微细铣削技术的研究现状分析*

2023-11-05王建平沈宇峰

新技术新工艺 2023年10期

王建平,沈宇峰

(长沙航空职业技术学院,湖南长沙 410124)

随着精密制造业的不断发展,其发展方向主要集中在大型高精尖的装备制造和微细化的精密制造[1]。由于航空航天、生物医学、光学、电子和精密仪器等领域对曲面复杂程度高的精密微型零件的迫切需求[2],微细化的精密制造显示出了较为广阔的发展前景。当前,微型零件的制造主要依靠机械加工和光刻加工,其中光刻加工主要加工一些二维及准三维零件,无法灵活实现三维加工,相比之下,微细铣削可以灵活实现三维复杂微型金属及非金属零件的加工,已成为当前微型零件的主要加工方式[3-4]。因此,微细铣削技术已成为当前国内外精密制造领域中的重要研究内容之一。如何研制出加工精度高的微细切削机床、提高微铣削加工表面质量、减少刀具磨损等是摆在我们面前的重要课题。本文从微细铣削技术的特点与应用、微细铣削加工机理、微细铣削加工机床与刀具技术等方面对微细铣削的关键技术进行了研究与分析,并对其发展方向进行了预测,以期为微细铣削加工技术的发展提供参考性建议。

1 微细铣削技术概述

对于微细铣削,目前没有统一的定义。丁许认为微铣削中的“微”为“非常小且难加工”[5]。陈启迪等认为微铣削是微小零件的铣削加工、较大型零件上的微细复杂加工和大型零件上精密光滑表面的加工[6]。比较公认的一种定义是,采用1 mm以下的微铣刀对100 μm～10 mm的零件进行的加工,其加工特征尺寸为10 μm～1 mm[7]。

微细铣削加工技术并不是简单的在宏观铣削加工上将待加工的零件和刀具的尺寸减小,而是将加工特征微细化而进行的加工技术,其加工机理也有明显的不同:是将微机电系统技术(MEMS)和宏观的机械加工技术紧密连接起来的一种加工技术[8-9]。

2 微细铣削技术的优点与应用

与传统铣削加工技术相比,微细铣削技术的优点与应用主要表现在如下几个方面[10-14]。

1)加工材料范围广。

微细铣削的机理是在铣削刀具所施加的力的作用下,切屑以微米级的厚度从工件表面分离。其特征在于只要铣削的刀具材料有足够的强度和硬度,在不发生化学反应的前提下即可进行微细铣削加工。基于此,只要是与刀具不发生化学反应的材料均可加工(包括一些难加工材料),例如不锈钢、碳素钢、黄铜、钛合金、铝合金、镍基合金、钨合金等多种材料,因而其加工材料的范围较广。

2)三维铣削能力强。

微细铣削不仅能在横向加工面上铣削出平面轮廓,还可以沿零件的纵深方向进行较大范围的加工,适合加工长径比或深宽比较大的微小零件,三维铣削能力强。例如,Y. Bang等[15]在黄铜材料上通过微细铣削加工出长径比高达10.6的30 μm×30 μm×320 μm的微型柱状结构。

3)加工特征尺寸小。

加工特征尺寸是衡量微细铣削加工能力的一项重要指标。随着机床定位精度水平的提高和铣削刀具最小尺寸的减小,微细铣削的加工特征尺寸可达数十纳米,有助于零件向更微细化的方向发展。

4)材料去除率高。

与微细电火花加工、准分子激光加工和微细电化学加工技术相比,微细铣削加工的材料去除率高,且无需专业的加工模具,加工成本低,可在一定程度上扩大其应用范围。FANUC公司采用微铣削技术可在5 min内完成一个开度角为3°、沟槽跨度为35 μm高深宽比梯形沟槽的加工,若采用激光加工技术至少需10 min以上。

5)加工精度高。

微细铣削加工大部分都是在超精密机床上完成零件的加工,因而其表面粗糙度可达数十纳米级,其形状精度可达数十微米级。此外,由于被加工的材料都是直接去除并且由于被加工材料是直接去除,工艺链较短,加工误差的累计和传递也相应的减少了,使得其具有较高的加工精度和重复加工精度,适合单间和批量零件的生产。德国的J. Schmidt等[16]利用微细铣削在1 h内完成微车轮加工,获得了较好的精度(0.01 mm)及合适的表面粗糙度。

6)应用范围广。

微细铣削加工不仅在航空航天、精密仪器、生物医学等重要领域都有着广阔的应用,而且微细铣削加工是实现纳米技术的重要环节。

3 微细铣削技术现状

3.1 微细铣削机理的研究

微细铣削机理是微细铣削技术的核心和基础,在整个微细铣削体系中起指导作用。微细铣削加工是在宏观铣削加工的基础上发展起来的,都是利用刀具与工件之间的相对运动将材料从工件上去除,但由于刀具、工件的尺寸大幅减小,微细铣削加工具有不同于传统铣削加工的特点,其中最大的区别就是存在的尺寸效应。尺寸效应是指在铣削过程中,随着铣削厚度的减小,形成切屑所需要的单位切削力非线性增加,并且随着切削厚度的减小,单位切削力反而越大。尺寸效应在所有的微细铣削过程中都是一样的,主要受未变形切屑厚度、加工件的结构和刀具的几何形状影响。微细铣削中,最大未变形的切削厚度比切削刃的半径还小,这就使得微细铣削在刀具的负前角下进行(见图1)。当前对尺寸效应的产生机理缺乏统一的解释,许多研究人员进行了不同的研究。S. S. Joshi等[17]应用应变梯度塑性理论解释在加工过程中第一变形区所产生的尺寸效应,建立了基于平行边剪切区模型的评价应变梯度、第一变形区的材料剪切强度和单位剪切强度等对象的模型。Liu K等[18]研究了第二剪切区的情况,研究表明,在第二剪切区产生尺寸效应的主要原因是温度随着未变形切屑厚度的减小而降低。

图1 微细铣削中的尺寸效应

微细铣削力学模型是微细铣削机理研究的基础。传统的宏观切削力模型都是在一定假设基础上形成的,并没有考虑微细切削过程中刃口区域的剪切力和耕犁力,因而不能直接适用于微铣削力的预测。现有的微铣削力学模型也是在现有的宏观切削力模型基础上,从切屑厚度的角度出发,应用能量法估算出切削力。Bao W Y等[19]在普通铣削力模型的基础上,假设切向力与切削面积、径向力成正比,建立了微细端铣过程切削力模型,运用该模型计算出了微细铣削过程中切屑厚度的变化,但该模型忽视了刀具刃口参数的影响。M. P. Vogler等[20]考虑了刀具刃口钝圆、切屑变形系数、等效前角的影响,也建立了一个微细端铣切削力模型,精准预测了刀具钝圆半径对切削力的影响。S. Venkatachalam等[21]对微细切削中刃口区域的耕犁力和滑擦力进行了研究,并对二者进行了区分。M. Malekian等[22]综合考虑了耕犁、弹性回复、刀具跳动等多个方面对力学模型的影响,建立了更加完备的力学模型。张卫锋等[23]通过实验的方法建立了微细铣削力的模型。

有限元仿真在研究微细铣削机理方面发挥出了重要的作用。M. Nasr等[24]利用有限元仿真对微细切削中的尺寸效应进行了研究,其研究表明,当切削深度小于刃口半径时,刃口切削区域的静压应力很高,材料的去除过程为拉伸断裂,而非剪切。Liu K等[25]利用有限元仿真建立了基于应变梯度塑性理论的正交微细切削模型,其研究结果表明,尺寸效应会使切削比能产生非线性增长。张翔采用有限元仿真方法对D型(即半圆形)、三角形和普通螺旋形微细铣刀进行了优化,仿真结果表明,D型刀具刚性最好[26]。T. Pratap等[27]利用有限元方法对钛合金Ti-6Al-4V的微细铣削过程进行了仿真分析,建立了一个考虑应力、应变速率及温度的铣削力模型。Jin X等[28]利用有限元方法在考虑切屑尺寸和切削刃钝圆半径对于铣削力的影响的基础上,建立了铣削力模型,并对铣削力系数进行估算。

3.2 微细铣削加工机床的研究

微细铣削加工机床作为微细铣削加工的基础核心设备,主要包括高速精密主轴系统、控制系统、高效冷却系统、精密进给系统、刀具及工件夹持系统和其他辅助系统等。微铣削加工并不一定都是在微细加工机床上加工的,也可以在普通超精密微铣削机床上进行微细尺寸的加工。超精密微铣削机床刚度好、振动小且可实现精准的驱动加工,但其尺寸较大,对加工周围的环境要求较高,对应的微小零件的加工成本也较高。为此,研究人员研究开发微小型机床来完成微小零件的加工。微小型机床体积小,可有效减小空间的利用率,在一定程度上节省了原材料,且其固有频率应高于普通机床,从而微小型机床可以在主轴转速较宽的范围内稳定使用而不发生共振。

1996年,日本研制出了世界上第一台微细铣床[29],在这以后的20多年的时间,微细加工机床才有了一定程度的发展。此后不久的时间里,MEL成功研制出了世界上第一台32 mm×25 mm×30.5 mm的微型车床模型,其主轴转速高达10 000 r/min[30]。1999年,日本国家先进工业学会又成功研制了一台微型数控机床,其主轴转速高达200 000 r/min,工作台的进给速度也达到了50 mm/s,该机床的整体技术水平得到了较大的突破。与此同时,美国麻省理工学院与北卡罗来纳州立大学共同研制了一台六自由度的超精密微细运动平台,为今后微型机床的进一步发展奠定了基础[31]。

国内在微型化机床的研制方面起步较晚,与国外存在一定的差距。2005年哈尔滨工业大学研制出了国内第一台微型铣床[32],外形几何尺寸为300 mm×150 mm×165 mm,机床本身为三轴联动卧式机床,采用先进的空气涡轮主轴和PMAC运动控制卡,其主轴转速高达150 000 r/min,功率仅为21 W,该机床的成功研制为我国的微型机床的发展奠定了基础。2006年上海交通大学研发了一台卧式三轴联动的微细数控铣床,其几何尺寸为270 mm×190 mm×220 mm,最高转速达到了120 000 r/min,定位精度为1.62 μm[33]。2008年南京航空航天大学成功研制出了一台龙门式微型铣床,直线伺服电机驱动可实现精密的铣削加工。2009年,北京航空航天大学成功研制出了一台五轴联动的微细数控铣床,其床身的几何尺寸为900 mm×700 mm,采用高精密的滑台、高精密主轴和高精度的PMAC运动控制卡,主轴最高转速为100 000 r/min,X、Y、Z各轴的行程为102 mm[34]。

3.3 微细铣削加工刀具的研究

在微细铣削中,为实现精确的材料去除,加工刀具需要极小的刃口圆弧半径,切削刃口圆弧半径直接影响已加工工件表面质量等。由于加工工艺和刀具材料特性的影响,刃口圆弧半径不能随着刀具整体尺寸的减小而相应的减小,因而如何将刀具材料晶粒细化和刀具刃口微细化一直是当前研究的重点和难点。

当前,微细铣削刀具比较理想的材料是单晶金刚石、细晶粒(晶粒度大小在0.8～1.3 μm之间)和超细晶粒硬质合金(晶粒度大小在0.2～0.5 μm之间)[35]。在微小径铣刀领域中,刀具材料主要以硬质合金为主,主要是由许多晶粒构成的烧结体,其中晶粒度大小直接决定了刀具刃口的锋利程度,为获得较为锋利的刀具刃口,普遍采用钨钴类的超细晶粒硬质合金,晶粒度大小在0.2～0.5 μm之间,因而切削刀具刃口圆弧半径可为几微米,当前市场上的微铣刀的直径已达到50 μm。

刀具的几何形状对微铣削加工的影响也至关重要。当前,微细铣刀的几何形状主要以传统螺旋立铣刀结构和简单的多面体结构为主。当前,微细刀具的制备技术主要包括精密微细机械磨削、激光加工、聚焦离子束溅射加和电火花线电极磨削等技术手段。D. P. Adams等[36]利用聚焦离子束溅射技术研制出了直径为25 μm的立铣刀。

微铣刀具涂层应用技术可以极大地改善刀具的整体性能,这是由于高硬度、耐磨性和化学稳定性好的涂层可以有效阻止刀具、工件和切屑间的相互作用,减轻刀具的磨损。涂层按其成分和作用可以划分为“硬涂层”和“软涂层”两种类型,“硬涂层”耐磨性好,硬度高;“软涂层”的主要作用是减少摩擦,降低加工过程中的切削力和切削温度。T. Thepsonthi等[37]研究在WC/Co微铣刀上涂立方氮化硼涂层对刀具及加工性能的影响,并采用磨损机理对涂层刀具的使用寿命进行估计,研究结果表明,涂层刀具可有效改善加工表面粗糙度和刀具的使用寿命。U. Irfan等[38]在微铣削试验中研究了加工铬镍铁合金时单涂层(DLC、AlTiN和AlCrN)和多涂层(TiAlN+AlCrN和TiAlN+WC/C)的磨损特性。