微细切削刀具的特征及其制备技术

1、微细切削刀具的特征及其制备技术发布日期： 2008-1-18共阅 744 次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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、 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5010 0n m）,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

8、 ，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。

9、（ 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. 21.3叱m 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：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。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

10、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。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

11、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

12、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 （FI B） 等特种加工方法是 目 前主要的 微 细

13、 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

14、 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） 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

15、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 69.7 2， 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

16、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 钱离子可以去除35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） 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