1、引言
近年來，民用和國(guó)防等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N微小型化產(chǎn)品的需求不斷增加，對(duì)微小裝置的功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、可靠性等要求也越來越高。因此，研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)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(jí)到毫米級(jí)的精密三維微小零件的微細(xì)加工技術(shù)具有重要意義。目前，微細(xì)切削已成為克服MEMS技術(shù)局限性的重要技術(shù)，而微細(xì)銑削技術(shù)因具有高效率、高柔性、能加工復(fù)雜三維形狀和多種材料的特點(diǎn)，已成為一個(gè)非常活躍的研究熱點(diǎn)。
2、微徑銑刀及其制造技術(shù)
?。?）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(duì)于直徑僅為零點(diǎn)幾毫米的微徑銑刀，要在磨削力作用下，在不均質(zhì)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(gè)技術(shù)瓶頸。為此，從理論和實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，可以選擇一種不產(chǎn)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(shù)制作了微徑銑刀，最小直徑達(dá)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(jié)構(gòu)，深度為62mm，槽間肋厚為8mm。Adams等人采用聚焦離子束加工技術(shù)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(zhì)合金。用這些刀具分別對(duì)鋁、黃銅、4340鋼和PMMA四種工件材料進(jìn)行了微細(xì)銑削加工。但是，由于使用微徑銑刀進(jìn)行切削加工必須采用小進(jìn)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(shí)驗(yàn)和有限元分析，從刀具剛度和加工性能出發(fā)，對(duì)上述四種立銑刀進(jìn)行了研究對(duì)比。結(jié)果表明，錐體D-type立銑刀更適合微細(xì)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(xué)零件和特征尺寸小于80μm的微型壓花模具。
但是，從實(shí)用角度和應(yīng)用前景來講，還是應(yīng)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(duì)此類銑刀進(jìn)行的。目前，直徑0.1mm的硬質(zhì)合金立銑刀在國(guó)外已經(jīng)商品化（在國(guó)內(nèi)，直徑0.2mm的立銑刀也已經(jīng)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(dá)53HRC，銑削精度＜5μm，表面粗糙度Ra＜0.2μm。美國(guó)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?qū)κ?、鋼等高硬度材料進(jìn)行高速切削加工（切削速度30m/min，最高達(dá)150m/min）。瑞士的研究人員做了一個(gè)高速切削硬材料的實(shí)驗(yàn)，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(zhuǎn)速50000r/min，進(jìn)給率240mm/min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明刀具壽命達(dá)8小時(shí)（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(diǎn)和局限性，而使用最多的是硬質(zhì)合金材料，目前國(guó)外90％以上的車刀和55％以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金。在微徑銑刀領(lǐng)域，刀具材料也以硬質(zhì)合金為主。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結(jié)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(xì)顆粒硬質(zhì)合金。目前超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金的晶粒尺寸在0.5?m左右，其切削刃圓弧半徑為幾微米。
細(xì)顆粒、超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料的開發(fā)與應(yīng)用是進(jìn)一步提高刀具使用可靠性的發(fā)展方向，其特點(diǎn)是不斷開發(fā)刀具材料新牌號(hào)，使之更適應(yīng)被加工材料和切削條件，從而達(dá)到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“對(duì)癥下藥”的策略，不斷開發(fā)具有加工針對(duì)性的刀具新牌號(hào)，如美國(guó)肯納公司僅針對(duì)車削加工新推出的牌號(hào)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(hào)相比，新牌號(hào)平均可提高切削效率15%～20%。其次，在新牌號(hào)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(shí)現(xiàn)適用性開發(fā)的目的。此外，新牌號(hào)的開發(fā)通常還包括相應(yīng)刀具槽形和幾何參數(shù)的改進(jìn)，以更好適應(yīng)被加工材料的特性以及不同工序?qū)嘈嫉囊螅⑵鸬浇档颓邢髁Αp小振動(dòng)等作用，使切削更加輕快、高效。
?。?）刀具涂層
涂層具有高的硬度、耐磨性和化學(xué)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(yīng)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(diǎn)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(jié)構(gòu)可分為單層涂層、多層涂層、復(fù)合涂層、梯度涂層、納米多層涂層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層等。在選用涂層時(shí)，應(yīng)考慮涂層的厚度、光滑性以及與基體硬質(zhì)合金的兼容性等問題。
刀具涂層的發(fā)展特點(diǎn)是多樣化和系列化。納米涂層、梯度結(jié)構(gòu)涂層及全新結(jié)構(gòu)、材料涂層的開發(fā)與應(yīng)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(chǎn)品中，既有適應(yīng)高速切削、干切削和硬切削的耐磨、耐熱涂層，也有適應(yīng)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(rùn)滑涂層。金剛石涂層也得到了進(jìn)一步應(yīng)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(jié)晶、納米層厚和納米結(jié)構(gòu)涂層）的實(shí)用化，使涂層性能得到更大提高。納米涂層技術(shù)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(jié)能力。
3、微細(xì)銑削技術(shù)的研究
傳統(tǒng)的微細(xì)銑削技術(shù)研究與應(yīng)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(jī)床上進(jìn)行微細(xì)加工。由于這些機(jī)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(shè)計(jì)和制造工藝來達(dá)到所期望的目標(biāo)精度，而對(duì)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(shè)備具有節(jié)省空間、節(jié)省能源、易于重組、成本低等優(yōu)點(diǎn)。近年來，利用微小型加工設(shè)備實(shí)現(xiàn)微細(xì)銑削加工已引起人們的普遍重視，并實(shí)現(xiàn)了采用微型刀具在微小型機(jī)床上的微細(xì)加工過程。在對(duì)微細(xì)銑削加工技術(shù)的研究中，研究重點(diǎn)主要集中于加工表面質(zhì)量、切削力、刀具的磨損和壽命、切屑狀態(tài)、對(duì)微小零件的加工能力等方面。
（1）加工表面質(zhì)量及毛刺
在對(duì)微細(xì)加工表面質(zhì)量的研究中，表面粗糙度一直是備受關(guān)注的問題。韓國(guó)的W.Wang等人在黃銅上進(jìn)行了微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了刀具直徑、切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，建立了一個(gè)新的表面粗糙度數(shù)學(xué)模型。研究表明，進(jìn)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(zhuǎn)速的增加呈線性增長(zhǎng)。然而，刀具的硬度和主軸的振動(dòng)帶來的影響卻比進(jìn)給率更大。最后指出，增加結(jié)構(gòu)和刀具的硬度及剛度，降低主軸的振動(dòng)，是在該加工條件下提高表面質(zhì)量的最好方法。
德國(guó)的J.Schmidt等人對(duì)微細(xì)銑削進(jìn)行了大量研究。在切削硬鋼（HRC52）時(shí)，發(fā)現(xiàn)在切入的一段，因刀具的劇烈磨損導(dǎo)致表面粗糙度不穩(wěn)定，在逆銑切入一側(cè)最差，中間部分最好，順銑一側(cè)居中（Rz0.5～1.6μm）。隨著刀具的繼續(xù)磨損，逆銑一側(cè)粗糙度變好，順銑一側(cè)降低，表面粗糙度趨于穩(wěn)定。而在切削軟鋼（HRC42）時(shí)，沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象，表面粗糙度始終是中間部分最好（Rz0.7～1.8μm）。此外還進(jìn)行了每齒進(jìn)給量為7μm的銑削實(shí)驗(yàn)，也獲得了不錯(cuò)的表面質(zhì)量，而這種進(jìn)給量在切削高硬度材料（HRC52）時(shí)被認(rèn)為是不合適的。
毛刺是影響微細(xì)銑削加工質(zhì)量的主要因素。Lee等人通過實(shí)驗(yàn)研究了微細(xì)銑削鋁和銅時(shí)產(chǎn)生的毛刺。實(shí)驗(yàn)中觀察到5種類型的毛刺：順銑側(cè)面切入毛刺、槽側(cè)面頂端毛刺、槽底面切出毛刺和逆銑側(cè)面切出毛刺，且毛刺尺寸隨著背吃刀量和進(jìn)給量的增加而增大。德國(guó)的J.Schmidt等人發(fā)現(xiàn)，只有在每齒進(jìn)給量為0.5μm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)幾毫米長(zhǎng)的毛刺，大多數(shù)情況下毛刺的高度在5～60μm，這對(duì)所加工模具的實(shí)際應(yīng)用沒有影響，結(jié)果令人滿意。此外還發(fā)現(xiàn)順銑一側(cè)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(huì)變大，尤其在逆銑一側(cè)；隨著切削速度的增加，毛刺略有減小。
目前，世界各國(guó)對(duì)表面粗糙度已進(jìn)行了大量研究，但對(duì)加工硬化、殘余應(yīng)力的研究還鮮有報(bào)道，而這些因素對(duì)微小零件的性能都有很大影響，相信具有很大的研究?jī)r(jià)值，會(huì)成為未來的研究方向之一。
?。?）微細(xì)切削力
在銑削過程中，刀具的受載狀態(tài)極其復(fù)雜，不斷受到大小、位置不同的機(jī)械沖擊和熱沖擊載荷。由于微細(xì)銑削中的每齒進(jìn)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(xì)切削力與傳統(tǒng)銑削力有很大的不同。
Bao和Tansel針對(duì)采用微徑立銑刀進(jìn)行微細(xì)銑削加工時(shí)的切削力進(jìn)行了研究，提出了改進(jìn)的切削力模型。該模型通過計(jì)算刀具旋轉(zhuǎn)和前移時(shí)刀尖軌跡引起的切屑厚度變化得出，并且考慮了每齒進(jìn)給量與刀具半徑比值的不同、刀具跳動(dòng)量和刀具磨損對(duì)切削力的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型比傳統(tǒng)的立銑模型更為準(zhǔn)確。
Vogler等人提出了一個(gè)微細(xì)立銑削加工的力學(xué)模型，考慮了異質(zhì)材料中不同的相，發(fā)現(xiàn)金屬材料中的多相導(dǎo)致切削力的高頻變化，從而解釋了微細(xì)銑削多相材料時(shí)切削力中出現(xiàn)的高頻信號(hào)。
目前對(duì)微細(xì)切削力的研究還不多，還需進(jìn)一步了解微細(xì)切削力的特征，并可以考慮通過對(duì)切削力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)切削用量，以控制切削力，提高加工表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
?。?）微刀具的磨損、壽命及切屑狀態(tài)
利用小直徑立銑刀進(jìn)行微細(xì)加工時(shí)，由于對(duì)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(shí)間往往需要數(shù)小時(shí)，因此對(duì)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(duì)純銅進(jìn)行了微細(xì)銑削實(shí)驗(yàn)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的響應(yīng)曲面法建立了純銅微細(xì)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(duì)刀具壽命影響顯著，而進(jìn)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(shí)應(yīng)當(dāng)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(zhǎng)，由于刀具的低剛度，刀具的彎曲平衡了切削力，調(diào)節(jié)了跳動(dòng)量的影響，導(dǎo)致兩個(gè)切削刃均勻磨損。
在微刀具的微細(xì)銑削加工中，切屑狀態(tài)是實(shí)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(duì)微細(xì)銑削過程中切屑的形成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以不同的進(jìn)給量對(duì)黃銅工件銑槽，通過收集切屑進(jìn)行測(cè)量以及觀察槽底表面的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于切削刃鈍圓半徑時(shí)，實(shí)際切屑體積是名義切屑體積的數(shù)倍，進(jìn)刀痕跡間隔也大于每齒進(jìn)給量。隨著每齒進(jìn)給量的增加，實(shí)際切屑體積逐漸接近名義切屑體積。由此可知，微細(xì)銑削中以較小的每齒進(jìn)給量進(jìn)給期間并不是總會(huì)形成切屑，即切屑的形成是間歇性的，斷斷續(xù)續(xù)產(chǎn)生的。
為了提高微細(xì)銑削加工質(zhì)量，必須對(duì)刀具的磨損及壽命進(jìn)行研究，可以考慮通過切削力、表面粗糙度、刀具的振動(dòng)來研究刀具的磨損、破損情況。
?。?）對(duì)微小零件的加工能力
目前，大多數(shù)微細(xì)銑削研究都集中于所能實(shí)現(xiàn)的形狀特征能力方面，其目的是期望在微小型加工設(shè)備上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微型零件（如微型模具等）的實(shí)用化加工。為了提高加工復(fù)雜形狀的能力和加工效率，多軸聯(lián)動(dòng)的微小型加工設(shè)備的研究也已經(jīng)開始。
韓國(guó)的Young等人研制了一臺(tái)五軸微小型立式銑床，他們使用直徑200μm和100μm的硬質(zhì)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(jié)構(gòu)，以及微型方柱（30μm×30μm×320μm）、微型圓柱以及微型葉輪（直徑600μm）結(jié)構(gòu)。
德國(guó)的J.Schmidt等人為了證明微細(xì)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(gè)小時(shí)內(nèi)完成加工。
在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)微小型臥式銑床，尺寸為300mm×150mm×165mm，主軸最高轉(zhuǎn)速140000r/min，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分辨率0.1μm。實(shí)現(xiàn)了在硬鋁LY12上銑削尺寸為700μm×40μm和500μm×20μm的薄壁結(jié)構(gòu)；同時(shí)在兩塊尺寸分別為12mm×8mm和8mm×5mm的有機(jī)玻璃材料上進(jìn)行了人臉曲面的數(shù)控加工。
目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)又研制了一臺(tái)三軸微小型立式銑床，尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉(zhuǎn)速160000r/min，最大徑向跳動(dòng)1μm；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重復(fù)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(gè)微型槽（剩余厚度約20μm）。
4、結(jié)語(yǔ)
為了獲得理想的微細(xì)銑削加工效果，不僅需要高性能的加工機(jī)床，還需要優(yōu)秀的切削刀具和嚴(yán)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(xì)銑削加工中發(fā)揮重要作用。
目前，在微細(xì)銑削加工領(lǐng)域，對(duì)加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但對(duì)加工硬化、殘余應(yīng)力的研究還不多，對(duì)切削力的研究也還不夠成熟。為了改善微細(xì)銑削的加工效果，可對(duì)切削力、加工質(zhì)量、刀具磨損和加工振動(dòng)等因素的影響進(jìn)行綜合研究；通過對(duì)微細(xì)銑削工藝的深入研究及開發(fā)，進(jìn)一步提高微小型機(jī)床的加工能力。隨著精密三維微小零件市場(chǎng)需求的不斷增大，微細(xì)銑削技術(shù)必將大有可為。