關于微細切削加工技術的探究

吳超 任夢羽

摘 要：本文首先對微細切削加工進行了概述，介紹了微細加工特點及加工機理，最后對微細切削加工技術的應用及發展現狀和前景做了詳細闡述。通過本文可以明確微細加工技術的重要位置以及未來發展的方向。

關鍵詞：微細加工 加工機理 微細加工機床 微細加工刀具

中圖分類號：TG66

前言

隨著航空航天、國防工業、現代醫學以及生物工程技術的發展，對微小裝置的功能、結構復雜程度、可靠性的要求越來越高，從而使得對特征尺寸在微米級到毫米級、采用多種材料、且具有一定形狀精度和表面質量要求的精密三維微小零件的需求日益迫切。然而，目前用于微小型化制造的主要是MEMS技術，它集中于由半導體制造工藝發展而來的工藝方法和相關材料，加工材料單一[1]。同時MEMS技術趨向于制作平面微機械零件和MEMS器件，對任意三維微小零件的加工限制很大。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。

1 微細加工的概述

微細加工是指對小型工件進行的加工。微細加工通常用在醫療器械領域和電子領域。由微細加工工藝生產的零件通常需要用顯微鏡來觀察。微細加工一般在專門進行微小件或精密加工的車間進行。[2]

從廣義角度來講，微細加工包括各種傳統精密加工方法和與傳統精密加工方法完全不同的方法，如切削技術，磨料加工技術，電火花加工，電解加工，化學加工，超聲波加工，微波加工，等離子加工，外延生產，激光加工，電子束加工，離子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義角度來講，微細加工主要指半導體集成電路制造技術。因為微細加工和超微細加工是在半導體集成電路制造技術的基礎上發展的，特別是大規模集成電路和計算機技術的技術基礎，是信息時代，微電子時代，光電子時代的關鍵技術。

2 微細切削加工的機理

微切削時切削厚度通常都在微米級0.1-200um，切削刃刃口圓弧半徑通常也在微米級別。不同于宏觀切削，微切削中切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑的比值成為一個不可忽略的變量，切削刃刃口圓弧不可視為鋒利。微切削特別是微統削過程中切削厚度有時甚至小于切削刃刃口圓弧半徑，這時主要由微刀具來擠壓推動切削刃前方的工件材料流動形成切屑。由于切削厚度和切削刃刃口圓弧半徑比值的影響，宏觀切削的加工機理已不適用于微切削，導致微切削有著自己獨特的材料去除機理，主要表現在微切削過程中的最小切削厚度、單位切削力的尺寸效應、表面完整性的尺寸效應和毛刺高度的尺寸效應等。這些尺寸效應是目前研究微切削加工的關鍵科學問題。[3]

3 微細切削技術研究進展

微細切削技術是一種兼顧加工效率和產品質量的先進制造技術，能夠適應微機械零件材料多樣化、結構三維化、批量柔性化的產品要求，在加工微小型零件方面具有較大成本優勢和工藝優勢，是目前國內外研究的熱點和重點。[4]

3.1 微細加工機床的研究

微細切削加工技術具有單項技術的極限、常規技術的突破和高新技術的綜合三個方面的特點。微細切削加工機床是微細切削加工最重要、最基本的加工設備。其關鍵部件是主軸及其驅動系統、導軌及其驅動系統、檢測裝置和微進給機構等。為達到很小的進給量，需要各軸能實現足夠小的微量移動，微量移動應可小至幾十納米。應具備高靈敏、高精度跟蹤性能的伺服進給系統、低熱變形結構設計、高主軸轉速、高定位精度、穩定的床身構件以及刀具的穩固夾持和高的重復加持精度。[5]

1970年，日本Dutta等人提出微型機床概念但沒有被廣泛接受。之后日本微機械中心推行了一個微制造技術研究計劃。該計劃以桌面工廠的新概念為研究背景，一批微小型機床紛紛亮相，最初開發的微型機床如圖1所示：

該微型車床整體尺寸為32mm×25mm×30.5mm。整體質量僅有100g；XY工作臺運動由壓電驅動器驅動；主軸電機額定功率為1.5W，最高轉速能達到10000r/min；該車床能加工的工件最小直徑能達到60um。

哈爾濱工業大學研制的三軸聯動微小型超精密微細銑削機床如圖2，整體布局為龍門架結構，機床外形尺寸為600mm×500mm×700mm，三軸的工作行程均為75mm。整個數控系統的核心是PMAC卡，這個機床系統是閉環負反饋系統，采用的光柵分辨率為5um。經過調試，三軸的定位精度達到0.25um，重復定位精度達到0.2um。

3.2 微細加工刀具研究

在微細切削加工時，使用的刀具必學具備下列條件：刀具刃口的鋒利性，切削加工刀具的耐磨損性，刀具刃口要有足夠的強度。

目前用于微細切削加工的超硬刀具材料主要有金剛石、立方氮化硼和陶瓷等、單晶金剛石刀具。微細形狀的切削由于很難在切削后再進行精加工，因此需要利用刀尖部不會發生變化的“無損刀具”加工至最后。上述刀具材料因硬度高而難以進行刀具成型，要實現微小直徑，必須找到高精度、高效率的刀具成型法。日進工具有一款通過研磨成型的直徑為30um的方形立銑刀，為最大限度的確保截面面積，采用了將圓柱削去一部分的切削刃形狀。如圖3所示。

4 結論

微細加工技術是精密加工技術的一個分支，這一領域的發展對未來的國民經濟、科學技術等將產生巨大影響，先進國家紛紛將之列為未來關鍵技術之一并擴大投資和加強基礎研究與開發，所以我們有理由有必要加快這一領域的發展和開發進程。

參考文獻

[1] 傅惠南，納米切削實驗研究，中國機械工程，2001，12（8）：65-69

[2] 黃燕華，董申，袁光輝，張昭瑞，羅青，微細電極精密車削技術，電加工與模具，2003，15（4）：14-16

[3]于化東.超精密微機械制造技術研究進展[J].長春理工大學學報（自然科學版），2008，31（3）：1-4

[4] 鄒濟林 微細切削加工及其相關技術[J]1機械制造，1998，20（11）：7 -81

[5] 趙炳禎1微細切削加工的應用前景[J]1工具展望，2002（4）：88 -921