微細(xì)切削加工的第一批裝置是美國(guó)在60年代末開發(fā)的,主要用于加工光學(xué)件的表面,并由此誕生了超精加工技術(shù)。目前,在光學(xué)、電子和機(jī)械零件加工中達(dá)到了微米和亞微米的精度和幾十個(gè)納米的表面粗糙度。在八十年代末,德國(guó)的卡魯斯厄研究中心把微細(xì)切削用于在微型元件的表面上加工微細(xì)的紋理,制造微型熱交換器:它們對(duì)一個(gè)圓筒上的銅箔或鋁箔用單晶金剛石制造的刀尖進(jìn)行切槽,最終做成一個(gè)微型的、效率很高的熱交換器。
直到九十年代,微細(xì)切削主要是用金剛石刀具加工有色金屬零件。隨著微型技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,要求能加工更多樣化的材料,尤其是對(duì)鋼和陶瓷的微細(xì)切削,成為微細(xì)切削技術(shù)的發(fā)展方向。
金剛石——近乎理想的切削材料
在超精加工領(lǐng)域,單晶金剛石刀具幾乎是唯一得到實(shí)用的刀具。金剛石摩擦系數(shù)低,導(dǎo)熱率高,這對(duì)切削過(guò)程很有利;它還有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸級(jí)的鋒利刃口,而制作鋒利的刃口是微細(xì)切削領(lǐng)域中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)亞微米級(jí)的鋒利刃口可以加工出幾納米數(shù)量級(jí)的表面粗糙度。鋒利的刃口及很低的摩擦系數(shù),可大大減小切削力,這有利于微細(xì)切削加工的精度,也降低了對(duì)超精加工機(jī)床剛性的要求。
金剛石刀具適合加工鋁、純銅、黃銅以及銅鎳合金等。銅鎳合金有很高的硬度,在加工時(shí)可獲得極佳的表面質(zhì)量。金剛石不適合加工黑色金屬,為了使金剛石能夠加工鋼,正在開發(fā)一些裝置,有一個(gè)裝置效果很好。它把一個(gè)超聲振動(dòng)疊加在刀具的運(yùn)動(dòng)上,切削時(shí)使刀具的接觸時(shí)間大大減少,從而降低了切削溫度,抑制了金剛石向石墨的轉(zhuǎn)化。
微細(xì)切削來(lái)源于普通切削
微細(xì)切削的知識(shí)實(shí)際上是從普通的切削加工中獲得的,包括車、銑、鉆、磨,在個(gè)別情況下,微細(xì)加工也用鋸削或刨削。
目前研究最多、最成熟的是超精車削。例如制作壓制菲涅耳透鏡的有色金屬模具或制作表面粗糙度的樣塊。
通過(guò)疊加一個(gè)由壓電晶體驅(qū)動(dòng)的高頻振動(dòng)到進(jìn)給機(jī)構(gòu)里,在與主軸回轉(zhuǎn)頻率和振動(dòng)適當(dāng)同步時(shí),能產(chǎn)生不旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的加工表面,達(dá)到磨光的鏡面。目前,超精車削的技術(shù)水平已經(jīng)可加工出極微細(xì)的軸徑。
在微細(xì)加工中,銑削也被認(rèn)為是最柔性的加工方法。用單齒的金剛石圓盤銑刀加工槽與前面所述的在薄膜上車槽比較,可以加工出各種角度交叉的槽??捎糜谥圃靿褐乒鈱W(xué)柵格結(jié)構(gòu)的模具,如每毫米100線。已商品化的圓盤銑刀最小寬度約100μm。
用金剛石制造的帶柄銑刀,直徑約300μm,也已經(jīng)商品化。這種銑刀的結(jié)構(gòu)為通用的直槽單齒銑刀,也可制成有端刃的雕刻刀,它特別適合加工只有幾微米厚的隔板。這種槽銑刀的缺點(diǎn)是最小的槽寬取決于刀具的直徑和裝夾的精度。
鋼是未來(lái)微細(xì)切削技術(shù)加工的對(duì)象
微細(xì)切削技術(shù)至今還局限于加工硅或非金屬材料,而各種人工合成材料已經(jīng)可用成形工藝進(jìn)行加工(包括硬而脆的和軟而韌的),因此,下一步對(duì)鋼的加工就顯得很有必要。鋼的微細(xì)切削加工研究在德國(guó)始于九十年代,至今仍處于研究階段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域在工模具行業(yè),模具的耐磨性是成形加工經(jīng)濟(jì)性的重要前提,尤其當(dāng)模具的結(jié)構(gòu)有很高的深度——寬度比時(shí),其材料的抗彎強(qiáng)度對(duì)成形加工的可靠性有決定性的意義,有時(shí)甚至關(guān)系到是否能夠成形。
鋼的微細(xì)切削不能用金剛石刀具,主要用硬質(zhì)合金銑刀。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結(jié)體,其晶粒的大小決定刀刃的微觀鋒利程度。因此,不能加工出像用金剛石刀具所獲得的表面質(zhì)量,但由于價(jià)格低并能加工鋼,因此目前仍然是對(duì)鋼進(jìn)行微細(xì)切削的主要刀具。
為了有鋒利的刀刃,通常采用鎢鈷類的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具的晶粒尺寸為0.5~1.0μm,其切削刃圓弧半徑為幾微米。
為了開發(fā)鋼的微細(xì)切削技術(shù),德國(guó)卡魯斯厄大學(xué)的機(jī)床和制造技術(shù)學(xué)院首先進(jìn)行了硬質(zhì)合金圓盤銑刀的試驗(yàn),刀具寬度為0.15mm。用銑刀作十字交叉的切削,工件硬度為52HRC的調(diào)質(zhì)鋼,加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm2的一排排作為合成材料或粉末注射材料模具的棱柱。
適合微細(xì)切削的硬質(zhì)合金帶柄銑刀在工業(yè)上已被廣泛采用,有涂層的和不涂層的,最小直徑為0.1mm,個(gè)別工具制造商可生產(chǎn)直徑為50μm的銑刀。
為避免刀具意外的折斷和提前磨損,在加工像鋼這樣的硬材料時(shí),要注意加工過(guò)程的安全和機(jī)床的平穩(wěn),所以要求機(jī)床具有足夠的剛性和動(dòng)態(tài)性能,采用高的切削速度和中等的每齒進(jìn)給量,以保證刀具的切入。
硬質(zhì)合金微型銑刀的制造存在著一些難題,即除了要在不均質(zhì)的刀具材料上加工出鋒利的刃口外,還要對(duì)直徑為零點(diǎn)幾毫米的銑刀進(jìn)行磨削,使之承受磨削力的作用,為解決這一難題,可選擇一種不產(chǎn)生切削力的加工方法(如激光加工)。用銑削的方法可加工出形狀復(fù)雜的表面,也可加工用工具鋼制造的100μm以下的零件,如在硬度為55HRC的模具鋼上直接銑制加工一個(gè)微型汽車(1:160)的輪殼模具,其表面粗糙度達(dá)RZ=0.5μm,成形表面達(dá)鏡面光潔度,注射成形后的零件不必再進(jìn)行后續(xù)加工。
磨削是專門用于硬而脆的材料的加工,使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬質(zhì)合金制造。目前用于硅片切割的零點(diǎn)幾毫米寬的砂輪已商品化,通常用經(jīng)鍍鎳或鉻的金剛石磨料作砂輪的材料,最近還開發(fā)了CVD涂覆金剛石的硬質(zhì)合金成形砂輪。與刀具相似,砂輪也有用作成形砂輪的盤狀砂輪和通用性很好的指狀砂輪,后者可加工微細(xì)的任意形狀表面,目前在研究部門使用的指狀砂輪的最小直徑為50μm。
磨削加工硬而脆的材料
為了在硬而脆的材料 (例如單晶硅)上加工微孔,除了通常用電鍍法制造的直徑為0.9mm、金剛石顆粒為D91μm的微型空心鉆頭外,德國(guó)Brauschweig技術(shù)大學(xué)新開發(fā)了同樣直徑的CVD金剛石鉆頭,其金剛石晶粒的尺寸為4μm~8μm。盡管有較大的切削力,用這種新型鉆頭在單晶硅上鉆了55個(gè)盲孔,質(zhì)量全部合格。這種盲孔鉆頭可以在指狀砂輪加工零件的封閉式型腔前鉆引導(dǎo)孔。電鍍的金剛石空心鉆頭較適合在板材上加工通孔,但在試驗(yàn)中,在孔的鉆穿那一面沿著硅的晶軸方向出現(xiàn)了大于100μm的崩刃,在孔的鉆入這一面邊緣也有20μm~150μm的崩刃,這一問題有待進(jìn)一步研究。
結(jié)論和展望
微細(xì)切削是微細(xì)加工工藝的一個(gè)重要延伸,盡管目前微細(xì)切削所能加工出的零件細(xì)節(jié)不及微細(xì)電加工所達(dá)到的程度,但它與激光刻蝕加工等技術(shù)一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結(jié)構(gòu)。
此外,它比基于平板印刷的微細(xì)技術(shù)需要的設(shè)備少,也省去了昂貴的母板制造,總之,零件的微細(xì)切削加工對(duì)于經(jīng)濟(jì)地制作中等批量的微型構(gòu)件有很大的優(yōu)勢(shì)。
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