微铣加工关键技术研究现状与发展*

高成秀，贾振元，卢晓红

(1.兰州工业高等专科学校机械工程系，兰州 730050;2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024)

微铣加工关键技术研究现状与发展*

高成秀1，贾振元2，卢晓红2

(1.兰州工业高等专科学校机械工程系，兰州 730050;2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连 116024)

微铣削加工技术在精密三维微小零件制造中的应用，引发了微细制造领域的重大技术变革，其区别于MEMS技术和超精密加工技术，是利用传统铣削加工方式并针对微米和中间尺度微小零件进行高效率、高精度微细制造的有效途径，具有加工材料的多样性和能实现三维曲面加工的独特优势。论文通过综合国内外大量文献，对微铣床设备研发、微铣削表面形貌、表面粗糙度与微毛刺及微铣刀具磨损等进行讨论，指出微铣削加工相关技术研究存在的不足并对该领域的发展提出自己的观点。

微铣削;表面粗糙度;毛刺;刀具磨损

0 引言

近年来，产品的小型化已经发展成为一种全球化趋势，微小零部件在生物医学、航空航天、国防以及高科技电子产品等领域有着广阔的应用前景。目前，小型化产品的制造技术主要有电火花、激光束、超声波、平版印刷、湿法刻蚀和干法刻蚀、LIGA、电化学、微切削加工等方法［1］。在微切削加工技术领域中，微铣加工因具有加工材料的多样性和能实现三维曲面加工的独特优势［2-3］，受到国内外专家学者的广泛关注。

微铣加工不仅具有传统加工的一般特点，如大应变、高应变率以及温度变化显著等，还具有介观尺度加工的一些特征，如尺度效应、最小切削厚度及工件材料微观结构效应等。本文通过综合国内外大量文献，对微铣床设备研发、微铣削表面形貌、表面粗糙度与微毛刺研究及微铣刀具磨损和破损研究等进行讨论，以期促进微铣削加工技术的推广应用。

1 微铣床设备研发

1.1 国外微铣床加工设备的发展概况

微铣床是工作母机，微铣加工的质量与效率与微铣床性能息息相关。自1970Dutta等人提出微小型机床的概念以来，日本、美国、德国及韩国等发达国家进行了微铣床的开发和微铣削研究，取得了丰硕的成果。

1999年日本国家先进工业科技学会(AIST)研制了一台采用高速主轴的桌面尺寸NC铣床［4］，如图1所示。最高转速200，000 rpm，采用全闭环数字控制，分辨率达到0.1μm。日本 NANO株式会社于2005年研制成功NANOWAVE超小型精密CNC机床，其加工精度达到微米级，目前已达到商品化程度，如图2 所示［5-6］。

图1 数控微细铣床

图2 NANOWAVE超小型精密CNC机床

美国国家科学基金会［7-8］支持了介观尺度微细切削方面的实验研究，美国伊利诺斯大学研制了一台微型铣床［9-10］，高速涡轮驱动空气主轴最高转速200000rpm，系统定位精度1μm，并在竖直平台上安装了Kistler 9018型三向测力仪以测量切削力，实现了三维特征加工;密西根大学研制的微加工单元由启动涡轮机驱动，可进行三维复杂曲面加工，主轴回转精度为1μm，定位精度可达0.51μm，如图3 所示［11-12］。

德国Fraunhofer生产技术研究所［13］采用紧凑设计思想，设计了高动态特性和高精度的三坐标微型铣床和高精度五坐标微型磨床;德国卡尔斯鲁厄大学与奔驰汽车厂合作研制世界上首台主轴转速为160000rpm的精密微小型铣床，该机床可加工微小型模具［14］。

图3 密西根大学的微加工单元及加工的微小零件

韩国首尔国立大学研制了一台五轴微铣床［15-16］，整个系统由3个直线平台和2个旋转平台及1个气动主轴组成，但是每个平台没有配置编码器和位置传感器，这在一定程度上降低了系统的加工精度。

1.2 国内微铣床加工设备的发展概况

从本世纪开始，我国哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京航空精密机械研究所、上海交通大学、大连理工大学开始进行数控微铣床的研发并进行了微铣削关键技术研究。

哈尔滨工业大学精密工程研究所［17］于2005年研制了一台尺寸为300mm×150mm×165mm的三轴卧式数控微小型铣床，采用日本NSK小型空气涡流主轴，通过控制压缩空气的压力调节转速，最高转速140，000rpm，进给行程为25mm ×25mm ×30mm。装备了Kistler三维力传感器和高分辨率的CCD摄像机，进行了直槽、圆、薄壁和人脸的微铣削加工试验。

上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室和美国密西根大学先进制造中心吴贤铭等人在分析微铣削成形条件和加工要求的基础上，设计制造了一台三自由度介观尺度微型铣床［18］，如图4所示。总体尺寸为270mm×190mm×220mm，加工范围为30mm×30mm×30mm。其定位精度达1.62μm，工作行程为30mm，最高转速为120000rpm。

图4 上海交通大学研制的微铣床

北京航空航天大学研制了一台由精密直线运动平台、精密转台、高速电主轴和基于PC的PMAC运动控制卡组成的五坐标微铣削机床［19］，机床本体尺寸为900mm×700mm×800mm。XYZ各轴的行程为102mm，定位精度 0.5umμm，转速范围为 2000～40000rpm。

南京航空航天大学机电学院和北京航空精密机械研究所［20］合作开发的微型数控铣床(图5)的本体尺寸为300mm×400mm×500mm，XYZ工作空间尺寸为 50mm×50mm×20mm，主轴最高转速90000rpm，结合误差补偿技术最终可实现亚微米级加工精度。

图5 南京航空航天大学研制的微铣床

大连理工大学研发的微铣床(图6)［21］整体尺寸194mm×194mm×400mm，工作空间为50mm×50mm×102mm，定位精度 1μm，重复定位精度 0.2μm，主轴最高转速140000r/min，可以实现精度为20nm的微量进给。

图6 微型数控铣床系统

综上所述，微型数控铣床正成为微小型产品制造领域的一个重要发展方向。日本、美国、德国及韩国等发达国家在微型铣床装备的研发方面取得了一定的成果，但这些研究主要追求的是加工设备的小型化，加工精度和加工效率很低，而且微铣削加工机理的研究尚处于起步阶段。

2 微铣削表面形貌、表面粗糙度与微毛刺研究

表面质量是影响零部件功能或性能的重要因素，微铣加工表面质量的好坏直接关系到微铣削技术的发展前景。传统加工中的表面缺陷、毛刺等可通过后处理和加工参数优化进行弥补，但在微铣削加工中，由于材料内在的特征或零件几何尺寸的限制，传统精密加工中所采用的精密或超精密磨削等工艺措施和去毛刺等后处理措施都难以进行，因此在微铣削技术中一次加工完成满足要求的表面质量至关重要。国内外学者针对微铣削表面形貌、表面粗糙度与微毛刺进行了大量有益的探索。

Damazo［22］采用直径 200μm 的微端铣刀进行了微薄壁的加工实验，发现毛刺的存在很大程度上限制了所能加工薄壁的最小厚度。Lee和Dornfeld［23］进行了微铣削铝的实验，使用扫描电镜观察到了旗型、滚柱型、波浪型和锯齿型微毛刺。M.Mohan Reddy等［24］建立了铣削玻璃陶瓷时的表面粗糙度预测模型，研究结果表明，提高主轴转速，能够降低表面粗糙度;但表面粗糙度与进给速度之间存在拐点。Jeong Hoon Ko等［25］研究铣削不锈钢和铝合金时，切削参数(主轴转速、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度)对表面质量(表面粗糙度、形状误差、毛刺高度)的影响。实验研究表明:两种材料的表面粗糙度都在某一主轴转速下存在拐点;铣削深度增加形状误差减小;进给速度是影响毛刺的主要因素。S.Min，H等［26得出顺铣比逆铣表面表面粗糙度更小的结论。Schmidt等［27］微铣削硬钢(52HRC)时发现，毛刺是影响微细铣削加工质量的主要因素，只有在每齿进给量为0.5μm时才会出现几毫米长的毛刺，大多数情况下毛刺的高度在 5～60μm。Gwo-Lianq Chern［28］等研究了微铣加工件表面毛刺的形成过程。Vogler［29］采用刃口半径 5μm 和 2μm 的两种铣刀在同样的进给量范围内进行微端铣实验研究微细切削的表面形成机理，发现刃口半径对表面粗糙度有很大影响，且当进给量小到一定程度后表面粗糙度反而会增加，因此存在一个最优的进给量。Lee等［30］通过实验研究了微细铣削铝和铜时产生的5种类型的毛刺。韩国的 Wang等［31］进行了黄铜微铣削实验，分析了刀具直径、切削深度、主轴转速、进给率等参数对表面粗糙度的影响，建立了表面粗糙度数学模型。Bissacco等［32］建立了微铣理论生成表面模型。Kuan-Ming Li等［33］用硬质合金刀具干铣削热作模具钢SKD61，实验结果表明最小量润滑铣削能够降低表面粗糙度、减少毛刺的产生。

国内朱黛茹等［34］应用双因素法分析了各种切削参数对表面粗糙度的影响及两因素间的交互影响，发现:悬伸量越大，表面粗糙度值越大;表面粗糙度值随着每齿进给量的减小而减小到一定程度时，反而开始增大。赵岩等［35］研究了微铣刀悬伸量、直径、轴向切深和每齿进给量对加工表面粗糙度的影响，发现微径立铣刀的直径和悬伸量对表面粗糙度的影响大于轴向切深和每齿进给量。李洪波等［36］分析了微铣削表面粗糙度以及微铣刀刀具磨损对表面粗糙度的影响规律。结果表明，微铣削加工与传统铣削加工表面粗糙度的存在差异的根本原因可能是微铣削最小切削厚度导致的，主轴转速和材料去除量是影响微铣削表面粗糙度的主要因素。

微铣削加工的几何特征在数十至数百微米，对于加工表面形貌提出了更高的要求。而与宏观尺度不同的是，微铣削因其材料去除量小，很难直接观测到铣削表面的成形质量。迄今大部分研究是采用实验方法，通过改变实验参数找出各因素对表面形貌质量及毛刺形成的影响。因此，开发微铣削表面形貌的预测模型及仿真系统对于指导介观尺度加工工艺规划与优化设计具有重要的理论意义和实用价值。

3 刀具磨损研究

微铣刀磨损将导致工件加工精度降低、表面粗糙度增大，并使切削力和切削温度增加，甚至产生振动，不能继续正常切削;并直接影响加工的效率、质量和成本。微铣刀由于其尺寸缩小产生尺寸效应现象，宏观机械的模型原理和相似理论不再适用［37］，刀具的摩擦磨损方式也将发生变化，因此，原有适用于传统铣刀的磨损理论和实验必须加以修正［38］。

I.Transel等研究了用立铣刀在铝、石墨和低碳钢上铣槽时的断裂机理，用扫描电镜观测微铣刀的磨损情况，通过监测工件进给方向的切削力判断刀具的破损，用分段平均值法和小波变换法提取信号特征值，通过动态调节切削用量来控制切削力，以延长刀具的使用寿命［39］;并采用自适应神经网络和多项式网络方法预报刀具磨损及破损状况，试验结果表明:刀具破损的预报比刀具磨损预报可靠性高［40］。I.N.Tansel等分别采用概率神经网络和BP网络进行硬质合金刀具加工石墨和铝时的刀具状态识别，实验结果表明，基于小波变换的BP神经网络方法预测刀具磨损效果好［41］;并采用BP神经网络方法对硬质合金立铣刀铣削铝和钢时的刀具磨损情况进行研究，发现切削铝时，刀具磨损随切削力增加而增加，而切削钢时，刀具磨损与切削力之间没有明显关系，但在刀具断裂之前，切削力突然增加［42］。Mohammad Malekian等在硬质合金涂层微铣刀加工实验过程中，用光学显微镜和CCD照相机在线监测刀尖半径变化，采用加速度计、力传感器及声发射传感器间接监测刀具状况，采用自适应神经模糊方法预报刀具磨损状况［43］。Jeong-Bin Park等采用基于熵的连续小波变换法分析切削力信号变化与刀具磨损之间的关系，研究发现随着刀具磨损的增加，主频减小，从而提出通过主频的大小判断刀具磨损量的方法［44］。Miyaguchi等研究了高速铣削时，铣刀刚度对刀具磨损的影响，研究结果发现:刀具的低刚度使得刀具产生弯曲变形，在一定的加工条件下，可以使两个切削刃的磨损相对均匀［45］。Zhou等研究了微铣刀高速铣削石墨时铣刀的磨损情况［46］。Rahman等采用直径1mm的立铣刀对纯铜进行了微细铣削实验，实验中刀具表现出过早的失效，并通过统计学中的响应曲面法建立了纯铜微细铣削过程中刀具寿命的二次模型，分析了切削速度、背吃刀量和进给速度对刀具寿命的影响［47-48］。

国内赵岩等［49］通过刀具磨损试验分析了微径硬质合金TiA1N涂层及非涂层铣刀的磨损机理，得出结论:与常规尺寸铣刀磨损主要发生在后刀面上不同，TiAlN硬质合金微径立铣刀的磨损形式除了涂层脱落和扩散磨损外，一个显著的特点是刀尖破损严重;非涂层硬质合金微径立铣刀与TiAlN涂层铣刀相比除了刀尖破损更为严重之外，粘接现象明显。杨凯等［50］采用数值模拟的方法模拟了硬质合金微径铣刀铣削加工铝时刀具的磨损变化形态。仿真结果表明微铣刀的磨损主要发生在刀尖处，后刀面磨损形态为近似三角形。

目前，对微刀具磨损的研究大多延续传统切削理论。但微切削加工与传统切削加工中刀具的磨损和破损存在很大不同，如果能够根据刀具磨损情况调整切削参数从而抑制刀具的过早失效，则即能提高生产率又能提高工件加工质量。所以，在线监测预报刀具的磨损和破损，建立刀具磨损与切削参数之间的关系就显得非常重要。

4 结束语

国内外学者针对微铣床设备研发、微铣削表面形貌、表面粗糙度与微毛刺及微铣刀具磨损和破损等开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果，为微铣削高效稳定加工提供了有益的借鉴和参考。然而，微铣削过程以切削刃钝圆半径现象、最小切削厚度、尺度效应、工件材料微结构对微铣削过程有显著影响为其加工特点，尚未形成成熟的理论体系和分析方法。因此，实现高效、高稳定性微铣削加工必须解决如下问题:

(1)在微铣床研发方面，建立一套系统的小型化产品加工工艺方法作理论指导。

(2)建立微铣削表面形貌预测模型，研究影响加工表面形貌特征的工艺因素及制约关系;以提高微铣削加工效率为目标，探索可靠的微铣削加工工艺方法，构建工艺参数优化模型。

(3)微铣刀刀具磨损模型中的实验校准系数需通过大量加工实验进一步修正;微铣削中，切削热对刀具磨损和加工表面质量的影响不容忽视，因此微铣削热特性对刀具磨损的影响还有待进一步研究;需建立微细铣削加工毛刺形成的理论模型，进一步深入研究毛刺形成机理。

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Current Situation and Development of Micro-milling Key Technologies

GAO Cheng-Xiu1，JIA Zhen-yuan2，LU Xiao-hong2
(1.Mechanical Engineering Department，Lanzhou Polytechnic college，Lanzhou 730050，China;2.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China)

Application of the micro-milling technology on the three dimensional precision micro parts manufacturing led to a major technological change in micro manufacturing.Different from MEMS technology and the ultra precision processing technology，it is an effective way for micron-scale micro and intermediate parts with high efficiency，high-precision micro-manufacturing，which is use of traditional milling methods and has unique advantages such as the diversity of workpiece materials and the realization of machining 3D surface.Based on the summary of a lot of literature in our and foreign countries，this thesis summarizes the studies on the research and development of micro milling machine，surface topography，surface roughness，burr of and micro tool wear in micro-milling process.The deficiency of study on the concern technologies of micro milling and the development perspective of this field have been pointed out.

micro-milling;structural parameter;burr;tool wear

TH165;TP206

A

1001-2265(2012)01-0107-06

2011-05-30

辽宁省科技计划项目(2008220011);辽宁省博士启动基金(20101013);大连理工大学引进人才科研启动经费(DUT10RC(3)040)

高成秀(1972—)，女，甘肃榆中人，兰州工业高等专科学校机械工程系副教授，主要研究方向为数控技术、机械制造、机电一体化等，(E-mail)gaochengxiu@gmail.com;贾振元，男，大连理工大学机械工程学院博士生导师。

(编辑 赵蓉)