微细加工方法、设备与刀具及发展趋势

熊建武 周 进 易 杰

(湖南工业职业技术学院汽车工程学院,湖南 长沙 410208)

微细加工方法、设备与刀具及发展趋势

熊建武 周 进 易 杰

(湖南工业职业技术学院汽车工程学院,湖南 长沙 410208)

微细加工包括特种加工和微细切削加工,在工业、农业、医疗、军事等领域的应用日益广泛。文章阐述了微细加工技术的特点、微细切削加工方法与设备、刀具及其发展趋势。

微细切削加工;方法;设备;刀具;发展趋势

一、引言

微细加工技术在工业、农业、医疗、军事等领域的应用日益广泛,包括特种加工和微细切削加工。可以进行微细加工的特种加工方法主要有电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。这些特种加工方法有的设备昂贵、对环境要求较高,有的加工速度偏低。对于加工三维实体结构的零件来说,单独使用特种加工方法并没有优势可言。本文主要介绍微细切削加工。

二、微细加工技术的特点

微细加工技术是由瑞士B inC公司发明的一种新型加工工艺,在 2004年法国巴黎举办的国际表面处理展览会 (SITS)和2004年在法国里昂举办的ALL IANCE展览会上荣获 2项发明奖[1]。微细加工工艺和设备拥有国际专利保护。微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术,能够有选择性地保留表面的微观结构,以提高表面的摩擦和滑动性能 (表面技术),以机械化和自动化取代传统的手工抛光,提高表面的美学功能。这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具,航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理,能够极大地改善零件表面的性能。

微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工,通过一种机械化学作用来清除金属零件表面上 1～40μm的材料,实现被加工表面粗糙度达到或者好于 ISO标准的N 1级的表面质量。微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领域。超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化;而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。

微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。这些微观结构能提高零件表面对特定应用功能的适应性。如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改善涂镀前后表面的沉积性能等。总的说来,超精增亮可去除次级微观粗糙表面,次级粗糙表面的厚度在 0～20μm之间,位于零件表面初级微观粗糙面的峰尖之间。而超精抛光则部分或整体去除初级微观粗糙表面,其值在 10～40μm之间,当然这取决于零件材料表面的初始状态。微细加工技术迄今能够加工的材料有退火及淬火钢、铜及铜合金、铸铁、Inconel镍合金 (镍基合金)、钛金属、表面硬涂层处理前后的预处理 (PVD、CVD、电镀)。

微细加工技术是一种有选择性地精修被加工对象表面微观粗糙度和拓扑结构的创新性微观加工工艺。这种机械化学加工工艺是一种全自动化的加工工艺,适用于汽车制造、电子、化工、冶金、机械制造、航空制造等行业,尤其是注塑模具、刀具和机床工具、高精密零件、光学器件,以及硬涂层处理前后的表面预处理加工。

微细加工技术通过改变材料表面的微细结构,能够减小摩擦、提高抗磨损性能,显著地提高材料的表面性能,在刀具行业具有广阔的应用前景。如采用超精增亮技术,彻底消除次级微观粗糙表面,减小摩擦,能够提高刀具的排屑性能,降低切削力;而保持初级粗糙表面,有利于保护润滑油膜,提高刀具的排屑性能,减少发热;如果在涂层处理前优化预处理涂层基面,或者在涂层之后彻底清除涂层引起粗糙表面,则能够提高 PVD涂层的附着性能,延长刀具的使用寿命,消除刀具表面的积屑瘤问题。

这种创新的加工工艺近几年来在诸多工业领域的实际应用清楚地表明,微细加工技术能够大幅降低超精加工的成本;极大地缩短生产周期;方便地提高表面的质量,并且采用这种加工工艺加工出来的表面具有无以伦比的一致性和再现性。

三、微细切削加工方法与设备

可以用来进行微细加工的切削方法有:微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等[2]。

1.微细车削

日本通产省工业技术院机械工程实验室 (M EL)于 1996年开发了世界上第一台微型化的机床——微型车床,长 32mm、宽 25mm、高 30.5mm,重量为 100g(图 1为该车床与硬币的比较);主轴电机额定功率 1.5W,转速 1000 r/m in。用该机床切削黄铜,沿进给方向的表面粗糙度值为 Rz1.5μm,加工工件的圆度为 2.5μm,最小外圆直径为 60μm。切削试验中的功率消耗仅为普通车床的 1/500。

图 1 世界上第一台微型车床

图 2 微细车床原理图

日本金泽大学的 Zinan Lu和 Takeshi Yoneyam a研究了一套微细车削系统,由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。机床长约 200mm。在该系统中,采用了一套光学显微装置来观察切削状态,还配备了专用的工件装卸装置。图 2为微细车床的结构原理图。主轴用两个微型滚动轴承支承。主轴沿 Z方向进给,刀架固定不动,车刀与工件的接触位置是固定的,以便于用光学显微装置观察。因为工件的直径很小,车削时沿 X-Y方向移动的幅度不大,所以令刀架沿 X-Y移动。车刀的刀尖材料为金刚石。驱动主轴的微电机通过弹性联轴器与主轴联接。机床的主要性能参数如下:主轴功率0.5W;转速 3000～15000 r/m in,连续变速;径向跳动 1μm以内;装夹工件直径 0.3mm;X、Y、Z轴的进给分辨率为 4nm。用0.3mm的黄铜丝为毛坯,在这台机床上加工出了直径 10μm的外圆柱面,还加工出了直径 120μm、螺距 12.5μm的丝杠。该机床的明显不足是切削速度低,因此得不到满意的表面质量,表面粗糙度值为 Rz1μm以下。

它的开发成功,证实了利用切削加工技术也能加工出微米尺度的零件。

从以上两例可知,并非机床的尺寸越小,加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微细车床的发展方向一方面是微型化和智能化,另一方面是提高系统的刚度和强度,以便于加工硬度比较大、强度比较高的材料。

2.微细钻削

微细钻削一般用来加工直径小于 0.5mm的孔。钻削现已成为微细孔加工的最重要工艺之一,可用于电子、精密机械、仪器仪表等行业,近来倍受关注。

在钟表制造业中,最早使用钻头加工小孔。随着工艺方法的不断改进,相继出现了各种特种加工方法,但至今,一般情况下仍采用机械钻削小孔的方法。近年来,研制出多种形式的小孔钻床,如手动操作的单轴精密钻床、数控多轴高速自动钻床、曲柄驱动群孔钻床及加工精密小孔的精密车床和铣床等。上世纪 80年代后,由于NC技术和 CAD/CAM的发展,小孔加工技术向高自动化和无人化发展。目前机械钻削小孔的研究方向主要有:难加工材料的钻削机理研究;小孔钻削机床研制和小钻头的刃磨、制造工艺研究;超声振动钻削等新工艺的研究等。

微细钻削的关键除了车削要求的几项之外,还有微细钻头的制作问题。目前,商业供应的微细钻头的最小直径为50μm,要得到更细的钻头,必须借助于特种加工方法。有人用聚焦离子束溅射技术制成了直径分别为 1cmm icro;m、22μm和35μm的钻、铣削刀具。但是,聚焦离子束溅射设备复杂,加工速度较慢。用电火花线电极磨削 (W EDG)技术则可以稳定地制成 f10μm的钻头,最小可达 f6.5μm。

用W EDG技术制成的微细钻头的形状如图 3所示,图 4是其制作过程。

用W EDG技术制作的微细钻头,如果从微细电火花机床上卸下来再装夹到微细钻床的主轴上,势必造成安装误差而产生偏心。这将影响钻头的正常工作甚至无法加工。因此,用这种钻头钻削时,必须在制作该钻头的微细电火花机床上进行。

3.微细铣削

MEL开发的微细铣床,长 170mm,宽 170mm,高 102mm。主轴用功率为 36W的无刷直流伺服电机,转速约为 15600 r/m in。这台铣床能铣平面也能钻孔。

日本 FANUC公司和电气通信大学合作研制的车床型超精密铣床,在世界上首例用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这种超精密切削加工技术可使用切削刀具对包括金属在内的各种可切削材料进行微细加工,而且可利用 CAD/CAM技术实现三维数控加工,生产率高,相对精度高。

图 3 用W EDG技术制成的微细钻头的形状

图 4 用W EDG技术制作微细钻头的工艺过程

图 5 微型脸谱“能面”

图 5所示为用该机床铣削的日语中叫做“能面”的微型脸谱。其加工

数据由三坐标测量机从真实“能面”上采集,采用单刃单晶金刚石球形铣刀 (R30μm),在 18K金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为 1mm,表面高低差为 30μm,加工后的表面粗糙度值为 Rz0.058μm。这是光刻技术领域中的微细加工技术,如半导体平面硅工艺以及同步辐射 X射线深度光刻、电镀工艺和铸塑工艺组成的 L IGA工艺等技术所不及的。

哈尔滨工业大学研制的微型精密三轴铣床以及所使用的微径端铣刀如图 6所示。机床总体外形尺寸为 300mm ×300 mm ×290mm,由以下五部分组成:(1)PMAC八轴运动控制卡,完成插补运算,位置控制等实时任务。(2)工控机系统,提供系统初始化,代码编程,参数管理等非实时性任务。(3)精密工作台,由压电陶瓷超声直线电机驱动。(4)空气涡轮高速主轴,为微径铣刀提供最高 160 000 r/m in的转速。(5)CCD视频采集系统,用于把微径铣刀和微小工件放大后方便对刀并实时观测切削状态。

图 6 微型精密三轴联动立式铣床及微端铣刀

微型端铣刀承载的应力及其变形对刀具在切削过程中的稳定性和刀具寿命有很大影响,研究其振动、应力和变形的特征对切削实践很有指导意义,哈尔滨工业大学采用有限元方法对微径铣刀的力学特性进行分析,实验选用刀具的几何参数和材料属性如表 1、表 2所示[3]。

表 1 微径铣刀几何参数

目前数控铣削技术几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。与某些特种加工方法如电火花、超声加工相比,切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工,生产率高,便于扩展功能。微细铣床的研究对于微型机械的实用化开发研究是很有价值的。

4.微细冲压

在仪器仪表制造业中,常常会遇到带有许多小孔的板件,板件上的小孔常采用冲孔的方法。

冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺度、增大微小凸模的强度和刚度以及微小凸模的导向和保护等。

MEL开发的微冲压机床,长 111mm,宽 66mm,高 170mm,装有一个 100W的交流伺服电机,可产生 3kN的压力。伺服电机的旋转通过同步带传动和滚珠丝杠传动转换成直线运动。该冲压机床带有连续的冲压模,能实现冲裁和弯板。

日本东京大学生产技术研究所利用 W EDG技术,制作微冲压加工的冲头和冲模,然后进行微细冲压加工,在 50μm厚的聚酰胺塑料上冲出宽度为 40μm的非圆截面微孔。

5.便携式工厂

MEL于 1990年提出了微型工厂的概念,并在 1999年设计制成了世界上第一套桌面微型工厂样机,如图 7所示。它由车床、铣床、冲压机床、搬运机械手和装配用双指机械手组成,占地面积为 70m×50cm,能进行加工和装配。为了演示和证明微型工厂的可携带性,M EL于 2000年设计制作了第二套微型工厂样机——便携式微型工厂,重量为 23kg,被放在长 625mm、宽 490mm、高 380mm、重 11kg的箱子里。箱子底部装有小轮,可以像旅行箱一样拖着走。

图 7 便携式工厂

四、微细切削加工刀具

在微切削加工技术领域里,如何将刀具材料晶粒细化和刀具微小化,以便加工出微型工件,一直是研究的重点所在。微切削的切削深度和进给量都非常小,因此单位切削面积上的切削力较大,同时产生很大的热量,使刀刃尖端局部区域的温度升高,因此在微切削对刀具材料的性能要求较高,需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的刀具材料,随着回转最小直径的微小化,要求回转刀具的抗弯强度、刚性与断裂韧性均应较高。微切削刀具材料以硬质合金 (碳化钨)、PCBN(立体氮化硼)和金刚石为主。微米级以下尺寸的铝合金等有色金属加工主要采用单晶金刚石刀具,单晶金刚石刀具可用来切削加工精度达到纳米级的探头或探针。为了提高硬质合金的性能,目前工具厂商正研究使硬质合金晶粒更加微细化,而且已取得可喜的成果,已开发出粒径为 90nm的超细晶粒硬质合金并试制出粒径为 60nm的高级超细晶粒硬质合金,如表 3所示[4]。

表 3 超细晶粒硬质合金的性能

除了刀具材料外,刀具的几何形状对于实现微切削加工至关重要。在微切削条件下,精确地切除极薄的材料需要极其锋利的切削刃,也就是极小的刃口半径。不仅如此,刃口锋利度还关系到切削表面质量、微观组织型貌以及晶格位错等。精确测量刀具刃口轮廓是保证刀具刃口研磨和进行微细切削过程质量分析的前提。微钻头或微端铣刀材质硬度高、加工困难,常用的砂轮磨削方法加工效率低,而用 FIB(Focused Ion Beam,聚焦离子束 )、W EDGE(W ire Electro D ischarge Grinding,线电极电火花磨削)方法制作硬质合金微钻头或微立铣刀非常方便,容易满足精度要求。铣削时可采用两齿、梯形、半圆、一字形、方形等形状的立铣刀。适合微细切削的硬质合金带柄铣刀在工业上已被广泛采用,高精度制作微型铣刀和钻头的技术要求很高,直径越小,制作越困难,最小直径为 0.1mm的铣刀和的钻头已能够生产。目前市场上可见到的硬质合金微型钻头中,经过研磨的麻花钻最小直径为 0.03mm,扁钻为0.01mm。据报道,在实验室里采用电解磨削方式,可制作出0.005mm的极小直径钻头。目前市场提供的微型刀具,其尺寸和形状的偏差极不均匀。例如,对同一供应商提供的 31支直径为 0.02mm的钻头进行测试,测试结果:直径的平均值为0.021mm,标准偏差为 0.0015mm;芯厚平均值为 0.0063mm,标准偏差为 0.0017mm,这样的精度显然较差。因此,提高微型刀具的制造精度是微切削需要解决的问题之一。

刀具的刚性对微切削加工过程有相当程度的影响,如铣削加工中当刀具刚性不足时,在加工过程中会使加工精度变差,严重时会使微立铣刀断裂。

五、微细切削加工的发展趋势

微型机械是一个重要的发展方向,应用前景很好,国内外都非常关注这一领域的研究,微切削加工技术是微型机械制造领域最活跃的研究方向之一。目前微小型机械加工工艺与设备研究整体上还处于探索阶段,尚未形成完整成熟的技术体系和规模制造的技术能力。预计未来 15年左右,微小制造工艺与相关设备技术将得到迅速发展,尤其在微小型武器、微小型医用器械、仿生器械、探测器械、航空航天器械等方面将得到广泛应用。在微切削方面今后应重视以下课题的研究,以促进微切削技术的生产应用[4]。

(1)微切削应用基础研究包括微型零件切削加工装备关键技术的研究,主要研究高速主轴系统,精密工作台的定位、运动及控制技术,复合微切削加工设备与技术;微切削刀具材料和刀具制作技术的研究;微切削刀具、工件的快速装夹、测试及微切削加工过程的监控技术。

(2)微切削机理的研究主要研究热—力耦合应力作用下的微切削不均匀变形场,研究微尺度下工件材料的本构方程,分析微切削变形区的尺寸效应、不均匀应变、位错等对剪切变形应力和剪切变形能的影响;研究最小切削厚度对切屑形态、已加工表面形成、切削力、切削温度等的影响及工件材料微观组织结构对表面粗糙度和次表面损伤的影响,建立微切削加工理论和技术体系;研究多尺度微细切削模拟仿真技术,奠定微切削加工技术的应用基础。

(3)微切削工艺研究包括各种新材料如钢铁、钛合金、不锈钢、铝合金、陶瓷和其它非金属材料及各种复合材料的微切削加工工艺,微切削 CAD/CAM技术。

(4)微切削加工技术的经济性和可靠性研究。

[1] 微细加工技术及其应用 .来源:宁波塑机网 http://info.china.alibaba.com/new s/detail/v0-d1004665470.htm l.

[2] 贾宝贤,王振龙,赵万生 .微细切削加工与微机械制造[J].机械制造,2003,(8).

[3] 赵岩,梁迎春,白清顺等 .微细加工中的微型铣床、微刀具磨损及切削力的实验研究[J].光学精密工程,2007-06.

[4] 刘战强,雷原忠 .微切削加工技术 [J].来源:http://c lub.china.alibaba.com/forum/thread/view/150 _21452926 _1.htm l.

[5] 于殿泓,魏正英,郭俊杰等 .微机械及微细加工方法的研究[J].西安理工大学学报,2001-01.

[6] 袁义坤,赵增辉,王育平等 .微机械制造技术发展及其应用现状[J].煤矿机械,2006-09.

[7] 张霖,赵东标,张建明等 .微细切削用小型数控铣床的研制[J].东南大学学报(自然科学版),2007-01.

[8] 刘志兵,王西彬,解丽静等 .微小型结构件的微细切削技术[J].工具技术,2008-03.

[9] 贾宝贤,王振龙,赵万生 .微细切削加工与微机械制造[J].机械制造,2003-08.

[10] 刘志兵,王西彬,解丽静等 .微细切削刀具的特征及其制备技

术[J].工具技术,2006-10.

M icro-m ach in ingM ethods,Equ ipm en t and Cu tting Too lsand itsDevelopm en t Trend

X IONG Jian-wu,ZHOU Jin,Y IJie

(Hunan Industry Po lytechnic,Changsha,410208 Hunan)

Them icro-machining including the specialp rocessing andm icro-machining,isputting into use in the industrial,agricu ltural,medical,m ilitary and other areas increasingly.Thispaper describes the characteristicsofm icro-p rocessing technology,m icro-machiningmethods and equipment,cutting tools and its development trend.

m icro-m achining;m ethods;equipm en t;cutting too ls;developm en t trend

TB2

A

1671-5004(2010)06-0003-04

2010-11-18

熊建武 (1964-),男,工学硕士,湖南工业职业技术学院汽车工程学院教授、高级工程师,研究方向:精密切削、模具设计与制造。

周 进‘(1965-),女,湖南工业职业技术学院副教授、高级工程师,研究方向:计算机应用于设计与制造。

易 杰 (1973-),男,工学硕士,湖南工业职业技术学院汽车工程学院讲师,研究方向:模具设计与制造。