用立铣刀加工玻璃材料
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玻璃属于硬脆材料,很早以前就被用于我们的日常生活中。日本的竹内教授等人着眼于立铣刀的切削机理,对玻璃材料进行了10µm以上的沟槽加工试验,以考察其切削特性。本文介绍了用球头立铣刀加工玻璃材料的切削特性及应用实例。

图1 立铣刀切削过程中的刃口轨迹

图2 向进给方向倾斜的刀具姿态

图3 用立铣刀加工玻璃的切削试验

图4 试验所用球头立铣刀

(a)前刀面(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b)刃口断面(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图5 刃口放大图

图7 周围环境引起的玻璃硬度变化(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图9 加工光学玻璃时的切削力(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
玻璃属于硬脆材料,很早以前就被用于我们的日常生活中。近年来,随着IT产业的发达,玻璃作为光学器件的结构材料,其需求量不断增加。此外,在材料开发、医疗、制药、环保等各个领域,玻璃作为检查基板的制作材料,其用量也越来越大。这些构件所需玻璃制品的生产,可大致分为两类:平面或曲面加工和微细形状加工。前者通过化学机械研磨(CMP)工序,目前已确立了纳米级的高水平表面加工技术。而对于后者,由于玻璃具有易碎、易缺损的特性,以前,用机械方法直接进行加工被认为十分困难,因此一般是彝口用氢氟酸进行化学去除法加工。近年来,采用激光、等离子等各种加工方法,也可以实现对软玻璃的微细加工。但是,这些加工方法所使用的设备复杂,所需费用也相当高。大家都寄希望于开发出价格低廉、操作简单的加工方法。
基于这种现状,近年来,利用机械加工方法对玻璃材料进行切削试验的研究以及技术开发不邮曾多。最近,日本的竹内教授等人报告了利用立铣刀对玻璃进行三维形状加工的研究,其可行性和实用性值得期待。作者着眼于立铣刀的切削机理,对玻璃材料进行了10µm以上的沟槽加工试验,以考察其切削特性。本文介绍了用球头立铣刀加工玻璃材料的切削特性及应用实例。

立铣刀对玻璃的塑性——脆性混合模式切削

图1所示为刀具轴对应的垂直断面内的刃口轨迹,以及标示的刃口轨迹与后续刃口轨迹的干涉曲线模式。立铣刀在旋转的同时由下向上运动,每旋转一次就将阴影部分切除一部分。在这种加工过程中,刃口不断地切人和切出(脱离)材料。因此,刃口每旋转一次的切削厚度从点A 到点B,由0增加到最大切削厚度,然后又逐渐减少到点C的0。后续刃口在点A'切入材料,在点C'切出材料。因此,刃口最终创建的加工面就是A-A'和C-C',随着刀具的移动,其余部分随后也被切削。如果玻璃的切削厚度在1µm以下,就会与金属一样生成切屑,在不发生脆性龟裂的情况下实现材料的去除。因此,将A-A', C-C'的切削厚度保持在1µm以下,可使加工表面不受到脆性损伤。在实际加工过程中,由于主轴的振动及刀具弯曲的影响,并不能得到如图所示的理想切削轨迹。在刃口切入部位和切出部位附近,加工表面的创建机理也存在同样的情况。因此,要设定适当的主轴转速和进给速度,才能实现对玻璃的塑性加工。
用球头立铣刀加工时,图1所示切削刃轨迹的旋转半径随着刀具轴方向高度的提升而增大。因此,根据上述机理,从沟槽底部到沟槽上部形成加工表面时,即使沿轴向的切深较大,加工表面也不会发生脆性损伤。但是,刃口底部的旋转半径过小,切削速度很低。因此,为了提高切削性能,需要如图2所示那样,将刀具向进给方向倾斜一定角度,以保持一定的切削速度来进行加工。

切削特性

选用光学显微镜中观察标本所用的载物玻璃片(材料为无铅玻璃,成分为:72%Si02, 18%K2CO2, 10%CaCO2)进行切削试验,观察球头立铣刀在加工过程中所呈现出的特性。图3为切削试验的例子。为了达到如图2所示的切削模式,将由无刷电机驱动的精密主轴朝刀具进给方向倾斜45°。在切削试验中,采用了在加工中心主轴头上安装工具系统夹持刀具的惯用方法,并将刀具倾斜。如图4所示,试验所用切削刀具为直径4mm、球头曲率半径为0.2mm的硬质合金球头立铣刀,刀具表面涂覆有TiAlN涂层。图5所示为刀具前刀面与刃口断面的放大图。为了给刃口提供充足的切削液,需将玻璃工件放置在桌上的水槽内,在水中进行切削加工。
图6所示为在转速800r/min、进给速度0.06mm/min、切深18µm的加工条件下,采用干式切削和水中切削方式加工出的光学玻璃表面情况对比。刀具由下方进给至上方,刃口从左侧切入,右侧切出。结果显示,干式切削的加工表面质量比湿式切削效果差,在沟槽部可以观测到脆性损伤,且切削面不完整,沟槽宽度不稳定。与上述试验所用的玻璃材质不同,对经过磨削加工的石英玻璃干燥后的试验片和水浸后的试验片的维氏硬度进行了比较。图7为在韦布尔概率纸上的比较曲线。结果表明,玻璃在附着水分后,与干燥时相比,机械强度有所降低。由此可认为,在水中进行切削时,由于玻璃的机械性强度降低,因而可以提高切削性。

(a)干式切削(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b)湿式切削(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 切削液对加工表面的影响
图8为球头立铣刀以0°倾角(未倾斜)和沿进给方向的45°倾角加工光学玻璃后(切削条件:转速2000m/min, 切深0.018mm, 进给速度0.48mm/min;湿式切削),二者加工表面质量的对比结果。相比之下,后者可获得更好的加工效果。图9为球头立铣刀倾斜切削光学玻璃时的切削力波形图(切削条件:转速80000mm/min,切深0.020mm, 进给速度0.48mm/min;湿式切削)。刀具所受的各切削分力见图2。如果使用双刃球头立铣刀进行不倾斜加工,一个刀刃从材料中切出时,另一个刀刃就开始切入材料。但是,如果将刀具倾斜,在切深小于刀具半径的情况下,就会存在切削力为零的情况,即两个刀刃均未进行加工,材料与刀具没有接触,此时刀具就会冷却。此外,由于实际切削时间较短,因此切削热传入刀具的时间也较短。如将刀具倾斜,虽然刃口的切削面积增大,但因切削时间变短,冷却时间增加,因此仍然能够抑制刀具温度上升。

(a)刀具倾斜角为0°(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b)刀具倾斜角为45°(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图8 刀具倾角对加工表面质量的影响
图10为主轴转速对光学玻璃表面加工质量影响的对比结果(切削条件:切深0.O18mm,每齿进给量12mm/齿;湿式切削)。可以看出,当转速增加时,刃口切出(脱离工件材料)部位容易发生脆性损伤,且在40000r/min和80000r/min转速下还可看到切屑粘着现象。图11为在各转速下进行50mm切削加工时刀具磨损情况的比较。可以看出,在40000r/min和80000r/min转速下,刀具磨损严重,刃口形状发生了变化。而在2000r/min转速下,刀具磨损较小,刃口形状稳定。

(a) 20000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 40000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(c) 80000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(a) 20000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 40000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(c) 80000r/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图10 主轴转速对加工表面质量的影响图11 主轴转速对刀具磨损程度的影响

(a) 进给速度0.48mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 进给速度0.96mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(c) 进给速度1.44mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(d) 进给速度1.92mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图12 进给速度对加工表面质量的影响

图14 加工表面粗糙度与进给速度的关系

图16 用球头立铣刀加工光学玻璃直涌沟槽

(a) 进给速度0.06mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 进给速度0.12mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图17 深度为200µm的直角沟槽加工
图12为在20000r/min转速下,切深为20µm时,采用不同进给速度湿切光学玻璃时获得的加工表面。图中,左侧为切削厚度增加的上切式切削模式,右侧为切削厚度减小的下切式切削模式。可以看出,当进给速度增加后,沟槽右侧的脆性损伤面积扩大。图13是在与图12b相同的切削条件下,用FIB切断顺铣一侧和逆铣一侧的加工表面,观察到的各自断面情况。在顺铣一侧,没有观察到龟裂现象,加工表面情况良好;而在逆铣一侧,表层数微米深度范围以内,可以看到沿切削方向有扩展的裂纹。因此,用立铣刀对玻璃进行沟槽加工时,采用切削厚度减少的逆铣切削模式容易发生脆性损伤。

(a) 顺铣一侧(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 逆铣一侧(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图13 加工表面的断面情况
图14是在各种进给速度下,光学玻璃加工表面粗糙度的变化清况(切削条件:转速20000r/min,切深0.o18mm;湿式切削)。可见,进给速度越小,表面粗糙度越好。但是,当进给速度小于0.24mm/min时,加工表面质量则恶化。图15是在进给速度分别为0.06mm/min 和0.48mm/min时获得的加工表面质量对比(切削条件同图14)。当进给速度为0.06mm/min时,加工表面可以看到大面积的划痕;也就是说,如进给速度过小,因刀具的弯曲会引起漏切,旋转的刃口不能一次性切掉材料,需经过数次切削才能不规则地将材料去除。因此,如进给速度过小,加工效果也不好。

(a) 进给速度0.06mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

(b) 进给速度0.48mm/min(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图15 进给速度对加工表面质量的影响

玻璃立铣加工的应用

图16是对光学玻璃进行深度为20µm(宽度196µm)的纵沟和深度为15µm(宽度1 52µm)的横沟所构成的直角沟槽加工实例。所用刀具为直径为0.4mm和0.5mm的球头立铣刀,主轴转速20000r/min, 进给速度0.48mm/min,湿式切削。制作该产品是为了提高DNA微阵列的检查精度(相当于沟槽加工后剩余面积的10×10个微表面上将附着定量的DNA,多余的DNA将从沟部溢出)。可以看出,切削后的加工表面没有脆性损伤,情况良好。
检查基板所要求的微细沟槽深度一般在100~200µm左右。如果忽略刀具本身弯曲度的话,在轴向高度上就不能按图1所示切削机理来考虑。因此,要设定适当的切削条件,即使是进行一次切削100µm以上的加工,也可以在不损坏玻璃的情况下实现加工。图17是切入深度200µm的加工表面(切削条件:转速20000r/min、切深0.200mm;湿式切削),可以证明上述结论。
以上介绍了玻璃材料的高效立铣加工实例。与一般的金属切削相比,加工玻璃采用的切削进给速度相当低。但是,与像划痕试验的刮削方式等切削加工相比,从可以一次性深切削加工这一点来说,它确实能够实现玻璃的高效加工。
以前没有考虑过能采用立铣刀、以刃口切入切出方式对玻璃材料进行铣削加工,但是,如本文介绍所表明的,只要正确、灵活地采用切削机理,就可以在不损坏玻璃的前提下实现其切削加工。
为了提高玻璃立铣加工的实用性和加工效率,需要注意以下两点:
  1. 合理设计适用于玻璃切削的立铣刀切削刃形状。
  2. 刀具应沿切削进给方向保持倾斜姿态,灵活地进行各种沟型的加工。
对于第一点,2006 与日立工具共同开发了8刃球头立铣刀。对于第二点,在2005~2006年,经济产业省下属单位试制了加工机械,证明了其可行性。今后的课题主要是对刀具材料(尤其是涂层材料)的研究,以求提高刀具的耐磨损性能。
只要有能使刀具倾斜的设施条件,本文介绍的切削方法很容易引入机械加工生产现场,不需要使用其他特殊设备。
本文作者:黄宁秋(译)
原载:《工具展望》2009年第4期
上载于:2011-6-27 13:27:13

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