料也以硬質合金為主。硬質合金是由很多晶粒組成的燒結體，晶粒的大小決定了刀刃的微觀鋒利程度，為了獲得鋒利的刀刃，通常采用鎢鈷類的超細顆粒硬質合金。目前超細顆粒硬質合金的晶粒尺寸在0.5µm左右，其切削刃圓弧半徑為幾微米。

　　細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發(fā)與應用是進一步提高刀具使用可靠性的發(fā)展方向，其特點是不斷開發(fā)刀具材料新牌號，使之更適應被加工材料和切削條件，從而達到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“對癥下藥”的策略，不斷開發(fā)具有加工針對性的刀具新牌號，如美國肯納公司僅針對車削加工新推出的牌號就有：加工鋼材的KC9110、加工不銹鋼的KC9225、加工鑄鐵的KY1310、加工耐熱合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非鐵材料的KY1615等。與原有的老牌號相比，新牌號平均可提高切削效率15%～20%。其次，在新牌號的開發(fā)中，更加重視基體與涂層的優(yōu)化組合，以更好地實現(xiàn)適用性開發(fā)的目的。此外，新牌號的開發(fā)通常還包括相應刀具槽形和幾何參數(shù)的改進，以更好適應被加工材料的特性以及不同工序對斷屑的要求，并起到降低切削力、減小振動等作用，使切削更加輕快、高效。

　　（3）刀具涂層

　　涂層具有高的硬度、耐磨性和化學穩(wěn)定性，可以阻止刀具－切屑－工件材料間的相互作用，能起到熱屏障作用，減輕刀具的粘著磨損、溶解磨損、表層剝落磨損等，并能有效延緩刀具磨損的出現(xiàn)。因此涂層的應用能極大地改善刀具性能。

　　涂層按其成分和作用可分為兩大類：一類是“硬”涂層，特點是硬度高，耐磨性好；另一類是“軟”涂層，主要作用是減少摩擦，降低切削力和切削溫度。涂層按其結構可分為單層涂層、多層涂層、復合涂層、梯度涂層、納米多層涂層、納米復合結構涂層等。在選用涂層時，應考慮涂層的厚度、光滑性以及與基體硬質合金的兼容性等問題。

　　刀具涂層的發(fā)展特點是多樣化和系列化。納米涂層、梯度結構涂層及全新結構、材料涂層的開發(fā)與應用為提高刀具的使用性能發(fā)揮了重要作用。在層出不窮的涂層新產品中，既有適應高速切削、干切削和硬切削的耐磨、耐熱涂層，也有適應斷續(xù)切削的韌性涂層，還有適用于干切削及需要降低摩擦系數(shù)的潤滑涂層。金剛石涂層也得到了進一步應用，提高了鋁合金等非鐵金屬和非金屬材料的加工效率。多種納米涂層（包括納米結晶、納米層厚和納米結構涂層）的實用化，使涂層性能得到更大提高。納米涂層技術的最新成果是開發(fā)出TiSiN和CrSiN涂層立銑刀，這兩種涂層材料的粒徑均為5nm。此外，通過提高涂層表面光潔度，可以提高涂層刀具的抗摩擦、抗粘結能力。

3 微細銑削數(shù)控技術的研究

　　傳統(tǒng)的微細銑削數(shù)控技術研究與應用主要是采用直徑幾十微米至1mm的微型立銑刀，在常規(guī)尺寸的超精密機床上進行微細加工。由于這些機床主要用于加工精度很高的非微小幾何尺寸零件，通常需要通過昂貴的設計和制造工藝來達到所期望的目標精度，而對于微小零件的加工，則缺少必要的柔性，且加工成本高、效率低。微小型化的加工設備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源、易于重組、成本低等優(yōu)點。近年來，利用微小型加工設備實現(xiàn)微細銑削加工已引起人們的普遍重視，并實現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機床上的微細加工過程。在對微細銑削加工技術的研究中，研究重點主要集中于加工表面質量、切削力、刀具的磨損和壽命、切屑狀態(tài)、對微小零件的加工能力等方面。

　?。?）加工表面質量及毛刺

　　在對微細加工表面質量的研究中，表面粗糙度一直是備受關注的問題。韓國的W.Wang等人在黃銅上進行了微細銑削實驗，并采用統(tǒng)計學方法分析了刀具直徑、切削深度、主軸轉速、進給率等參數(shù)對表面粗糙度的影響，建立了一個新的表面粗糙度數(shù)學模型。研究表明，進給率起著主要的影響作用，表面粗糙度隨著刀具直徑和主軸轉速的增加呈線性增長。然而，刀具的硬度和主軸的振動帶來的影響卻比進給率更大。最后指出，增加結構和刀具的硬度及剛度，降低主軸的振動，是在該加工條件下提高表面質量的最好方法。

　　德國的J.Schmidt等人對微細銑削進行了大量研究。在切削硬鋼（HRC52）時，發(fā)現(xiàn)在切入的一段，因刀具的劇烈磨損導致表面粗糙度不穩(wěn)定，在逆銑切入一側最差，中間部分最好，順銑一側居中（Rz0.5～1.6m）。隨著刀具的繼續(xù)磨損，逆銑一側粗糙度變好，順銑一側降低，表面粗糙度趨于穩(wěn)定。而在切削軟鋼（HRC42）時，沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象，表面粗糙度始終是中間部分最好（Rz0.7～1.8m）。此外還進行了每齒進給量為7μm的銑削實驗，也獲得了不錯的表面質量，而這種進給量在切削高硬度材料（HRC52）時被認為是不合適的。

　　毛刺是影響微細銑削加工質量的主要因素。Lee等人通過實驗研究了微細銑削鋁和銅時產生的毛刺。實驗中觀察到5種類型的毛刺：順銑側面切入毛刺、槽側面頂端毛刺、槽底面切出毛刺和逆銑側面切出毛刺，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進給量的增加而增大。德國的J.Schmidt等人發(fā)現(xiàn)，只有在每齒進給量為0.5μm時才會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺，大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～60μm，這對所加工模具的實際應用沒有影響，結果令人滿意。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側的毛刺較大，硬材料的毛刺比軟材料的毛刺大；隨著刀具的磨損，毛刺會變大，尤其在逆銑一側；隨著切削速度的增加，毛刺略有減小。

　　目前，世界各國對表面粗糙度已進行了大量研究，但對加工硬化、殘余應力的研究還鮮有報道，而這些因素對微小零件的性能都有很大影響，相信具有很大的研究價值，會成為未來的研究方向之一。

　?。?）微細切削力

　　在銑削過程中，刀具的受載狀態(tài)極其復雜，不斷受到大小、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷。由于微細銑削中的每齒進給量小于（或等于）刀具切削刃鈍圓半徑，切削加工過程從以剪切為主變化到以摩擦、擠壓或耕犁為主；又由于切削速度較高，沖擊載荷較大，使得微細切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同。

　　Bao和Tansel針對采用微徑立銑刀進行微細銑削加工時的切削力進行了研究，提出了改進的切削力模型。該模型通過計算刀具旋轉和前移時刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出，并且考慮了每齒進給量與刀具半徑比值的不同、刀具跳動量和刀具磨損對切削力的影響，并通過實驗驗證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準確。

　　Vogler等人提出了一個微細立銑削加工的力學模型，考慮了異質材料中不同的相，發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導致切削力的高頻變化，從而解釋了微細銑削多相材料時切削力中出現(xiàn)的高頻信號。

　　目前對微細切削力的研究還不多，還需進一步了解微細切削力的特征，并可以考慮通過對切削力的實時監(jiān)測，動態(tài)調節(jié)切削用量，以控制切削力，提高加工表面質量，延長刀具使用壽命。

　　（3）微刀具的磨損、壽命及切屑狀態(tài)

　　利用小直徑立銑刀進行微細加工時，由于對切削后加工面的修整非常困難，因此希望能用一把銑刀完成最終加工工序。而且高精度形狀加工耗用的切削時間往往需要數(shù)小時，因此對刀具的壽命和切削性能提出了更高要求。

　　Rahman等人采用直徑1mm的立銑刀對純銅進行了微細銑削實驗，利用統(tǒng)計學中的響應曲面法建立了純銅微細銑削過程中刀具壽命的二次模型，得出切削速度和背吃刀量對刀具壽命影響顯著，而進給速度的影響不顯著。切削刃磨鈍顯現(xiàn)出切削力的增加。同時應當考慮微型刀具的直徑和刃口尺寸。Zhou等人用直徑2mm的立銑刀高速銑削石墨電極，指出刀具磨損以磨粒磨損為主，磨損形態(tài)為后刀面磨損、前刀面磨損、微碎裂和破損，切屑形狀有塊狀、柱狀、球狀和片狀；涂層刀具的壽命是無涂層刀具的1.5倍；提出利用空氣噴射管口和吸塵器能有效減少刀具的磨損和破損。Miyaguchi等人指出，刀具壽命可以通過減小刀具剛度得以延長，由于刀具的低剛度，刀具的彎曲平衡了切削力，調節(jié)了跳動量的影響，導致兩個切削刃均勻磨損。

　　在微刀具的微細銑削加工中，切屑狀態(tài)是實現(xiàn)精密加工、控制加工過程、判斷加工能力的重要因素。Kim等人對微細銑削過程中切屑的形成進行了實驗研究。以不同的進給量對黃銅工件銑槽，通過收集切屑進行測量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，當每齒進給量小于切削刃鈍圓半徑時，實際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍，進刀痕跡間隔也大于每齒進給量。隨著每齒進給量的增加，實際切屑體積逐漸接近名義切屑體積。由此可知，微細銑削中以較小的每齒進給量進給期間并不是總會形成切屑，即切屑的形成是間歇性的，斷斷續(xù)續(xù)產生的。

　　為了提高微細銑削加工質量，必須對刀具的磨損及壽命進行研究，可以考慮通過切削力、表面粗糙度、刀具的振動來研究刀具的磨損、破損情況。

　?。?）對微小零件的加工能力

　　目前，大多數(shù)微細銑削研究都集中于所能實現(xiàn)的形狀特征能力方面，其目的是期望在微小型加工設備上實現(xiàn)復雜微型零件（如微型模具等）的實用化加工。為了提高加工復雜形狀的能力和加工效率，多軸聯(lián)動的微小型加工設備的研究也已經開始。

　　韓國的Young等人研制了一臺五軸微小型立式銑床，他們使用直徑200μm和100μm的硬質合金平頭立銑刀，在黃銅工件上加工出了厚25μm、高650μm的微型墻結構，以及微型方柱（30μm×30μm×320μm）、微型圓柱以及微型葉輪（直徑600μm）結構。

　　德國的J.Schmidt等人為了證明微細銑削加工微小模具的能力，加工了微車輪、微齒輪的模具（工件硬度HRC52），獲得了較好的精度（0.01mm）及合適的表面粗糙度，并在一個小時內完成加工。

　　在國內，哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所研制了國內首臺微小型臥式銑床，尺寸為300mm×150mm×165mm，主軸最高轉速140000r/min，驅動系統(tǒng)分辨率0.1μm。實現(xiàn)了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結構；同時在兩塊尺寸分別為12mm×8mm和8mm×5mm的有機玻璃材料上進行了人臉曲面的數(shù)控加工。

　　目前，哈爾濱工業(yè)大學又研制了一臺三軸微小型立式銑床，尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉速160000r/min，最大徑向跳動1μm；驅動系統(tǒng)重復定位精度0.25μm，速度范圍1μm～250mm/s；采用全閉環(huán)控制，分辨率0.1μm。采用0.2mm的微型立銑刀，在厚70μm的小薄鋼片（HRC50）上加工了一個微型槽（剩余厚度約20μm）。

4 結語

　　為了獲得理想的微細銑削加工效果，不僅需要高性能的加工機床，還需要優(yōu)秀的切削刀具和嚴格的過程控制。具有優(yōu)異切削性能的微型刀具將在未來的微細銑削加工中發(fā)揮重要作用。

　　目前，在微細銑削加工領域，對加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但對加工硬化、殘余應力的研究還不多，對切削力的研究也還不夠成熟。為了改善微細銑削的加工效果，可對切削力、加工質量、刀具磨損和加工振動等因素的影響進行綜合研究；通過對微細銑削工藝的深入研究及開發(fā)，進一步提高微小型機床的加工能力。隨著精密三維微小零件市場需求的不斷增大，微細銑削技術必將大有可為。