微径铣刀及微细铣削技术的研究

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引言

    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。

    2

  

微径铣刀及其制造技术

    （1

  

）制造工艺及刀具性能

    磨削是一种传统的铣刀制造工艺，但对于直径仅为零点几毫米的微径铣刀，要在磨削
力作用下，在不均质的刀具材料上磨削加工出锋利的切削刃口，是一件十分困难的事情 ，
这也成为微径铣刀发展的一个技术瓶颈。为此，从理论和实验的角度出发，可以选择一种

  

不产生切削力的加工方法（如激光加工、聚焦离子束加工等）。
    聚焦离子束加工方法从原理上比较适合用于制造微径铣刀。Friedrich 和 Vasile 等人采用
聚焦离子束加工技术制作了微径铣刀，最小直径达到 22mm。利用微径铣刀和定制的高精
度铣床，在聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA）上加工出了 89.5°直壁微槽结构，深度为
62mm，槽间肋厚为 8mm。Adams 等人采用聚焦离子束加工技术制作了一些直径约为 25μm
的微径铣刀，其轮廓形状有两面体、四面体和六面体，切削刃分为 2 刃、4 刃和 6 刃，刀具
材料为高速钢和硬质合金。用这些刀具分别对铝、黄铜、4340 钢和 PMMA 四种工件材料进
行了微细铣削加工。但是，由于使用微径铣刀进行切削加工必须采用小进给量，且刀具磨

  

损剧烈，加工毛刺较大，加工效果至今不能令人满意。
    立铣刀的刀刃几何形状主要有直体、锥体三角形（D-type）、半圆形（D-type）和已商
品化的螺旋刃立铣刀四种。Fang 等人通过实验和有限元分析，从刀具刚度和加工性能出
发，对上述四种立铣刀进行了研究对比。结果表明，锥体 D-type 立铣刀更适合微细切削加
工，并用直径 0.1mm 的锥体立铣刀成功制作了特征尺寸小于 50μm 的生物医学零件和特
征尺寸小于 80μm

  

的微型压花模具。

    但是，从实用角度和应用前景来讲，还是应优先选择商品化的螺旋刃微径立铣刀，很
多研究都是针对此类铣刀进行的。目前，直径 0.1mm 的硬质合金立铣刀在国外已经商品化
（在国内，直径 0.2mm 的立铣刀也已经商品化），直径 50μm 的立铣刀也开始上市。目前

  

此类铣刀的制造仍需依赖于高性能的工具磨床，
    在欧洲，采用微径立铣刀（最小直径 50μm）加工微型塑料组件的注射模具，模具硬
度达 53HRC，铣削精度＜5μm，表面粗糙度 Ra＜0.2μm。美国开发了专门用于模具和硬型
模具加工的新型微径铣刀，能够对石墨、钢等高硬度材料进行高速切削加工（切削速度
30m/min，最高达 150m/min）。瑞士的研究人员做了一个高速切削硬材料的实验，用直径
0.5mm 的 TiAlN 涂层微径铣刀切削 316L 不锈钢，切削深度 0.1mm，切削速度 80m/min，
主轴转速 50000r/min，进给率 240mm/min。实验结果表明刀具寿命达 8 小时（117m

  

）。

    （2

  

）刀具材料

    作为刀具材料，金刚石、立方氮化硼、陶瓷等都各有其优点和局限性，而使用最多的是
硬质合金材料，目前国外 90％以上的车刀和 55％以上的铣刀均采用硬质合金。在微径铣
刀领域，刀具材料也以硬质合金为主。硬质合金是由很多晶粒组成的烧结体，晶粒的大小