微细铣削加工发展情况

　　近年来，民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加，对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高。因此，研究开发经济上可行、能够加工三维几何形状和多样化材料、特征尺寸在微米级到毫米级的精密三维微小零件的微细加工技术具有重要意义。目前，微细切削已成为克服MEMS技术局限性的重要技术，而微细铣削技术因具有高效率、高柔性、能加工复杂三维形状和多种材料的特点，已成为一个非常活跃的研究热点。

　　1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世，气候开发出尺寸为50～500μm的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联接件等微机械。1965年，斯坦福大学研制出硅脑电极探针，后来又在扫描隧道显微镜、微型传感器方面取得成功。1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～12μm的利用硅微型静电机，显示出利用硅微加工工艺制造小可动结构并与集成电路兼容以制造微小系统的潜力。

　　传统的微细铣削技术研究与应用主要是采用直径几十微米至1mm的微型立铣刀，在常规尺寸的超精密机床上进行微细加工。由于这些机床主要用于加工精度很高的非微小几何尺寸零件，通常需要通过昂贵的设计和制造工艺来达到所期望的目标精度，而对于微小零件的加工，则缺少必要的柔性，且加工成本高、效率低。微小型化的加工设备具有节省空间、节省能源、易于重组、成本低等优点。近年来，利用微小型加工设备实现微细铣削加工已引起人们的普遍重视，并实现了采用微型刀具在微小型机床上的微细加工过程。在对微细铣削加工技术的研究中，研究重点主要集中于加工表面质量、切削力、刀具的磨损和寿命、切屑状态、对微小零件的加工能力等方面。

　　在铣削过程中，刀具的受载状态极其复杂，不断受到大小、位置不同的机械冲击和热冲击载荷。由于微细铣削中的每齿进给量小于(或等于)刀具切削刃钝圆半径，切削加工过程从以剪切为主变化到以摩擦、挤压或耕犁为主;又由于切削速度较高，冲击载荷较大，使得微细切削力与传统铣削力有很大的不同。

　　Bao和Tansel针对采用微径立铣刀进行微细铣削加工时的切削力进行了研究，提出了改进的切削力模型。该模型通过计算刀具旋转和前移时刀尖轨迹引起的切屑厚度变化得出，并且考虑了每齿进给量与刀具半径比值的不同、刀具跳动量和刀具磨损对切削力的影响，并通过实验验证了该模型比传统的立铣模型更为准确。

　　Vogler等人提出了一个微细立铣削加工的力学模型，考虑了异质材料中不同的相，发现金属材料中的多相导致切削力的高频变化，从而解释了微细铣削多相材料时切削力中出现的高频信号。

　　目前对微细切削力的研究还不多，还需进一步了解微细切削力的特征，并可以考虑通过对切削力的实时监测，动态调节切削用量，以控制切削力，提高加工表面质量，延长刀具使用寿命。

　　利用小直径立铣刀进行微细加工时，由于对切削后加工面的修整非常困难，因此希望能用一把铣刀完成最终加工工序。而且高精度形状加工耗用的切削时间往往需要数小时，因此对刀具的寿命和切削性能提出了更高要求。

　　Rahman等人采用直径1mm的立铣刀对纯铜进行了微细铣削实验，利用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，得出切削速度和背吃刀量对刀具寿命影响显著，而进给速度的影响不显著。切削刃磨钝显现出切削力的增加。同时应当考虑微型刀具的直径和刃口尺寸。Zhou等人用直径2mm的立铣刀高速铣削石墨电极，指出刀具磨损以磨粒磨损为主，磨损形态为后刀面磨损、前刀面磨损、微碎裂和破损，切屑形状有块状、柱状、球状和片状;涂层刀具的寿命是无涂层刀具的1.5倍;提出利用空气喷射管口和吸尘器能有效减少刀具的磨损和破损。Miyaguchi等人指出，刀具寿命可以通过减小刀具刚度得以延长，由于刀具的低刚度，刀具的弯曲平衡了切削力，调节了跳动量的影响，导致两个切削刃均匀磨损。

　　在微刀具的微细铣削加工中，切屑状态是实现精密加工、控制加工过程、判断加工能力的重要因素。Kim等人对微细铣削过程中切屑的形成进行了实验研究。以不同的进给量对黄铜工件铣槽，通过收集切屑进行测量以及观察槽底表面的SEM图像发现，当每齿进给量小于切削刃钝圆半径时，实际切屑体积是名义切屑体积的数倍，进刀痕迹间隔也大于每齿进给量。随着每齿进给量的增加，实际切屑体积逐渐接近名义切屑体积。由此可知，微细铣削中以较小的每齿进给量进给期间并不是总会形成切屑，即切屑的形成是间歇性的，断断续续产生的。

　　为了提高微细铣削加工质量，必须对刀具的磨损及寿命进行研究，可以考虑通过切削力、表面粗糙度、刀具的振动来研究刀具的磨损、破损情况。

　　目前，在微细铣削加工领域，对加工表面粗糙度的研究已取得不少成果，但对加工硬化、残余应力的研究还不多，对切削力的研究也还不够成熟。为了改善微细铣削的加工效果，可对切削力、加工质量、刀具磨损和加工振动等因素的影响进行综合研究;通过对微细铣削工艺的深入研究及开发，进一步提高微小型机床的加工能力。随着精密三维微小零件市场需求的不断增大，微细铣削技术必将大有可为。