王建平,沈宇峰
(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410124)
隨著精密制造業(yè)的不斷發(fā)展,其發(fā)展方向主要集中在大型高精尖的裝備制造和微細(xì)化的精密制造[1]。由于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、電子和精密儀器等領(lǐng)域?qū)η鎻?fù)雜程度高的精密微型零件的迫切需求[2],微細(xì)化的精密制造顯示出了較為廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)前,微型零件的制造主要依靠機(jī)械加工和光刻加工,其中光刻加工主要加工一些二維及準(zhǔn)三維零件,無法靈活實(shí)現(xiàn)三維加工,相比之下,微細(xì)銑削可以靈活實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜微型金屬及非金屬零件的加工,已成為當(dāng)前微型零件的主要加工方式[3-4]。因此,微細(xì)銑削技術(shù)已成為當(dāng)前國內(nèi)外精密制造領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容之一。如何研制出加工精度高的微細(xì)切削機(jī)床、提高微銑削加工表面質(zhì)量、減少刀具磨損等是擺在我們面前的重要課題。本文從微細(xì)銑削技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用、微細(xì)銑削加工機(jī)理、微細(xì)銑削加工機(jī)床與刀具技術(shù)等方面對微細(xì)銑削的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與分析,并對其發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測,以期為微細(xì)銑削加工技術(shù)的發(fā)展提供參考性建議。
對于微細(xì)銑削,目前沒有統(tǒng)一的定義。丁許認(rèn)為微銑削中的“微”為“非常小且難加工”[5]。陳啟迪等認(rèn)為微銑削是微小零件的銑削加工、較大型零件上的微細(xì)復(fù)雜加工和大型零件上精密光滑表面的加工[6]。比較公認(rèn)的一種定義是,采用1 mm以下的微銑刀對100 μm~10 mm的零件進(jìn)行的加工,其加工特征尺寸為10 μm~1 mm[7]。
微細(xì)銑削加工技術(shù)并不是簡單的在宏觀銑削加工上將待加工的零件和刀具的尺寸減小,而是將加工特征微細(xì)化而進(jìn)行的加工技術(shù),其加工機(jī)理也有明顯的不同:是將微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)和宏觀的機(jī)械加工技術(shù)緊密連接起來的一種加工技術(shù)[8-9]。
與傳統(tǒng)銑削加工技術(shù)相比,微細(xì)銑削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面[10-14]。
1)加工材料范圍廣。
微細(xì)銑削的機(jī)理是在銑削刀具所施加的力的作用下,切屑以微米級的厚度從工件表面分離。其特征在于只要銑削的刀具材料有足夠的強(qiáng)度和硬度,在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提下即可進(jìn)行微細(xì)銑削加工?;诖?只要是與刀具不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料均可加工(包括一些難加工材料),例如不銹鋼、碳素鋼、黃銅、鈦合金、鋁合金、鎳基合金、鎢合金等多種材料,因而其加工材料的范圍較廣。
2)三維銑削能力強(qiáng)。
微細(xì)銑削不僅能在橫向加工面上銑削出平面輪廓,還可以沿零件的縱深方向進(jìn)行較大范圍的加工,適合加工長徑比或深寬比較大的微小零件,三維銑削能力強(qiáng)。例如,Y. Bang等[15]在黃銅材料上通過微細(xì)銑削加工出長徑比高達(dá)10.6的30 μm×30 μm×320 μm的微型柱狀結(jié)構(gòu)。
3)加工特征尺寸小。
加工特征尺寸是衡量微細(xì)銑削加工能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。隨著機(jī)床定位精度水平的提高和銑削刀具最小尺寸的減小,微細(xì)銑削的加工特征尺寸可達(dá)數(shù)十納米,有助于零件向更微細(xì)化的方向發(fā)展。
4)材料去除率高。
與微細(xì)電火花加工、準(zhǔn)分子激光加工和微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)相比,微細(xì)銑削加工的材料去除率高,且無需專業(yè)的加工模具,加工成本低,可在一定程度上擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。FANUC公司采用微銑削技術(shù)可在5 min內(nèi)完成一個(gè)開度角為3°、溝槽跨度為35 μm高深寬比梯形溝槽的加工,若采用激光加工技術(shù)至少需10 min以上。
5)加工精度高。
微細(xì)銑削加工大部分都是在超精密機(jī)床上完成零件的加工,因而其表面粗糙度可達(dá)數(shù)十納米級,其形狀精度可達(dá)數(shù)十微米級。此外,由于被加工的材料都是直接去除并且由于被加工材料是直接去除,工藝鏈較短,加工誤差的累計(jì)和傳遞也相應(yīng)的減少了,使得其具有較高的加工精度和重復(fù)加工精度,適合單間和批量零件的生產(chǎn)。德國的J. Schmidt等[16]利用微細(xì)銑削在1 h內(nèi)完成微車輪加工,獲得了較好的精度(0.01 mm)及合適的表面粗糙度。
6)應(yīng)用范圍廣。
微細(xì)銑削加工不僅在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用,而且微細(xì)銑削加工是實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。
微細(xì)銑削機(jī)理是微細(xì)銑削技術(shù)的核心和基礎(chǔ),在整個(gè)微細(xì)銑削體系中起指導(dǎo)作用。微細(xì)銑削加工是在宏觀銑削加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,都是利用刀具與工件之間的相對運(yùn)動將材料從工件上去除,但由于刀具、工件的尺寸大幅減小,微細(xì)銑削加工具有不同于傳統(tǒng)銑削加工的特點(diǎn),其中最大的區(qū)別就是存在的尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)是指在銑削過程中,隨著銑削厚度的減小,形成切屑所需要的單位切削力非線性增加,并且隨著切削厚度的減小,單位切削力反而越大。尺寸效應(yīng)在所有的微細(xì)銑削過程中都是一樣的,主要受未變形切屑厚度、加工件的結(jié)構(gòu)和刀具的幾何形狀影響。微細(xì)銑削中,最大未變形的切削厚度比切削刃的半徑還小,這就使得微細(xì)銑削在刀具的負(fù)前角下進(jìn)行(見圖1)。當(dāng)前對尺寸效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理缺乏統(tǒng)一的解釋,許多研究人員進(jìn)行了不同的研究。S. S. Joshi等[17]應(yīng)用應(yīng)變梯度塑性理論解釋在加工過程中第一變形區(qū)所產(chǎn)生的尺寸效應(yīng),建立了基于平行邊剪切區(qū)模型的評價(jià)應(yīng)變梯度、第一變形區(qū)的材料剪切強(qiáng)度和單位剪切強(qiáng)度等對象的模型。Liu K等[18]研究了第二剪切區(qū)的情況,研究表明,在第二剪切區(qū)產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的主要原因是溫度隨著未變形切屑厚度的減小而降低。
圖1 微細(xì)銑削中的尺寸效應(yīng)
微細(xì)銑削力學(xué)模型是微細(xì)銑削機(jī)理研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的宏觀切削力模型都是在一定假設(shè)基礎(chǔ)上形成的,并沒有考慮微細(xì)切削過程中刃口區(qū)域的剪切力和耕犁力,因而不能直接適用于微銑削力的預(yù)測。現(xiàn)有的微銑削力學(xué)模型也是在現(xiàn)有的宏觀切削力模型基礎(chǔ)上,從切屑厚度的角度出發(fā),應(yīng)用能量法估算出切削力。Bao W Y等[19]在普通銑削力模型的基礎(chǔ)上,假設(shè)切向力與切削面積、徑向力成正比,建立了微細(xì)端銑過程切削力模型,運(yùn)用該模型計(jì)算出了微細(xì)銑削過程中切屑厚度的變化,但該模型忽視了刀具刃口參數(shù)的影響。M. P. Vogler等[20]考慮了刀具刃口鈍圓、切屑變形系數(shù)、等效前角的影響,也建立了一個(gè)微細(xì)端銑切削力模型,精準(zhǔn)預(yù)測了刀具鈍圓半徑對切削力的影響。S. Venkatachalam等[21]對微細(xì)切削中刃口區(qū)域的耕犁力和滑擦力進(jìn)行了研究,并對二者進(jìn)行了區(qū)分。M. Malekian等[22]綜合考慮了耕犁、彈性回復(fù)、刀具跳動等多個(gè)方面對力學(xué)模型的影響,建立了更加完備的力學(xué)模型。張衛(wèi)鋒等[23]通過實(shí)驗(yàn)的方法建立了微細(xì)銑削力的模型。
有限元仿真在研究微細(xì)銑削機(jī)理方面發(fā)揮出了重要的作用。M. Nasr等[24]利用有限元仿真對微細(xì)切削中的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究,其研究表明,當(dāng)切削深度小于刃口半徑時(shí),刃口切削區(qū)域的靜壓應(yīng)力很高,材料的去除過程為拉伸斷裂,而非剪切。Liu K等[25]利用有限元仿真建立了基于應(yīng)變梯度塑性理論的正交微細(xì)切削模型,其研究結(jié)果表明,尺寸效應(yīng)會使切削比能產(chǎn)生非線性增長。張翔采用有限元仿真方法對D型(即半圓形)、三角形和普通螺旋形微細(xì)銑刀進(jìn)行了優(yōu)化,仿真結(jié)果表明,D型刀具剛性最好[26]。T. Pratap等[27]利用有限元方法對鈦合金Ti-6Al-4V的微細(xì)銑削過程進(jìn)行了仿真分析,建立了一個(gè)考慮應(yīng)力、應(yīng)變速率及溫度的銑削力模型。Jin X等[28]利用有限元方法在考慮切屑尺寸和切削刃鈍圓半徑對于銑削力的影響的基礎(chǔ)上,建立了銑削力模型,并對銑削力系數(shù)進(jìn)行估算。
微細(xì)銑削加工機(jī)床作為微細(xì)銑削加工的基礎(chǔ)核心設(shè)備,主要包括高速精密主軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高效冷卻系統(tǒng)、精密進(jìn)給系統(tǒng)、刀具及工件夾持系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)等。微銑削加工并不一定都是在微細(xì)加工機(jī)床上加工的,也可以在普通超精密微銑削機(jī)床上進(jìn)行微細(xì)尺寸的加工。超精密微銑削機(jī)床剛度好、振動小且可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的驅(qū)動加工,但其尺寸較大,對加工周圍的環(huán)境要求較高,對應(yīng)的微小零件的加工成本也較高。為此,研究人員研究開發(fā)微小型機(jī)床來完成微小零件的加工。微小型機(jī)床體積小,可有效減小空間的利用率,在一定程度上節(jié)省了原材料,且其固有頻率應(yīng)高于普通機(jī)床,從而微小型機(jī)床可以在主軸轉(zhuǎn)速較寬的范圍內(nèi)穩(wěn)定使用而不發(fā)生共振。
1996年,日本研制出了世界上第一臺微細(xì)銑床[29],在這以后的20多年的時(shí)間,微細(xì)加工機(jī)床才有了一定程度的發(fā)展。此后不久的時(shí)間里,MEL成功研制出了世界上第一臺32 mm×25 mm×30.5 mm的微型車床模型,其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)10 000 r/min[30]。1999年,日本國家先進(jìn)工業(yè)學(xué)會又成功研制了一臺微型數(shù)控機(jī)床,其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)200 000 r/min,工作臺的進(jìn)給速度也達(dá)到了50 mm/s,該機(jī)床的整體技術(shù)水平得到了較大的突破。與此同時(shí),美國麻省理工學(xué)院與北卡羅來納州立大學(xué)共同研制了一臺六自由度的超精密微細(xì)運(yùn)動平臺,為今后微型機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[31]。
國內(nèi)在微型化機(jī)床的研制方面起步較晚,與國外存在一定的差距。2005年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了國內(nèi)第一臺微型銑床[32],外形幾何尺寸為300 mm×150 mm×165 mm,機(jī)床本身為三軸聯(lián)動臥式機(jī)床,采用先進(jìn)的空氣渦輪主軸和PMAC運(yùn)動控制卡,其主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)150 000 r/min,功率僅為21 W,該機(jī)床的成功研制為我國的微型機(jī)床的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2006年上海交通大學(xué)研發(fā)了一臺臥式三軸聯(lián)動的微細(xì)數(shù)控銑床,其幾何尺寸為270 mm×190 mm×220 mm,最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了120 000 r/min,定位精度為1.62 μm[33]。2008年南京航空航天大學(xué)成功研制出了一臺龍門式微型銑床,直線伺服電機(jī)驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)精密的銑削加工。2009年,北京航空航天大學(xué)成功研制出了一臺五軸聯(lián)動的微細(xì)數(shù)控銑床,其床身的幾何尺寸為900 mm×700 mm,采用高精密的滑臺、高精密主軸和高精度的PMAC運(yùn)動控制卡,主軸最高轉(zhuǎn)速為100 000 r/min,X、Y、Z各軸的行程為102 mm[34]。
在微細(xì)銑削中,為實(shí)現(xiàn)精確的材料去除,加工刀具需要極小的刃口圓弧半徑,切削刃口圓弧半徑直接影響已加工工件表面質(zhì)量等。由于加工工藝和刀具材料特性的影響,刃口圓弧半徑不能隨著刀具整體尺寸的減小而相應(yīng)的減小,因而如何將刀具材料晶粒細(xì)化和刀具刃口微細(xì)化一直是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
當(dāng)前,微細(xì)銑削刀具比較理想的材料是單晶金剛石、細(xì)晶粒(晶粒度大小在0.8~1.3 μm之間)和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(晶粒度大小在0.2~0.5 μm之間)[35]。在微小徑銑刀領(lǐng)域中,刀具材料主要以硬質(zhì)合金為主,主要是由許多晶粒構(gòu)成的燒結(jié)體,其中晶粒度大小直接決定了刀具刃口的鋒利程度,為獲得較為鋒利的刀具刃口,普遍采用鎢鈷類的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金,晶粒度大小在0.2~0.5 μm之間,因而切削刀具刃口圓弧半徑可為幾微米,當(dāng)前市場上的微銑刀的直徑已達(dá)到50 μm。
刀具的幾何形狀對微銑削加工的影響也至關(guān)重要。當(dāng)前,微細(xì)銑刀的幾何形狀主要以傳統(tǒng)螺旋立銑刀結(jié)構(gòu)和簡單的多面體結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)前,微細(xì)刀具的制備技術(shù)主要包括精密微細(xì)機(jī)械磨削、激光加工、聚焦離子束濺射加和電火花線電極磨削等技術(shù)手段。D. P. Adams等[36]利用聚焦離子束濺射技術(shù)研制出了直徑為25 μm的立銑刀。
微銑刀具涂層應(yīng)用技術(shù)可以極大地改善刀具的整體性能,這是由于高硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性好的涂層可以有效阻止刀具、工件和切屑間的相互作用,減輕刀具的磨損。涂層按其成分和作用可以劃分為“硬涂層”和“軟涂層”兩種類型,“硬涂層”耐磨性好,硬度高;“軟涂層”的主要作用是減少摩擦,降低加工過程中的切削力和切削溫度。T. Thepsonthi等[37]研究在WC/Co微銑刀上涂立方氮化硼涂層對刀具及加工性能的影響,并采用磨損機(jī)理對涂層刀具的使用壽命進(jìn)行估計(jì),研究結(jié)果表明,涂層刀具可有效改善加工表面粗糙度和刀具的使用壽命。U. Irfan等[38]在微銑削試驗(yàn)中研究了加工鉻鎳鐵合金時(shí)單涂層(DLC、AlTiN和AlCrN)和多涂層(TiAlN+AlCrN和TiAlN+WC/C)的磨損特性。
微細(xì)銑削技術(shù)是傳統(tǒng)銑削加工技術(shù)的延伸,但又不同于傳統(tǒng)銑削,目前國內(nèi)外主要集中在微細(xì)機(jī)床加工設(shè)備、微細(xì)切削機(jī)理、微細(xì)加工過程的檢測與控制技術(shù)等方面的理論研究,也取得了一些研究成果,但總體上還無法滿足生產(chǎn)實(shí)踐需求,有待于進(jìn)一步深入研究。
在微細(xì)銑削機(jī)理的研究中,可以從如下幾個(gè)方面加強(qiáng)微細(xì)銑削機(jī)理的深入研究:1)基于材料尺度效應(yīng)對最小切削厚度的精確計(jì)算;2)建立適用范圍更廣的切削力模型;3)微銑削表面粗糙度和毛刺形成機(jī)理的研究;4)刀具的磨損和使用壽命的監(jiān)控預(yù)測。
微細(xì)銑削精密加工機(jī)床是微細(xì)銑削技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果,雖然我國在微細(xì)銑削機(jī)床技術(shù)方面進(jìn)行了些許研究,但與國外的先進(jìn)技術(shù)相比仍有一定的差距。微細(xì)銑削精密機(jī)床的研究主要包括高精度進(jìn)給單元技術(shù)、高精度主軸單元技術(shù)和高精度CNC系統(tǒng)技術(shù)。
刀具的材料和結(jié)構(gòu)隨著微銑削技術(shù)的發(fā)展需求而發(fā)展。陶瓷刀具在傳統(tǒng)切削領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛,但在微銑削領(lǐng)域的研究還需進(jìn)一步發(fā)展。此外,新型的涂層技術(shù)和涂層材料也需進(jìn)一步發(fā)展。刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向、多功能和專用刀具將是未來的研究方向。
在微銑削過程中,對刀具狀態(tài)和工件表面質(zhì)量的在線監(jiān)測是微銑削技術(shù)的發(fā)展方向。通過在線監(jiān)測刀具振動是否正常、工件表面質(zhì)量是否合格,進(jìn)而反饋調(diào)節(jié)工藝參數(shù)、更換刀具、調(diào)整設(shè)備,保證微銑削高效進(jìn)行。
通過上述研究可以得出如下結(jié)論。
1)微細(xì)銑削已成功應(yīng)用于醫(yī)療、電子、光學(xué)、航空航天等諸多領(lǐng)域,微細(xì)銑削技術(shù)已成為當(dāng)前精密制造領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究內(nèi)容。
2)與其他微細(xì)加工技術(shù)相比,微細(xì)銑削技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在加工材料范圍廣、三維銑削能力強(qiáng)、加工特征尺寸小、材料去除率高和加工精度高等方面。
3)推進(jìn)微細(xì)銑削技術(shù)的發(fā)展主要從如下幾個(gè)方面著手:a.加強(qiáng)微細(xì)銑削機(jī)理的研究;b.加快微細(xì)銑削精密加工機(jī)床的研制;c.開展微銑削刀具材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究;d.開展微銑削過程在線監(jiān)測技術(shù)的研究。