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微細切削加工

采用微細切削技術可以實現多種材料任意形狀微型三維零件的加工，彌補了MEMS 技術的不足，所制作出的各種微型機械有著日益廣闊的應用前景，因此，國內外的一些高等院校和研究機構對此進行了不斷的探索。從FANUC 公司[2] 采用微銑削技術加工的零件微觀形貌上看，該零件是一個高深寬比的梯形溝槽，開度角為3°，溝槽跨度為35μm，工件材料是銅，采用微銑削加工5min就可以完成，且側壁加工精度很高。采用FANUC 公司制造的車床型微型銑床可以實現三維自由曲面的微細切削加工。從加工的微透鏡體圖中可看出，零件表面高低差為16μm，直徑為236μm，加工后的表面粗糙度Rz 為0.1μm，這些均是MEMS 技術以及同步輻射X 射線深度光刻、LIGA 工藝等技術所不及的。目前，微細切削加工技術可使用切削刀具，對包括金屬在內的各種可切削材料進行微細加工，而且還可利用CAD/CAM 技術實現三維數控編程，幾乎可以滿足任意復雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法（如電火花、超聲加工）相比，微細切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

微細銑削力模型

W.Y. Bao 和I.N. Tansel[3] 提出了考慮刀具跳動情況下的微細銑削切削力解析模型。由于每齒進給量與切削刃半徑比率很大時，對切屑厚度所作的假設與傳統(tǒng)切削力模型[4] 的相比變化很大，因此他們在這個模型的基礎上，改變切屑厚度的計算方法，即根據刀尖軌跡來估計切削厚度值，從而使得切削力模型更加精確。其提出的切削力表達式用到了8 個參量（如主軸轉速、進給量、切入切出角等）和一個與刀具和工件有關的材料系數，該系數需要進行試驗才能確定。

由于切屑厚度在微細車銑中對切削力的影響很大，G. Newby 等[5]也考慮到切削刃軌跡對切屑厚度的影響，他們在W．Y．Bao 和I．N．Tansel 的基礎上建立切削力經驗模型。M. T. Zaman 等[6]根據理論切屑面積來估計切削力的大小。與傳統(tǒng)銑削相比，在微細車銑中切削刃參與切削加工的長度相對要長，因此刀具螺旋角在微細車銑加工的切削力形狀中起到至關重要的作用，在軸向上就會產生可觀的切削力。

I. S. Kang 等[7] 在基于Tlusty 和MacNeil 傳統(tǒng)切削力模型[5] 的基礎上，研究了刀刃半徑對切削力的影響，并將其納入切削力模型中。Bong-Cheol Shin 等[8]提出了用加速度傳感器和最新的霍爾傳感器來間接測量切削力的方法。在帶有高速主軸的精密機械工作臺上進行了一系列試驗，并取得了顯著成果。

微細銑刀及其涂層

在微細銑削中，刀具是影響加工精度的重要參數，早在1997 年I.Tansel 等人[9] 就已經提出了采用智能工件夾持器來延長刀具壽命的觀點。A. Aramcharoen 等人[10-11] 對刀具涂層進行了深入研究，對宏觀尺寸銑削和微細銑削進行對比分析。E.Uhlmann 等[12] 采用有限元仿真，設計了新的微立銑刀，分析銑刀的動載荷和應變，并對其進行優(yōu)化，最終開發(fā)的工具鋼微銑削刀具硬度達到62HRC。Jan Gabler 和Sven Pleger[13]采用了微精密ＣＶＤ金剛石涂層刀具，發(fā)現金剛石涂層能極大地增強在微米級尺寸下切削刀具的性能。

考慮微銑刀具的尺寸效應，弗羅里達國際大學的I.N.Tansel 等[14]對微銑削中的刀具磨損作了新的定義：刀具材料的損失，刀具表面小顆粒工件材料的沉積或是刀具撓度形狀的變化等。結合美國的空氣力學研究實驗室的專家，弗羅里達國際大學的專家在原先研究發(fā)現的基礎上又開發(fā)了遺傳刀具監(jiān)控系統(tǒng)[15]。此外，2008 年，新加坡的學者開發(fā)了采用隱形馬爾可夫模型監(jiān)控微銑削刀具狀態(tài)的系統(tǒng)[16]。正是由于馬爾可夫模型的快速識別性特點，使得其模型對噪聲的魯棒性較好，通過試驗發(fā)現，該系統(tǒng)對刀具狀態(tài)的識別達到了較高的水平。

針對微銑削與傳統(tǒng)銑削的區(qū)別，學者們在微銑削中的尺寸效應、微刀刃半徑、最小切削厚度、摩擦效應以及表面粗糙度等方面內容做了深入研究[16]，分析其行為與機理，建立數學模型，并通過廣泛的試驗來進行了驗證。

微細車銑切削

微細車銑切削是基于車銑原理的一種先進制造技術。車銑加工不是普通意義上的車削與銑削功能的簡單組合。它是利用銑刀旋轉和工件旋轉的合成運動來實現回轉體工件的切削加工任務，達到常規(guī)的“車削”目的，使工件在形狀精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面達到使用要求[17]。車銑加工包括銑刀旋轉、工件旋轉、銑刀軸向進給和徑向進給4 個基本運動。銑刀的旋轉運動是主切削運動，切削速度與工件直徑沒有關系，只與銑刀直徑和銑刀轉速密切相關。工件旋轉是為了配合回轉體表面加工而做的范成運動，對切削速度的影響一般不予考慮，它主要對加工過程中的進給速度產生影響。因此，從切削原理上可以發(fā)現，車銑加工過程中，無論被加工件直徑多小，只要銑削頭的轉速有足夠寬的變化范圍，就可以實現微小零件的正常切削加工。

無論在生產率還是在加工工件表面質量上，微細車銑切削技術較其他技術而言具有很大的優(yōu)勢。其中一個非常重要的優(yōu)勢在于它能夠在一次裝夾中完成對形狀復雜工件的加工，并且能在較短時間內完成并提供一個較高的加工精度。這尤其適用于銑刀的高速切削，不但可以提高生產率，而且也提高了加工精度。德國阿亨工業(yè)大學和卡爾斯魯厄大學近年來開展了淬火鋼和硬鋁材料的微細車銑切削研究，卡爾斯魯厄大學與奔馳汽車廠合作研制了世界上首臺轉速為16000r/min 的精密微小型銑床，用以加工微小型模具，實現了用微小設備高速加工微小零件。弗朗恩霍夫研究院針對大機械加工零件所暴露的問題，近年來開展了微小型加工系統(tǒng)相關技術的研究，已成功研制出微小型加工系統(tǒng)原理樣機[18]。

近些年來，沈陽理工大學在微細銑削加工和微細車銑切削技術方面開展了一些研究。在微小銑削機床上完成了微細銑削AISI D2 模具鋼的切削試驗，研究了各切削參數對已加工表面形貌和切削力的影響程度及變化趨勢。結果表明，每齒進給量對表面形貌和切削力影響較大，而軸向切削深度和切削速度影響次之。在微細銑削工件表面上由于塑性變形所產生的微小突出物是微細毛刺[19-20]。沈陽理工大學在車銑加工技術的基礎上完成了WCH-I 數控四軸聯動微細車銑切削機床設計和開發(fā)的研究。其氣動銑削主軸轉速為150000r/min，旨在實現高速微細車銑切削微小型細長軸和具有復雜型面的微小型零件。與大中型超精密機床相比，該機床具有體積小、易控制加工環(huán)境、成本低等特點。

北京理工大學采用傳統(tǒng)的車削方法和先進的車銑方法進行了微細軸的切削加工試驗, 驗研究在自主設計的具有結構優(yōu)勢和加工特色的“微小型車銑復合加工中心”上進行。首先將這一技術應用于微小型零件的加工[21]。該中心能獨立完成車、銑、鏜、磨、鉆削的任務，同時還能實現獨具特色的車銑加工功能，從根本上解決了車削時線速度太低的問題，能實現微細軸類零件正常的切削加工甚至高速切削加工[22]。另外，哈爾濱工業(yè)大學[23-24]、南京航空航天大學[25-26]、北京航空精密機械研究所[27]、清華大學[28] 也針對微小型切削機床開展了積極研究。

結束語

微小型零件的加工技術已引起各國的重視，發(fā)達國家已開展相關技術研究，并有不少成果問世。微細銑削和微細車銑切削技術與LIGA 和光刻等其他微細加工技術相比，具有體積小、能耗低、生產靈活、效率高等優(yōu)點。而無論從理論分析還是實際加工，微細車銑切削技術更適合于微細長軸類零件的加工，它在改善微小型零件的切削狀態(tài)、實現高速切削、降低切削力、延長刀具壽命、保證零件加工質量、提高加工效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是一種非常適合微小型零件加工的方法。只要合理匹配車削主軸與銑削主軸的轉速比，合理輔以其他切削用量，就可以加工出理想的微小型零件。

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