微细切削刀具发展现状蒋 放1廖文敏1李 晴2(1.北华航天工业学院,河北廊坊065000; 2.河北师范大学职技学院,河北石家庄050031)摘 要:本文对微细切削刀具在微细切削加工中的作用进行了阐述。
根据微细切削刀具的工作环境,分析了其应当具备的特点;从微细切削刀具的加工机理、设计方法和制备技术三个方面概述了与微细切削刀具相关的研究成果;针对该研究方向上目前存在的瓶颈问题进行了总结。
关键词:微细切削;加工机理;刀具设计;刀具制备中图分类号:TH161 文献标识码:A 文章编号:1673-7938(2009)04-0006-04收稿日期:2009-05-22作者简介:蒋 放(1974-),男,汉,讲师,博士,重庆人,从事先进加工技术研究。
0 引 言微细切削技术是实现金属微小型结构件高精度加工的有效途径,是微细加工技术的重要组成部分。
而微细切削刀具作为微细切削加工的重要执行元件,是实现微细切削的重要支撑技术,是发展微细切削的关键之一。
目前主要的微细切削刀具包括微细车刀、微细立铣刀、微细飞刀和微细钻头等。
1 微细切削刀具的特点受尺度效应影响,微细切削的刀具磨破损、切削应力、切削表面形成等加工机理显著区别于常规切削加工,刀具所承受的切削抗力、摩擦、散热和冲击等工况条件恶劣。
因此,适用于微细切削的刀具应满足以下基本要求。
1.1 特征尺度微小针对微小型系统中广泛存在的框架、平面、曲面、轴、槽、壁、孔等各类微小型结构件,为了适应微细切削的加工特征微小和加工精度较高的需求,并避免与工件之间的干涉,切削刀具切削部分的特征尺度必须同步减小。
1.2 切削刃锋利微细切削条件下,为了实现极微量的材料去除,所采用的切削深度和进给量通常在微米级,切削厚度与刀具刃口半径处于同一数量级,刀具实际前角将表现为较大的负值。
刃口半径对于微细切削性能的影响不容忽视,切削刀具应具有足够锋利的切削刃。
但是,受刀具材料特性和制造工艺的限制,刃口半径还不能随刀具整体尺度的降低而成比例的降低。
1.3 强度高因微细切削加工中,切削厚度很小,材料去除时的剪切应力表现出对尺度的强烈依赖性,将随切削厚度的降低快速增大。
且微细切削,尤其是微型零件的切削,一般是在极高的主轴转速下进行的。
因而,微细切削刀具的切削部分应具备足够高的强度和动态特性,能够承受微细切削时的高频冲击负载。
1.4 表面质量高表面质量对于微细切削刀具使用性能的影响极大。
为了获得良好的微细切削精度和表面质量,微细刀具应具备光滑的切削刃形状、较高的表面完整性以及合理的表面粗糙度。
表面质量不仅增加微细切削时的摩擦阻力,导致加工表面恶化,并且削弱刀具强度。
1.5 耐磨性好,磨损过程均匀微细切削刀具的切削部分应具有足够高的硬度以保证耐磨性。
利用磨钝的刀具进行微细切削时,不仅影响加工精度,并且将产生明显的加工毛刺现象,给表面精整带来困难。
2 微细切削刀具的加工机理微细切削条件下,受加工尺度与刀具特征参数的共同影响,将发生一系列特有的加工现象和机理。
与常规尺度切削相比,微细切削刀具前刀面参与切削的程度减小,刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作,此时刃口半径对于切削变形和材料去除的影响不容忽视。
因此,各国学者对于微细切削刀具刃口附近发生的切削加工机理给予了较多关注。
如袁哲俊等人从表面粗糙度、显微硬度、残余应力和加第19卷第4期2009年8月北华航天工业学院学报Journal of North China Institute of Aerospace Engineer ingVol 119No 14Aug 12009工表面层位错密度的角度分析了切削刃口半径对精密切削加工表面完整性的影响[1];Kim等人建立了一种考虑切削刃口半径和弹性回复的正交切削模型,并对耕犁和滑动效应进行了量化分析[2]。
受当前刀具制造方法和工艺水平的限制,所能实现的刀具刃口半径与切屑厚度的尺度相当。
因此,有效切削前角表现为较大的负值,将导致耕犁和工件材料的弹塑性变形,这成为影响微细切削机理的主导因素。
如果切屑厚度与刀具刃口半径在同一尺度,或者更小,那么在刀具的每一个运动形成内,切屑不一定都会形成,这就是著名的临界切屑厚度效应,该效应将对微细切削的切削力、工艺稳定性和加工表面粗糙度产生深远影响。
Lucca等学者通过对无氧高导电性铜(OFH C 铜)的微细切削试验发现,当切削厚度接近于刀具刃口半径时,产生明显的耕犁和工件弹性回复现象,并且单位切削能量明显高于克服剪切和前刀面上摩擦所需的能量[3]。
Dautzenberg的研究表明,由于刃口半径效应,在一定切削用量范围内,随着切削度的下降,切削能量反而是增加的。
Lucca等人的研究表明,塑性变形层(亚表面损伤)几乎不受临界切削厚度的影响,而主要受刀具刃口半径的影响[4]。
Lucca 与Seo的研究表明,法向前角和刀具刃口轮廓对于切削合力和消耗的切削能量具有显著影响。
Vogler 等学者的研究表明,刀具刃口半径对于加工表面粗糙度具有显著影响[5]。
Lee与Dornfeld的研究表明,微细铣削条件下,刀具刃口半径与切屑尺度的比值相对较大,导致摩擦和挤压作用增强,抑制了切削的顺利进行,因此将产生更多的毛刺。
3微细切削刀具的设计方法目前针对微细切削刀具设计理论方面的研究成果较少,多为针对刀具局部强度问题,应用有限元法进行分析。
如德国柏林工业大学采用载荷动态加载与有限元应变分析的方法实现了微细立铣刀的参数化优化设计(见图1)。
其主要设计思想是,缩短切削部分的最大长度;通过减小切削部分与刀尖和锥部的比例,消除了轴向角对于刀具稳定性的影响;铣刀最小直径通过优化后的切削刃的几何参数和工件材料确定[6]。
4微细刀具制备方法微细切削刀具的制备方法是制约微细切削技术发展的难点之一。
精密微细机械磨削、电火花线电极磨削(WEDG)、聚焦离子束溅射(FIB)、激光加工等方法是目前主要的微细刀具制备技术。
图1微细立铣刀的优化设计4.1精密微细磨削工艺磨削工艺是目前比较成熟的刀具制备和修整方法。
微细刀具的精密磨削工艺主要采用金刚石砂轮,能够实现高速钢和硬质合金材料的精密成形。
该工艺的要点是:为防止小直径刀具的折断,应合理确定刃磨时的磨削压力;通过对砂轮施加振动,可以显著减小磨削力和最小成形直径。
精密微细磨削工艺在一定程度上可以满足微细切削刀具的制备要求,但是受磨削力的影响,能够稳定获得的刀具最小直径受限。
另外,刃磨工艺容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷,将直接影响加工表面质量和精度水平;磨削热应力容易引起刀具表层微观结构的变化;微细立铣刀的同心度和直径偏离等制造误差有可能大于微细切削的单齿进给量,成形精度有待提高。
德国卡尔斯鲁厄研究中心利用瑞士EWAG工具磨床和金刚石砂轮,在晶粒尺度为1L m的硬质合金上刃磨出了直径为35L m的微细立铣刀[7]。
日本理化研究所应用微细磨削工艺在硬质合金材料上制备出了最小特征尺度为2L m的棱椎形微细工具和超大长径比的微细冲具(见图2),主要用于金属薄片上微小孔的冲压。
图2日本理化研究所刃磨出的棱椎形微细工具4.2电火花线电极磨削工艺电火花线电极磨削工艺的材料蚀除机理与普通电火花加工相同,其运动特点为:线状电极在导向器第4期蒋放等:微细切削刀具发展现状2009年8月上连续移动,导向器沿工件径向作微进给,而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。
该种制备方法的主要优点是:线电极与工件之间为点接触,容易实现微能放电;线电极始终沿导向器匀速运动,可以忽略线电极损耗对加工精度的影响。
通过控制工件的旋转与分度,配合轴向的精密进给控制,WEDG工艺可以加工圆柱、圆锥、棱柱、螺旋槽、平面等多种截面形状。
该方法的主要优点是:刀具成形过程中没有机械力的作用,成形的尺寸精度和形状精度高,为微细刀具的制备提供了一种有力的工具[8]。
4.3聚焦离子束溅射工艺聚焦离子束溅射工艺是一种显微加工技术,同样可以用于微细刀具的制备。
选择原子量较大的液态金属镓(原子量为69.72,其原子质量远远大于电子的质量)作为离子源,在离子柱顶端施加高密度的电场形成数十keV的高能离子束,通过静电透镜将离子束聚焦为亚微米直径的斑点。
然后控制聚焦后的镓离子束对工件进行轰击,将镓离子的动量传递给工件中的原子或分子,产生溅射效应从而实现材料的去除。
通常每个入射镓离子可以去除3~5个工件原子,可以精确地控制材料的去除。
利用聚焦离子束溅射工艺,可以对硬质合金、高速钢、单晶金刚石等材料进行显微加工。
与精密磨削相比,基于聚焦离子束溅射的刀具成形过程没有机械力的作用,刀具在制造过程中不会破损,能够制备出具有极小特征尺寸的微细刀具。
桑迪亚国家实验室应用聚焦离子束(FIB)溅射工艺制备出一系列直径为15L m~100L m、刃口半径为40nm的微细切削刀具;密歇根大学采用聚焦离子束溅射工艺制备出了直径为22L m的微细立铣刀[9]。
4.4激光加工工艺为了克服聚焦离子束溅射工艺成形效率偏低的问题,德国卡尔斯鲁厄大学探索采用激光加工工艺进行微细刀具制备。
该工艺同样没有机械力的作用,加工过程中无振动,刀具不产生变形,加工成本低。
目前存在的问题是,成形表面比较粗糙,加工表面质量有待提高。
4.5传统的聚晶金刚石涂层由于太厚(约为2~ 100L m)而不适用于微细切削刀具这是因为较厚的聚晶金刚石涂层会显著增加刀具的刃口半径而使刀具变钝。
Patrick等学者通过采用热化学气相沉积方法(HFCVD),在直径为300L m的小直径立铣刀上制备出厚度和晶粒尺度均小于2L m的金刚石涂层,显著改善了刀具的微细切削性能。
5研究中的主要问题微细切削对于微型产品的需求有极强的适应能力,为非硅材料高深宽比微小型结构件的精密加工提供了一种全新的技术途径。
微细切削刀具是实现微细切削的技术关键,但目前的研究重点侧重于技术开发,而对于其中的基础科学问题涉及较少,制约了微细切削原理与技术优势的发挥。
5.1缺少适用于微细切削刀具的设计准则与方法目前关于微细切削刀具的技术主要包括精密微细磨削、电火花线电极磨削(WEDG)、聚焦离子束溅射(FIB)等刀具制备方法。
而对于微细切削尺度下的刀具设计准则很少涉及。
另一方面,当前研究大多与微细切削机理一道进行,研究重点集中在精密与超精密切削中的刀具刃口半径效应、最小切削厚度、微细切削力建模与预测、刀具磨破损、切屑形成、表面形成、切削能量分配等方面,专门针对微细切削刀具的研究相对较少。
5.2微细切削刀具的磨损、破损现象严重微细切削时,刀具的磨损形态和特征不规则,不能用常规的方法进行评价。
尤其是加工钢等较硬材料时,刀具在严重磨损以前即可能发生早期破损,很难获得稳定的磨损耐用度。
目前还缺乏适用于微细切削的磨钝标准体系。