微型刀具的精度

史海涛

摘 要：微型刀具应用领域越来越多，从医疗领域到模具领域都有，其原因是微型刀具能够以较低成本用较短时间进行精度极高的加工。但是如何保证如此微小的刀具的精度呢？

关键词：微型道具;精度

在微型铣削中，非常小的偏差都能妨碍工序并引起成本增加，因此，这些精细而昂贵的刀具提出了极高的要求。质量检查是通过精度极高的光学测量机或者光电-触觉测量机进行的。当要求形状公差±2μm或者同心度低于2μm时，很多用户和制造商都直摇头。然而就是这样的铣刀才能大大的节省模具加工中的成本：由于HSC技术，用高速铣床就能够进行模具的所有加工。

1 关键因素

如果采用正确的基体、几何尺寸和镀层的话，现代微型铣刀能够直接加工淬火钢，这样就能够避免极其昂贵的复杂电极生产以及缓慢的电火花加工。无论用什么方式，微型铣刀的质量要求都是相当高的，表面质量、尺寸精度和形状的保持度都必须完美地一致。要获得完美的切削，这种铣刀的某些参数就特别重要。比如，刀柄的精度对切削质量影响很大，因为磨床要夹持其刀柄进行磨削加工。另外，刀柄的同心旋转对于避免振动也非常重要，因为微型铣刀在应用中转速在20000到60000转/分。在精加工中切削深度经常需要达到20-50μm，因此半径的公差非常严格（比如5μm或者更低）以便所有的刀刃都承担同样的切削负荷。如此严格的半径公差能够显著提高表面质量，这样一来以后昂贵的手工修复就不必要了，刀具的工作寿命得到了很大的延长。为了得到这些优点，所采用的铣刀必须拥有最好的质量。一切都必须完美：所采用的基体、宏观尺寸（刀柄以及刀杆的形状）以及刀刃的形状和质量。

微铣刀不是传统铣刀整体形状和局部结构的简单等比例缩小，目前国内外已研制出了一系列的微铣刀，满足了微加工需求。从微铣刀材质看，主要有高速钢、硬质合金、陶瓷、PCD和金刚石;前两者成形性能优良、韧性好，容易获得锋利的刃口，但耐磨性和尺寸精度保持性欠缺;PCD、金刚石硬度高、可制出锋利耐磨刃口，但是成性性能差、结构制造性弱，且刃-体须单独制造后再连接、工艺复杂。而综合力学性能介于碳化钨与PCD之间的陶瓷却无用于制造微细铣刀的相关研究。从加工对象看，高速钢和硬质合金微铣刀只能切削硬度低于其本身的工件材料，而众多的其他难加工材料始终是其努力逾越的屏障;PCD微铣刀虽刃口锋利，但由于材质成分特性的限制，无法摆脱只能加工有色金属的应用限制。采用陶瓷作为制作微细铣刀的材料，陶瓷的硬度要高于硬质合金和高速钢，刀具的刃口具有更强的锋利保持性，制造出的陶瓷微细铣刀适用于高速微细铝合金、钛合金、不锈钢和模具钢，铣削效率和零件表面质量比硬质合金刀具提高1.5～2.0倍。[1]

2 质量保证

只有通过结合昂贵的磨削技术以及简单且高精度的测量技术才能保证为了达到该目的的必要的质量。对形状精度、同心度、刀刃质量和前刀面和后刀面进行检查，是非常重要的。解决这些问题的方案是新的，那就是300mm以下刀具的高精度测量设备，其包括特殊应用的传感器系统，比如图像分析、激光或者触头和其它传感器、数值可重复度低于1μm，符合VDI-VDE2617标准或者ISO10360标准。现代测量工具和精细的操作措施对于保证精确度来说是非常必要的。为了监视小于1μm的半径和直径，需要高倍放大。然而，多年来，形状的测量和同轴度的测量都是用光掃描措施，其中利用了显微镜检查视场、采用相关图像分析算法的照明技术和传感器的知识。为了调整到刀具的精度和尺寸，图像分析传感器的目标是进行放大自动调节和加工距离自动调节。它能够确定地测量最小的细节以及微型刀具。在测量微型刀具的过程中，除了光学仪器外还采用了激光和光纤传感器。光纤传感器具有不大于15μm的微小球形探头，专用于测量刀面和小丝锥的螺纹轮廓或者测量管道系统。高精度3D传感器系统能够在磨床上建立调节回路，从而能够确切地使前角和后角公差在±1°以内.在全球化和成本增长的大背景下，最高的标准是成功的必要条件。为了获得生产工艺中的时间优势，利用几何数据（2D或3D）输入到磨床软件中或者直接用来自动测量是很重要的。

微细铣刀的磨削是一种特殊的磨削工艺，其步骤有（1）铣刀柄部的磨制：将选定材料的棒材经过粗磨，再经过半精磨，最后经过精磨将棒材的端部外径打磨至尺寸，并打磨光滑;（2）确定铣削刀头的长度及端部倒角;（3）铣削刀头的粗磨：将确定好位置的铣削刀头的外径磨至尺寸;（4）螺旋槽的半精切：切削铣削刀头螺旋槽，通过半精切步骤可精确保证刃部尺寸的一致性，为后道工序加工后刃部尺寸的精准性做好基础;（5）螺旋槽的打磨：根据设计的角度将打磨好的铣削刀螺旋磨削，加工得到螺旋槽;（6）端齿前、后角的打磨：将打磨好左、右螺旋槽的铣刀周齿前后角按照设计角度加工、打磨;（7）清洗、检验。[2]

3 刀柄检测技术

在模具制造中，极其严格的形状公差只能通过最好的刀具装夹技术来控制。传统的装夹主轴通常是不够精确的，因为可能存在同心度不好以及由此引起的振动误差，而这些误差有时甚至会很大。为了检验刀柄的正确性，要把这些刀具放在一个镀蓝宝石的高精度V形槽中，用电机驱动进行高精度的旋转，从而铣刀所制成的形状不包括来自紧固零件的误差，而只有刀刃或者刀柄的误差。

刀柄的抗弯特性决定了加工过程中刀柄在切削抗力作用下的切削稳定性，对加工效果有决定性的影响，因此在某种型号的刀柄设计出准备投入市场前，需要对刀柄的抗弯特性进行对比研究，分析新型刀柄相对于其他旧型刀柄在抗弯特性上的优势。抗弯特性研究过程中的刀柄变形量测试一般是在刀柄上选取一个截面，该截面距离主轴端面为某一预设距离，对刀柄加载不同载荷转动时，检测该截面处的位移振动信号，即为刀柄的负载变形量。[3]

数控刀具通过数控刀柄与数控机床连接，而为了提高加工精度，不仅对刀具的要求比较高，由于数控刀具和工件之间的相对运动是通过数控刀柄进行传递的，所以数控刀柄的精度要求也非常高。在刀具生产过程中，会对刀柄的各个部位进行检测，由于数控刀柄的内径是与数控刀具直接接触的，所以数控刀柄的内径检测特别重要。

参考文献：

[1]“一种金属陶瓷微细铣刀的制造方法及铣刀”专利号201710092847.0.

[2]“一种微型菱齿铣刀”专利号201120012260.2.

[3]“一种有效简便测量刀柄动态抗弯特性的实验装置及方法”，专利号201310001323.8.