微钻技术最新研究进展之一——传统微钻技术

姜正义

（1.伍伦贡大学机械、材料、机电与生物医学工程学院，新南威尔士州，伍伦贡 2522；2.辽宁科技大学，材料与冶金学院，辽宁，鞍山114051;3.鞍钢集团钢铁研究院海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009）

近年来，电子、航空、医药和汽车等行业生产“更小、更快、更便宜”的微型化产品的趋势日益明显[1-4]。 小型化元件，如印刷电路板（PCB）、微喷嘴、微模具、化学微反应器、牙齿植入、高科技医疗电器、燃油过滤器及燃油点火系统等的生产都是通过微加工技术帮助完成的[5-6]。微钻孔是最基本的微加工技术之一，一般定义为直径在1 μm到1 mm之间的钻孔。为了满足微钻头的需求，根据应用的类型、尺寸精度要求、孔壁表面质量和速度，大量不同的、传统的和非传统的微钻技术已经被广泛应用。本文对传统的微钻技术的演变过程、分类、几何结构及材料等进行了概述，重点介绍传统的微钻头制备技术用于生产不同形状的微钻头，如螺旋形、铲形、D形、单槽、复合钻和涂层微钻头。

1 传统微钻技术的演变过程

钻孔是最常用的机械加工技术之一，自古埃及时代就开始使用。据估计，仅在美国工业中每年就使用大约2.5亿个钻头[7]。微钻头的需求在二十世纪四十年代就已经显现，之后开始尝试生产高质量的微钻头[8]。

1958年，Levin通过机床制造了一个小至0.015 mm的钻孔，这可能是微钻头技术的第一次尝试；在1960年到1970年之间，日本和美国进行了少量的微钻技术研究[9-10]；之后的十年，无论是在传统微钻技术还是非传统微钻技术都可以视为微钻技术竞争的开始，此间进行了几种不同的研究实验，但实验范围较窄，同时也开展了一些微钻理论研究，如扭矩和推力分析；1980 年，Sugawara[11]对不同的微钻头参数包括钻头的形状、进给速度、切削速度、工件结构、切屑形成和切削力等进行了讨论。Iwata等人[12]在1981年发表的研究中提出高速钢的微深钻速度可高达18 000 rad/min；20世纪80年代末，随着计算机数控 （CNC）的引入，为了满足日益增加的印刷电路模具大批量生产而需要制造小孔的问题，至此微钻技术开始了以满足不同行业不断增长的需求为宗旨的创新发展。

2 微钻头几何结构

钻头的几何形状在很大程度上影响它在钻孔过程中的行为方式。许多学者已经研究了微钻头的形状和几何结构对钻孔的的影响[13-14]。考虑到小型螺旋钻横截面形状的差异，可将其分为三大类。第一类钻头的直径范围为0.5～1.0 mm，形状与普通钻头相似，唯一的变化是没有边缘形成咬边的台阶；第二类钻头的直径范围为0.2～0.5 mm，其特征是没有边缘（整个钻面直径相同）且腹板逐渐增大；第三类钻头直径小于0.2 mm，杆体为钢筋，其相对腹板厚度比其他类别大很多[15]。 2007 年 Coombs[16]对微钻头的几何结构进行了解释，如图1所示。图1说明了微钻头的几何结构主要由钻柄、钻头组成，而作为主体部分的钻头主要由切削刃、钻芯、钻尖和螺旋槽组成。

图1 典型微钻头的几何结构[16-18]Fig.1 Typical Geometric Structure on Micro-drilling[16-18]

3 微钻头材料

材料科学和制造技术的最新发展，极大地扩展了刀具设计者在设计刀具和选择材料时的自由度。通过控制材料在微观和纳米尺度上的分布，可以设计出具有负弹性模量、电磁和声学带隙或超疏水表面等特殊性能的超材料。通过粉末冶金，可以制造出具有高硬度、高刚性和高温耐磨性等的优良性能合金。

3.1 材料特性

在射孔过程中，微钻头以极高的速度旋转，因此摩擦会导致高温。此外，在加工过程中形成的缺口会使钻头的切削刃产生高应力，最终导致疲劳和断裂。因此，选择一种合适的微钻头材料至关重要。为了成功的实现微穿孔，钻头材料必须具有以下特性：具有足够的材料硬度，以承受刀具/试样界面的切削力和切屑/刀具界面的高温；具有优异的耐磨性，避免刀具磨损，延长刀具寿命；具有足够的硬度和韧性，以防止刀具断裂。

3.2 材料种类

在大尺度钻孔中使用的材料和合金种类繁多，但在微尺度钻孔中材料和合金种类的选择仍然很有限。目前，最常见的商用微钻头材料包括：碳化钨（WC）、高速钢（HSS）、金属陶瓷和多晶金刚石（PCD）。其中，WC和HSS因其良好的性价比而被广泛使用。

（1） WC

硬质合金是由细晶碳化钨和钴在高温高压下混合而成。WC是指借助于粉末冶金方法制成的合金，钴（Co）通常作为结合元素加入，其质量百分比为6%～15%。WC因具有优异的耐磨性、较高的刚度(比HSS高2～3倍)、极低的热膨胀系数和较高的断裂强度而成为制造微钻头的主要选择[19-20]。这些优异的机械性能和热性能给WC微钻头提供了更高的切削力(比HSS高2～3倍)，提高了位置和尺寸精度，改善了表面光洁度，提高了生产率(比HSS高4～12倍)，这些固有特性使WC微钻头得以广泛使用[21-22]。

WC微钻头虽然具有上述优良的材料特性，但也存在一定的局限性。例如：精密加工条件、高功耗以及强度和断裂韧性逐渐降低。WC微钻头的主要缺点是使用寿命短，与大尺度钻头不同，微钻头经常在磨损之前就坏掉了[23-24]。由于WC非常坚硬易碎，所以即使有一点点变形，也会分解。推力过大，机床定位不准确，操作条件不准确、移除缺口失败和钻头几何参数的不合理都会使钻头弯曲或变形，最终导致钻头在钻孔过程中损坏。另一方面，WC微钻头的成本是HSS的3～5倍。

未来的研究重点可以放在10 nm以下的纳米尺度WC粉的生产、烧结以及纳米WC晶粒长大的研究方法上。WC晶粒细化会使硬度、耐磨性和刚性增强。目前，研究开发了一种既节省使用成本又提高刀具寿命的双层复合微钻头。内芯采用低成本、高强度材料，外套管选用具有优异耐磨性、超高硬度和较高切削速度[25-26]的材料，显著降低钻头材料的成本。

（2）HSS

除WC外，HSS因其能够提高刀具寿命，降低成本而成为许多厂家的首选。HSS的主要缺点是耐磨性差、硬度低，最高工作温度为500℃。目前，粉末冶金生产的高速钢(又称HSSPM)具有高耐磨性、高韧性和高硬度。最近有一种制造超高速钢的趋势，称为含钴合金的超高速钢（HSS-E）。粉末冶金生产的含钴合金HSS-E-PM钢具有非常均匀的组织，对微精密钻头维持高性能有直接的积极影响。

4 传统的微钻技术分类

传统的微钻技术是通过将钻头安装在主轴上，利用高速旋转穿过工件而形成微孔。根据微钻头的形状和结构，传统微钻技术主要分为螺旋形、麻花形、铲形、D形、单槽、复合微钻头以及涂层微钻头技术。

4.1 螺旋式微钻头

螺旋式微钻头具有最复杂、最有利的切削形状，在应用方面，这类微钻头的市场需求比例最高。由于所承受的载荷大，微钻头的机械强度往往不够，经常会在微钻头磨损之前发生断裂。因此，降低微钻头断裂几率的关键是对微钻头的力学性能进行精确的评估[15,27]。有限元法被广泛应用于模拟建模，预测并选择最佳几何参数[28-29]。微钻头的机械性能、摩擦学性能、表面织构对微钻头的性能有着重要的影响。润滑对提高切削效率，消除切削过程中产生的热量，延长刀具寿命具有重要意义，很多研究都测试了润滑或金属工作液（MPF）的效果[30-32]。

4.2 麻花形微钻头

麻花型微钻头的形状复杂，但也是最有利于切割的。从应用上看，这类微型钻头在市场需求中所占比例最高。麻花型微钻头具有产量高、市场占有率高、尺寸精度高等优点，是目前最流行的微钻头加工方式。随着微钻技术不断地发展，超小型麻花型微钻头的研制逐渐增多。在不断改进微钻头性能的同时，微钻头的尺寸也在不断减小。最新的微型化成就是由NS工具（日进工具株式会社）制造出的直径为10 μm的麻花型微钻头，它采用纳米碳化钨粉末作为微钻头材料，标准长度达到10 d左右，其显微图像[33]见图 2。

另一项成果是ATOM制造的一种d=20 μm的麻花型微型钻头。该钻头采用微钻头标准长度L=10 d，由碳钢、合金钢、钛、树脂、铝等多种工件材料制成。 MPK Kemmer[34]生产了一种 d=30 μm的微型钻头（如图3所示），这种微晶WC钻头主要用于印刷电路板（PCB）的穿孔。

图2 超小麻花钻头Fig.2 Ultra Small Twist Drill

图3 微型麻花钻头（d=30 μm）Fig.3 Miniature Twist Drill(d=30 μm)

4.3 铲式微钻头

铲式微钻头是最微小的一种微型钻头。当钻孔直径＜10 μm时，小型麻花微钻头的制造具有一定难度，麻花型微钻头不再适合完成钻孔任务。在这种情况下，宜使用铲形微型钻头，尽管切削能力与麻花型相比稍显有限。铲式微钻头切削性能差的主要原因是铲式微钻头不具有螺旋面，切屑去除困难。另一个问题是该类钻头没有尖端。铲式微型钻头见图4[33,35]

据报道，最新研究成果是由美国国家航空公司（National Jet）制造的一种直径小到2.5 μm的铲形微型钻头，它能够在直径为70 μm的人体毛发内制造直径约为30 μm的孔。由于制造简单 （几何形状简单），所以铲形微钻头的成本比麻花型微钻头低。然而，人们对这种产品的产业化关注较少，研究工作的报道很有限。由于目前的工业需求不断向小孔方向发展，因此进一步研究铲式微孔钻的性能很有前景。

图4 铲式微钻头（d=12.5μm）Fig.4 Spade Type Miniature Drill（d=12.5μm）

4.4 D型微钻头

D形微钻头（也称半圆形微钻头[33,36]）通常用于直径小于50 μm的微型钻孔。D型微钻头的几何结构如图5[2]所示，其轮廓为半圆柱形，有一条直槽。这种微型钻头的优点是制造简单、直径小，但其切削性能由于切屑不易去除而受到限制[33,36]。和铲形微钻头一样，D形微钻头也不像麻花型微钻头那样使用广泛，关于这种微型钻头适用性的研究报道也非常有限。鉴于D型微型钻头具有制造方便、直径小、成本低等优点，是一个值得深入研究的领域。

图5 D形微钻头的几何结构Fig.5 Geometric Structure of D-shaped Miniature Drill

4.5 单槽微钻头

传统的双螺旋微钻头大大降低了微钻头的刚度，限制了钻头的抗断能力。为解决这一问题，设计了一种单槽微型钻头。单槽微钻头是Houser于1996年发明的，它的主要优点有：切屑和孔壁之间的接触面积小（几乎是扭转型的一半），减少了热量的产生，易于处理切屑，具有较大的宽高比，降低了破碎率的同时提高了位置精度。尽管具有这样好的特性，但也存在一些局限性。由于在单槽微钻头中，只有一个槽对应一个切削区域，通常是麻花型的一半，所以在相同的主轴转速和进给速度条件下，该微钻头的切削速度比麻花型微钻头的要低。

最近，Lee等人用solidworks软件设计了一种单槽微钻头，并进行了几何分析。该研究的主要特点是通过提高钻头强度和降低钻削过程中产生的切削扭矩来延长刀具寿命。新型单槽微型钻头如图6所示。

目前，只有少数几家制造商在工业上生产单槽微钻头，还没有得到大规模的普及。在未来的研究中，优化单槽微钻头的几何结构，选择适当的螺旋角和腹板厚度、去除加工切屑，以及提高切削速度等都是非常有意义的研究领域。

图6 新型单槽微型钻头[17]Fig.6 New Type Single Groove Miniature Drill[17]

4.6 复合微钻头

Onishi等人[37]已制造出直径为 80 μm 的复合微钻头，在钻头的前半部分电镀着具有研磨作用的金刚石颗粒。复合微型钻头如图7所示。

图7 复合微型钻头[37]Fig.7 Composite Miniature Drill[37]

通过在不同尺寸基体钻头部件上电镀2～5 μm的不同尺寸的金刚石颗粒，研究人员制造了三种不同类型的复合微钻头：A型由一个90 μm的钻头和基体组成，基体上电镀有2～4 μm的金刚石磨粒；B型由一个80 μm的钻头和基体组成，基体上电镀 5～10 μm 的金刚石磨粒；C 型包括 90 μm 钻头部件和80 μm基板部件，基板上电镀5～10 μm金刚石磨粒。研究发现，A型和B型比C型钻头去除毛刺效果更好。Aziz等人[38]研究了用复合微钻头加工微小孔时毛刺的最小化和改善表面粗糙度的方法，并与商用麻花型微钻头加工的孔进行了比较。

4.7 涂层微钻头

为了提高微钻头的性能，很多研究人员致力于对微钻头的涂层处理。采用适当的表面工程技术方法，在微钻头的切削件表面沉积获得具有所需性能的涂层材料。通常在表面沉积一层非常薄的 0.002～0.015 mm 的硬质材料涂层[39]，通过该涂层提高硬度、润滑性、耐热性和耐磨性，显著改善了微钻头的表面性能。用于微钻头涂层的常用材料包括金刚石、微晶金刚石、优质金刚石、纳米金刚石、掺硼金刚石、锆、铬、碳、钛和铝[40-44]。

涂层的主要优点是提高刀具寿命。Kao[45]用近场非平衡磁控管 （CFUBM）在直径为0.2 mm的WC微型钻头上涂覆Zr-C：H：x%。虽然在微型钻头上沉积涂层材料对延长刀具寿命方面具有相当大的优势，但也存在一些缺点，即使涂层厚度薄至0.002 mm也可能出现涂层缺陷，随着钻尖尺寸的增大和刃口锐度的降低，涂层缺陷会影响钻削性能。Heinemann等人[24]报道称，一种用标准电弧蒸发法涂覆的微型钻头虽然价格低廉，但其表面光洁度却不可接受，即使采用了先进的涂层技术，涂层厚度小于0.001 5 mm（目前是可能的），以性价比计算，获得的刀具寿命并没有那么有利[46-47]。

Ueng等人[48-49]在直径为0.4 mm的微型钻头上制备了Ti/TiN/TiCN/DLC和类金刚石碳涂层，发现这些钻头的刀具寿命比无涂层钻头显著提高了约2.5倍。Lei等人[50]利用掺硼金刚石中间层的作用，制备了直径为0.25 mm的金刚石涂层微钻头，发现微型钻头的刀具寿命增加到常规的2～3倍。

考虑到目前的工业需求和研究趋势，涂层技术的发展将继续引领市场，因为目前主要关注的问题仍是价格，涂层技术必将延长刀具寿命。特别是超硬涂层，如金刚石和聚晶立方氮化硼（PVBN），正变得越来越流行。

5 结语

本文列举和评述了传统微钻孔技术种类及在各种不同应用中的技术。传统微钻孔技术是使用不同形状和几何结构的微钻头。

（1）由于尺寸效应，传统微钻头的性能与大型钻头不同，因此微钻头参数（如微钻头的形状和几何结构、刀具尖角、螺旋角、切屑形成和清除、所用冷却液的影响等）需要非常仔细地设计；

（2）传统微钻头的材料对其性能和耐久性起着重要作用，因此选择正确的材料非常重要。利用微晶粒和超细晶粒粉末制备微钻头可以提供具有优异硬度和耐磨性的优质材料；

（3）传统的微钻头通常由碳化钨和高速钢制成。特别是WC，由于其高硬度、高耐磨性、高熔点等优异的力学性能而成为最受欢迎的材料。然而，WC很脆，容易产生断裂。目前有一种由WC作为外部材料和高强度钢作为内部材料而制成的复合微钻头，不仅能够提供足够的硬度和耐磨性，而且能够提供承受断裂的强度，同时可以显著提高刀具寿命，从而节省大量成本。

总之，由于市场非常广阔，有许多替代品可供选择，因此选择适当的微钻孔切削技术不仅需要深入了解现有技术，而且还需要仔细考虑一些成本因素。对于金属、聚合物、线路板、复合材料等类型的材料，传统的微钻孔技术便可胜任。当所需孔的直径降到10 μm时，可使用铲形或D形微钻头。对于硬度大于40 RC的材料，利用超声辅助微钻孔可以提供优良的微孔质量。在孔的质量可能受到影响的情况下，采用涂层微钻孔可以显著降低模具成本。

致谢

作者感谢国家自然科学基金对本研究的财政支持。

特别感谢来自辽宁科技大学张红梅教授、李娜副教授、赵大东博士和夏垒博士对论文的翻译工作。