從設計角度分析,微細切削刀具並非傳統刀具在尺度上的簡單縮小,而是基於微細切削特徵和面向具體加工需求的一類特種刀具。現以微細立銑刀和鑽頭為例,說明微細切削刀具的設計要點和原則。微細立銑削的軸向切削深度和微細鑽削的進給量均很小,因此刀具結構可適當簡化。微細立銑刀和鑽頭不一定需要形狀完整的螺旋槽,可以採用單切削刃的結構形式。為保證刀具剛度,應盡量減少切削部分長度,長徑比不宜過大。刀具刃口形狀應比較規則且半徑較小,以減小實際切削時的負前角效應。由於微細立銑刀和鑽頭的直徑較小,容屑槽空間有限,碎狀切屑容易發生堵塞而導致刀具折斷,因此可採用塗層或固體潤滑膜來減小刀具與工件之間的摩擦係數,不僅有利於排屑,而且能提高刀具耐磨性。
5微細切削刀具的製備工藝
微細切削刀具的製備工藝是制約微細切削技術發展的難點之一。精密微細機械磨削和電火花線電極磨削(WEDG)、聚焦離子束濺射(FIB)等特種加工方法是目前主要的微細刀具製備技術。
(1)精密微細磨削工藝磨削工藝是比較成熟的刀具製備和修整方法。微細刀具的精密磨削工藝主要採用金剛石砂輪,能夠實現高速鋼和硬質合金材料的高效成形。該工藝的要點是:為防止小直徑刀具折斷,應合理確定刃磨時的磨削壓力。通過對砂輪施加振動,可以顯著減小磨削力和最小成形直徑。精密微細磨削工藝在一定程度上可以滿足微細切削刀具的製備要求,但受磨削力的影響,能夠穩定獲得的刀具最小直徑受到局限。另外,刃磨工藝容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷,將直接影響加工表面質量和精度水平;磨削熱應力容易引起刀具表層微觀結構的變化;微細立銑刀的同心度和直徑偏離等製造誤差有可能大於微細切削的單齒進給量,成形精度有待提高。
(2)電火花線電極磨削工藝電火花線電極磨削(WEDG)工藝的材料蝕除機理與普通電火花加工相同,電極和工件的運動原理為:線狀電極在導向器上連續移動,導向器沿工件徑向作微進給,而工件隨主軸旋轉的同時作軸向進給。該運動方式的主要優點是:線電極與工件之間為點接觸,容易實現微能放電;線電極始終沿導向器勻速運動,可以忽略線電極損耗對加工精度的影響。通過控制工件的旋轉與分度,配合軸向的精密進給控制,WEDG工藝可以加工圓柱、圓錐、稜柱、螺旋槽、平面等多種截面形狀。該方法的主要優點是:刀具成形過程中無機械力作用,成形的尺寸精度和形狀精度較高,為微細刀具製備提供了一種有效方法。
(3)聚焦離子束濺射工藝聚焦離子束濺射工藝是一種顯微加工技術,同樣可以用於微細刀具的製備,其基本原理為:選擇原子量較大的液態金屬鎵(原子量為69.72,其原子質量遠遠大於電子的質量)作為離子源,在離子柱頂端施加高密度的電,形成數十keV的高能離子束,通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點,然後控制聚焦后的鎵離子束對工件進行轟擊,將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子,產生濺射效應從而實現材料的去除。通常每個入射鎵離子可以去除3~5個工件原子,可以精確控制材料的去除量。利用聚焦離子束濺射工藝,可以對硬質合金、高速鋼、單晶金剛石等材料進行顯微加工。與精密磨削相比,基於聚焦離子束濺射的刀具成形過程沒有機械力的作用,刀具在製造過程中不會破損,能夠製備出具有極小特徵尺寸的微細刀具。
(4)激光加工工藝為了克服聚焦離子束濺射工藝成形效率較低的問題,德國卡爾斯魯厄大學對採用激光加工工藝進行微細刀具製備進行了探索。該工藝同樣無機械力作用,加工過程中無振動,刀具不產生變形,加工成本較低。目前存在的問題是成形表面較粗糙,加工表面質量有待提高。
6結語
微細切削對於由金屬材料構成的微小型結構及零件的製造具有一系列原理優勢,是微製造技術的重要發展方向之一。微細切削刀具是實施微細切削的必要條件,直接決定了微細切削技術的應用水平。因此,微細切削刀具技術的研究和開發具有十分重要的工程應用價值。隨著微細切削加工機理、刀具材料和刀具製備工藝等相關理論和技術的發展,微細切削刀具的實用化程度必將不斷提高,並成為推動微細切削髮展的重要基礎技術。