微细切削加工的应用前景
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结构和零件的微型化是技术领域的发展趋势之一,开发经济上可行的微细加工技术对于微型技术的发展具有重要意义。目前,产业化的微细制造技术主要用在半导体工业,它们仅仅对大批量生产是经济的;在印刷制版术行业里使用的微细制造技术对所加工的几何形状及所能加工的材料又有很大的局限性。与这两种制造技术比较,微细切削加工可以弥补上述的缺点,因此,开发微细切削技术是微细制造技术的新领域。
微细切削加工的第一批装置是美国在60年代末开发的,主要用于加工光学件的表面,并由此诞生了超精加工技术。目前,在光学、电子和机械零件加工中达到了微米和亚微米的精度和几十个纳米的表面粗糙度。在八十年代末,德国的卡鲁斯厄研究中心把微细切削用于在微型元件的表面上加工微细的纹理,制造微型热交换器:它们对一个圆筒上的铜箔或铝箔用单晶金刚石制造的刀尖进行切槽,最终做成一个微型的、效率很高的热交换器。
直到九十年代,微细切削主要是用金刚石刀具加工有色金属零件。随着微型技术应用领域的不断扩大,要求能加工更多样化的材料,尤其是对钢和陶瓷的微细切削,成为微细切削技术的发展方向。

金刚石——近乎理想的切削材料

在超精加工领域,单晶金刚石刀具几乎是唯一得到实用的刀具。金刚石摩擦系数低,导热率高,这对切削过程很有利;它还有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸级的锋利刃口,而制作锋利的刃口是微细切削领域中必须解决的关键技术。一个亚微米级的锋利刃口可以加工出几纳米数量级的表面粗糙度。锋利的刃口及很低的摩擦系数,可大大减小切削力,这有利于微细切削加工的精度,也降低了对超精加工机床刚性的要求。
刚石刀具适合加工铝、纯铜、黄铜以及铜镍合金等。铜镍合金有很高的硬度,在加工时可获得极佳的表面质量。金刚石不适合加工黑色金属,为了使金刚石能够加工钢,正在开发一些装置,有一个装置效果很好。它把一个超声振动叠加在刀具的运动上,切削时使刀具的接触时间大大减少,从而降低了切削温度,抑制了金刚石向石墨的转化。

微细切削来源于普通切削

微细切削的知识实际上是从普通的切削加工中获得的,包括车、铣、钻、磨,在个别情况下,微细加工也用锯削或刨削。
目前研究最多、最成熟的是超精车削。例如制作压制菲涅耳透镜的有色金属模具或制作表面粗糙度的样块。
通过叠加一个由压电晶体驱动的高频振动到进给机构里,在与主轴回转频率和振动适当同步时,能产生不旋转对称的加工表面,达到磨光的镜面。目前,超精车削的技术水平已经可加工出极微细的轴径。
在微细加工中,铣削也被认为是最柔性的加工方法。用单齿的金刚石圆盘铣刀加工槽与前面所述的在薄膜上车槽比较,可以加工出各种角度交叉的槽。可用于制造压制光学栅格结构的模具,如每毫米100线。已商品化的圆盘铣刀最小宽度约100µm。
用金刚石制造的带柄铣刀,直径约300µm,也已经商品化。这种铣刀的结构为通用的直槽单齿铣刀,也可制成有端刃的雕刻刀,它特别适合加工只有几微米厚的隔板。这种槽铣刀的缺点是最小的槽宽取决于刀具的直径和装夹的精度。

钢是未来微细切削技术加工的对象

微细切削技术至今还局限于加工硅或非金属材料,而各种人工合成材料已经可用成形工艺进行加工(包括硬而脆的和软而韧的),因此,下一步对钢的加工就显得很有必要。钢的微细切削加工研究在德国始于九十年代,至今仍处于研究阶段。其主要应用领域在工模具行业,模具的耐磨性是成形加工经济性的重要前提,尤其当模具的结构有很高的深度——宽度比时,其材料的抗弯强度对成形加工的可靠性有决定性的意义,有时甚至关系到是否能够成形。
钢的微细切削不能用金刚石刀具,主要用硬质合金铣刀。硬质合金是由很多晶粒组成的烧结体,其晶粒的大小决定刀刃的微观锋利程度。因此,不能加工出像用金刚石刀具所获得的表面质量,但由于价格低并能加工钢,因此目前仍然是对钢进行微细切削的主要刀具。
为了有锋利的刀刃,通常采用钨钴类的超细颗粒硬质合金。超细颗粒硬质合金刀具的晶粒尺寸为0.5~1.0µm,其切削刃圆弧半径为几微米。
为了开发钢的微细切削技术,德国卡鲁斯厄大学的机床和制造技术学院首先进行了硬质合金圆盘铣刀的试验,刀具宽度为0.15mm。用铣刀作十字交叉的切削,工件硬度为52HRC的调质钢,加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm²的一排排作为合成材料或粉末注射材料模具的棱柱。
适合微细切削的硬质合金带柄铣刀在工业上已被广泛采用,有涂层的和不涂层的,最小直径为0.1mm,个别工具制造商可生产直径为50µm的铣刀。
为避免刀具意外的折断和提前磨损,在加工像钢这样的硬材料时,要注意加工过程的安全和机床的平稳,所以要求机床具有足够的刚性和动态性能,采用高的切削速度和中等的每齿进给量,以保证刀具的切入。
硬质合金微型铣刀的制造存在着一些难题,即除了要在不均质的刀具材料上加工出锋利的刃口外,还要对直径为零点几毫米的铣刀进行磨削,使之承受磨削力的作用,为解决这一难题,可选择一种不产生切削力的加工方法(如激光加工)。用铣削的方法可加工出形状复杂的表面,也可加工用工具钢制造的100µm以下的零件,如在硬度为55HRC的模具钢上直接铣制加工一个微型汽车(1:160)的轮壳模具,其表面粗糙度达RZ=0.5µm,成形表面达镜面光洁度,注射成形后的零件不必再进行后续加工。
磨削是专门用于硬而脆的材料的加工,使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬质合金制造。目前用于硅片切割的零点几毫米宽的砂轮已商品化,通常用经镀镍或铬的金刚石磨料作砂轮的材料,最近还开发了CVD涂覆金刚石的硬质合金成形砂轮。与刀具相似,砂轮也有用作成形砂轮的盘状砂轮和通用性很好的指状砂轮,后者可加工微细的任意形状表面,目前在研究部门使用的指状砂轮的最小直径为50µm。

磨削加工硬而脆的材料

为了在硬而脆的材料 (例如单晶硅)上加工微孔,除了通常用电镀法制造的直径为0.9mm、金刚石颗粒为D91µm的微型空心钻头外,德国Brauschweig技术大学新开发了同样直径的CVD金刚石钻头,其金刚石晶粒的尺寸为4µm~8µm。尽管有较大的切削力,用这种新型钻头在单晶硅上钻了55个盲孔,质量全部合格。这种盲孔钻头可以在指状砂轮加工零件的封闭式型腔前钻引导孔。电镀的金刚石空心钻头较适合在板材上加工通孔,但在试验中,在孔的钻穿那一面沿着硅的晶轴方向出现了大于100µm的崩刃,在孔的钻入这一面边缘也有20µm~150µm的崩刃,这一问题有待进一步研究。

结论和展望

微细切削是微细加工工艺的一个重要延伸,尽管目前微细切削所能加工出的零件细节不及微细电加工所达到的程度,但它与激光刻蚀加工等技术一起可在各种各样的材料上加工任意的空间结构。
此外,它比基于平板印刷的微细技术需要的设备少,也省去了昂贵的母板制造,总之,零件的微细切削加工对于经济地制作中等批量的微型构件有很大的优势。
本文作者:赵炳桢 译
原载:《工具展望》
上载于:2004-4-12 23:05:59

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