微切削加工技术 - 文章

微切削加工技术

作者：山东大学刘战强雷原忠

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1 引言

随着科学技术的发展对切削加工提出了越来越高的要求，一是要满足越来越高的加工效率、加工精度和表面质量；其次是要求经济性和生态性（即绿色生产要求）。为了满足这些要求，研究人员已做了大量的研究工作，开发出了多种先进切削加工技术，如高速切削、干切削、硬切削等。

微机电系统最早是上世纪60年代对集成电路（IC）制造与材料研究而衍生出来的一门新领域，因此开始发展时使用的制造技术必须遵循集成电路的制造要求，所采用的材料也必须符合集成电路的制造标准，如采用多晶硅、单晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或是使用铝、铜等金属。但随着微机电系统和微机械的多样化发展，传统上符合集成电路制造要求的材料有其局限性，对于拥有不同机械性能与电子特性微元件的需求也显得越来越迫切。微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物、医疗装备、光学以及微电子（包括移动通信和电脑组件）等都有大量的需求。然而，并非每种应用在微机电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术生产出来，因此新的材料和新的微制造技术以及微切削技术陆续被研究发展出来。

2 尺度划分

对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10的－12次方m～10的－9次方m之间的尺度属于量子力学研究范畴；10的－9次方m～10的－6次方m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10的－6次方m～10的－3次方m之间的尺度属于介观力学研究范畴；10的－3次方m～10的0次方m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10的0次方m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10的－6次方m（1μm）为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量（1丝=10μm），精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。

如图1所示，精密加工根据工件加工特征的尺度可分为宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工。通常的机械加工大多是指宏尺度加工，零件的技术性能要求反映在宏观尺度或表层结构上，加工特征的尺寸相对较大，加工的范畴较广；微尺度加工是指微纳米加工，主要用精密和超精密加工技术、微细加工技术和纳米加工技术来加工，强调了“极薄切削”和微观结构，加工特征的尺寸相对来说较小，在微米、亚微米和纳米级，研究的重点是物质的微观结构；介于两者之间的称之为中尺度加工或中尺寸加工。

图1 精密加工尺度的划分

目前有一些机电产品既不像纳米技术中微型机电系统（微型机械）那样小，又不像普通机电产品那样大，为便于区分，可称之为“微小机械”。微小机械的加工特征跨越了多个不同尺度等级(见图2)，既包含10的－3次方m～10的0次方m之间的微观尺度，又包含10的－6次方m～10的－3次方m之间的介观尺度，还包含10的－9次方m～10的－6次方m之间的纳观尺度。这里应该指出的是，目前大部分微细制造技术所能达到的加工精度还在亚微米至微米范围，相距通常所说的纳米尺度（10的－10次方m～10的－7次方m）还有较大差距。

图2 微小机械加工特征的尺度等级

微小机械无论在国防、航空、航天和民用中都有较大市场，例如微小人造卫星、飞机、机床、汽轮发电机组、车辆、枪械等。从产品发展来看，小型化是其方向之一，如照相机、摄像机、投影仪、手机等都越做越小，而功能却不断提高和完善。因此，微小机械加工理论和技术的研究有着广阔的应用前景。

3 微制造技术

目前常用于微机电系统方面的微制造技术（Micromanufacturing）可分为对硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分为四类：

（1）刻蚀技术

该技术利用干刻蚀法、湿刻蚀法或光刻蚀法对被加工材料进行等向或非等向刻蚀去除加工，通常可对被加工材料进行体形微加工（bulk micromachining）或表面微加工（surface micromachining）。刻蚀技术的优点是加工精度高，且有大批量生产能力，可与IC制造相容，技术已较成熟；缺点是被加工材料固定、加工速度慢、刻蚀剂危险性高、所用设备资金投入大，且对加工环境要求高等。

（2）薄膜技术

该技术主要用薄膜成长技术和刻蚀技术加工所需的微结构，一般可用于2D表面微加工，主要应用在VLSI方面的微元件制造。薄膜技术除了技术已较成熟、极佳的IC相容性，不需要特别的组装技术就可以大量生产微元件外，其缺点与刻蚀技术相同。

（3）LIGA技术

该技术结合了X-Ray深刻技术（Deep X-Ray lithography）、微电铸翻模（Micro electroforming）及微成形（Micro molding）等技术，LIGA微加工制造技术除具有精度高、表面粗糙度好、IC电路相容性佳、可批量生产的优点外，LIGA技术比IC制造技术能加工更为多种的材料以及具有更佳的高深宽比3D微结构制造能力。然而，LIGA技术最大的缺点是制造所需的同步辐射X光费用极为昂贵，此外X光光罩的制作成本与时间的耗费也很高，因此在亚微米（submicron）尺度的微结构中已有利用价格较为便宜的类LIGA技术来取代X光的刻蚀，例如利用替代性光源的紫外光微影、准分子激光加工以及反应式离子刻蚀（reactive ion etching，RIE）等技术，这些替代性技术的加工精度虽然没有LIGA技术高，但光源设备小、价格亦较为便宜。

（4）微机械加工技术

除上述（1）～（3）类的微制造技术外，一般大都可归于此类加工技术，微机械加工技术又可分为微切削加工技术、非切削加工以及特种加工等三大类(见图3)。本文主要介绍微切削技术。

图3 微机械加工技术分类

4 微切削加工技术

微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC加工中心可实现2D、2.5D简单特征到复杂3D曲面零件的微加工(见图4)，通过使用此法加工出的微小模具可达到批量生产的目的。以下主要介绍微切削装备、刀具、切削机理。

图4 微切削加工的零件

4.1 微切削装备

零件的尺寸和加工质量（加工精度、表面粗糙度、重复精度）与其加工机床的性能（如精度、动态特性等）密切相关。机床的性能主要与主轴、工作台和控制系统有关，微切削所用刀具的直径非常小，为了提高加工效率，微切削机床主轴的转速非常快。为满足扭矩要求，通常采用电主轴和混合角接触轴承，这种轴承由于摩擦生热造成热膨胀，最高转速一般不超过6万r/min。当转速更高时，应采用空气轴承，但空气轴承提供的扭矩较小，目前空气轴承主轴的最高转速可达20万r/min。为了获得较高的切削速度，主轴的锥度与高速切削刀柄的锥度一致。微切削精密机床的工作台一般是由直线电机驱动的，与普通驱动如滚珠丝杠相比，直线电机驱动系统没有摩擦和电磁耦合产生的累积误差，也没有由于磨损造成的精度损失，不存在间隙，而且能提供较大的加速度，直线电机驱动系统的精度可达±1μm。微切削精密机床的刚度好，振动小，而且大都带有各种传感器和执行器。但是由于其尺寸较大，对周围环境的控制要求较严格，使得加工微小零件的成本较高。目前市场上可用于微切削的加工中心和数控车床如图5所示。

图5 用于微切削的加工中心和数控车床

由于微小机械产品的加工特征尺寸很小，研究人员正尝试开发微小机床来加工微小零件。微小机床的体积尺寸非常小，可节约大量的原材料，因此，可使用性能较好的材料来制造。另外，由于质量小，微小机床的固有频率比普通机床高，这使得微小机床可以稳定地在较宽的主轴转速范围内使用而不发生颤振。即使发生振动，在同样载荷下微小机床的振幅也小。微小机床的定位精度可达到纳米尺度，加工精度为亚微米。

图6 微小机床

微小机床的发展引入了一个新的概念即“微型化工厂”。微型化工厂占地面积非常小，可放置于任何建筑物内的任何地方，甚至在战场上或空间站内应用，而对于普通机床，这几乎是不可能的。微型化工厂消耗的能源非常少，大大地节约了能源的使用。微型化工厂内有不同的生产单元，如微型车床、微型铣床等装备。

微小机床的发展目前面临着一系列挑战，如需开发尺寸足够小的传感器和执行器，以便能安装于微小机床内。微小机床的刚性不如微切削精密机床，另外，为防止外界干扰，微小机床需要加隔振装置来满足加工精度要求。降低微型化工厂的加工成本和开发多功能复合微小机床是未来微切削装备的发展趋势。

图7 微型化工厂

4.2 微切削刀具

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。

图8 微切削用立铣刀

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。

表1 超细晶粒硬质合金的性能
WC粒径（nm）－硬度（HV）－弹性模量（GPa）
300－1902－570
90－2361－600

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）、WEDGE（Wire Electro Discharge 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。

5 微切削机理

微切削机理的研究对于合理选择切削参数、保证微切削加工质量、降低生产成本、提高生产率有着十分重要的意义。微切削时，由于工件尺寸微小，从强度、刚度上来说都不允许采用较大的切削深度和进给量，同时为保证工件尺寸精度的要求，最终精加工的表面切除层厚度必须小于其精度值，因此切削用量必须很小，如切削深度有时小于材料的晶粒直径，使得切削只能在晶粒内进行，这时的切削相当于对一个个不连续体进行切削，切削的物理实质是切断材料分子、原子间的结合，实现原子或分子的去除，因而传统的以连续介质力学为基础的切削理论已不适于微切削，所以，微切削机理的研究需要采用与传统塑性理论不同的方法进行研究。应变梯度塑性理论是传统塑性理论的推广和完善，是连接经典塑性力学理论与原子模拟之间的必要桥梁。近年来已发展起来多种应变梯度塑性理论，较为典型的有CS（couple stress）应变梯度塑性理论、SG（stretch and rotation gradients）应变梯度塑性理论和MSG（mechanism - based strain gradient）应变梯度塑性理论。应变梯度理论的最基本的关系———等效应变可描述为

式中，εe为传统等效应变；ηijk和xijk分别为应变梯度和变形率；lg和lR分别为表征材料伸缩梯度之强度和转动梯度之强度的参量；μ(1 到2 之间取值)为表征几何位错和统计位错的特征。

采用应变梯度理论，可以预测出尺度效应和位错影响，获得与试验相吻合的结果，在微机械与微构件领域已成功分析了微米压痕、裂纹尖端场、界面裂纹、细丝扭转与微薄梁弯曲等问题，并开始在微成型研究中得到应用，采用应变梯度塑性理论研究微切削变形将是微切削机理研究的方向。另外，微切削时的主轴转速一般都非常高，加工精度要求非常精密，因此微切削具有高速精密切削的特征，将高速精密切削机理的研究成果应用到微切削领域也是微切削研究的趋势。

（1）微切削机理的模拟仿真

主要利用有限元技术和分子动力学方法，有限元技术以连续介质力学为基础，因此分子动力学方法更适用于微切削。采用分子动力学方法对微切削机理的模拟仿真研究在世界范围内已开展了十几年，研究工作主要是建立原子、分子尺度的切削模型，从原子、分子角度去理解切屑和表面形成过程，解释材料性能、刀具几何参数和工艺参数对微切削应力与应变分布、切削力、切削温度和已加工表面质量等的影响。

（2）最小切削厚度

能稳定切削的最小有效切削厚度称为最小切削厚度。微切削中的切屑形态、切削力、切削稳定性、工件材料的微量加工性、切削用量的合理选择、加工表面质量等都受最小切削厚度的影响，因此最小切削厚度的研究对于微切削意义重大。微切削可以达到的最小切削厚度与刀具刃口的圆弧半径、工件材料的物理力学性能、微观组织结构及第三变形区刀具—工件间的摩擦系数等有关。由于最小切削厚度的影响因素较多，较难确定最小切削厚度，在生产实际中一般根据刀具刃口圆弧半径的大小来确定最小切削厚度。研究表明：最小切削厚度与刀具刃口圆弧半径成正比关系，比例系数与刀具和工件材料副有关，一般为0.165～0.246，如刀具刃口半径为50nm，要实现切削厚度极小的超薄微切削，此时的最小切削厚度约为10nm。

（3）切屑形态

只有当微切削的切削深度大于最小切削厚度时才能产生切屑。与普通切削相似，微切削的切屑有三种形态：连续状切屑、非连续状切屑和伴随积屑瘤的切屑。切屑的形态与工件材料的性能、切削速度、切削变形等有关。

（4）微切削力

微切削时的切削力较小，但单位切削力较大，且切深抗力大于主切削力。切削力随切削深度的减小而增大，且在切深很小时切削力会急剧增大，这就是切削力的尺寸效应。切削力尺寸效应的存在使得普通切削的切削力模型已不适合于微切削。切削力的尺寸效应与刀具刃口半径关系密切，由于刃口圆弧半径的存在，切削刃在微量切削时形成一个较大的负前角，使切削变形增大，切削时的单位切削力增大。如切削深度进一步减小时，切削有可能在晶粒内部进行，此时，切削力必须大于晶体内部的分子、原子结合力，因而使单位切削面积上的切削力急剧增大。微切削时的切削力还与晶向和晶界有关。

（5）切削温度

由于微切削的切削用量较小，因此与传统切削相比，微切削的切削温度较低。对于精度要求较高的微加工来说，加工温度的变化对加工精度的影响是不能忽略的，同时切削温度对微切削刀具磨损的影响也不能忽视。

（6）工件材料的微量加工性

工件材料的去除过程不仅取决于切削刀具，同时也受制于工件材料本身。微切削工件材料的微量加工性可用纳米级表面粗糙度及在某一加工距离上对刀具磨损的可忽略性来定义。影响工件材料微量加工性的因素包括被工件材料与刀具材料的亲合性（化学反应）、工件材料本身的晶体结构、位错、缺陷分布和热处理状态等（如多晶体材料的各向异性对零件加工表面完整性具有较大影响）。

（7）刀具变形

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。微立铣刀的刀具变形为

δ=F·L3/3·E·I

式中δ为立铣刀的径向变形量；F为径向切削力；L为刀具伸出长度；E为刀具材料的弹性模量；I（I=πD4/64，D为立铣刀的等效直径）为刀具的极惯性矩。

（8）表面粗糙度与切削稳定性

工件表面形貌是由于刀具的轮廓映射到工件上的结果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之间相对运动的精度及刀具刃口形状决定。微切削时，如果切削深度小于工件材料的晶粒直径，相当于对一个个不连续体进行切削，工件材料的微观缺陷以及材质分布的不均匀性等使刀具在微切削时的切削力变化较大，使切削刃受到较大的冲击和振动。微细切削中的振动对加工表面质量的影响不容忽略。

（9）毛刺

毛刺是切削加工后在工件表面由于塑性变形所产生的微小突出物。毛刺的存在会影响零件的配合，降低工件的尺寸精度和表面质量。使用带毛刺的零件会带来安全隐患，特别是在某些特殊场合，如航空航天等领域。因此，必须增加去毛刺工序，去毛刺的方法有机械法、热能法、化学法、电解法、电化学法、研磨法等。

（10）积屑瘤

微切削时积屑瘤在加工中的影响不容忽视，冷焊在刀刃上的积屑瘤会造成刀具几何角度发生变化，影响切削力和切削变形，积屑瘤还会影响加工表面粗糙度。积屑瘤的产生受刀刃的微观缺陷、切削速度以及进给量的影响。在微切削时，切削速度越低积屑瘤越高，进给量越小积屑瘤也越高。

（11）刀具磨损

与普通切削相似，微切削刀具的失效也有两种形式：磨损和崩刃破损。三个变形区的变形，尤其是第三变形区的刀具—工件间的摩擦以及由于被加工表面的弹性恢复会引起刀具机械磨损。开始切削时，刀具存在初始微磨损，在切削一段时间后，刀具磨损会逐渐加剧，有时甚至会突然恶化。刀具磨损主要发生在刀具的前、后刀面上。由于氧化、扩散等作用，刀具也会产生热化学磨损。崩刃破损是当刀具刃口上的应力超过刀具材料的局部承受力时发生的，是最难预测和控制的损伤，而且对加工表面质量的影响比前、后刀面磨损的影响要大。降低切削温度可有效减少刀具磨损。

6 微切削CAD/CAM技术

Cimatron E是适用于微切削的商用CAD/CAM软件，主要用于微铣削。从2003年4月份开始，欧洲金融共同体开始资助CRAFT，历时24个月对微型塑料组件的注射模具进行了微铣削研究。该项目涉及微型加工技术的整个过程，参加该项目的机构包括Fraunhofer Institute of Production Technology（IPT）、CAD/CAM软件供应商Cimatron Gmbh、铣削机床商Kern、刀具制造商Magafor以及模具制造商Promolding B V Structoform和MMT AG）。模具材料的硬度为53HRC，微型模具铣削的精度<5μm，曲面粗糙度Ra<0.2μm。刀具制造商提供的刀具直径最小达50μm，铣削机床商提供的微切削机床主轴最高转速达到160000rpm，CAD/CAM 软件供应商提供适用于微切削的Cimatron E软件。

与单纯实体建模不同，Cimatron E的实体曲面混合建模技术利用“为制造而设计”的CAD功能来修复几何模型，通过各种曲面功能融合缝隙并变成实体，其ACIS内核技术提供高达1nm的内部精度，以满足微铣削的特殊要求。为了降低风险，防止换刀过程中产生的不连续微型曲面，Cimatron E可提供多种微铣削加工策略。NC策略中支持斜线或螺旋下刀保证刀具最大限度光滑和连续地进入工件。加工过程中通过应用高速切削（HSC）策略获得均匀一致的刀路，并使用毛坯残留知识防止断刀，以对微型型腔进行开粗。Cimatron E的微铣削技术通过识别真实的残留微型毛坯以及具有同样功能的开粗、二次开粗、精加工微和摆线开粗等加工策略保证刀路轨迹高效安全。高硬度材料且加工质量要求高的曲面5轴联动切削时需要非常小直径的短锥型刀具进行。

为了满足高速微细铣削的要求，Cimatron E采用了多种高速铣削加工策略，如角部圆角连接、零重叠摆线精加工、S连刀和螺旋下刀、自适应Z层精加工和流线加工。Cimatron E也支持样条逼近加工和流线铣削，减少加工时间，降低刀具磨损和破损。图9 所示为利用Cimatron E 微铣削加工的微型模具。

图9 微铣削加工的微型模具

7 微切削加工技术的发展展望

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。

（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。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/11/2006)


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