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微細(xì)切削加工的應(yīng)用
結(jié)構(gòu)和零件的微型化是技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢之一，開發(fā)經(jīng)濟(jì)上可行的微細(xì)加工技術(shù)對于微型技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。目前，產(chǎn)業(yè)化的微細(xì)制造技術(shù)主要用在半導(dǎo)體工業(yè)，它們僅僅對大批量生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)的；在印刷制版術(shù)行業(yè)里使用的微細(xì)制造技術(shù)對所加工的幾何形狀及所能加工的材料又有很大的局限性。與這兩種制造技術(shù)比較，微細(xì)切削加工可以彌補(bǔ)上述的缺點(diǎn)，因此，開發(fā)微細(xì)切削技術(shù)是微細(xì)制造技術(shù)的新領(lǐng)域。
微細(xì)切削加工的*批裝置是美國在60年代末開發(fā)的，主要用于加工光學(xué)件的表面，并由此誕生了超精加工技術(shù)。目前，在光學(xué)、電子和機(jī)械零件加工中達(dá)到了微米和亞微米的精度和幾十個(gè)納米的表面粗糙度。在八十年代末，德國的卡魯斯厄研究中心把微細(xì)切削用于在微型元件的表面上加工微細(xì)的紋理，制造微型熱交換器：它們對一個(gè)圓筒上的銅箔或鋁箔用單晶金剛石制造的刀尖進(jìn)行切槽，zui終做成一個(gè)微型的、效率很高的熱交換器。
直到九十年代，微細(xì)切削主要是用金剛石刀具加工有色金屬零件。隨著微型技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，要求能加工更多樣化的材料，尤其是對鋼和陶瓷的微細(xì)切削，成為微細(xì)切削技術(shù)的發(fā)展方向。
金剛石——近乎理想的切削材料
在超精加工領(lǐng)域，單晶金剛石刀具幾乎是*得到實(shí)用的刀具。金剛石摩擦系數(shù)低，導(dǎo)熱率高，這對切削過程很有利；它還有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸級的鋒利刃口，而制作鋒利的刃口是微細(xì)切削領(lǐng)域中必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)亞微米級的鋒利刃口可以加工出幾納米數(shù)量級的表面粗糙度。鋒利的刃口及很低的摩擦系數(shù)，可大大減小切削力，這有利于微細(xì)切削加工的精度，也降低了對超精加工機(jī)床剛性的要求。
金剛石刀具適合加工鋁、純銅、黃銅以及銅鎳合金等。銅鎳合金有很高的硬度，在加工時(shí)可獲得的表面質(zhì)量。金剛石不適合加工黑色金屬，為了使金剛石能夠加工鋼，正在開發(fā)一些裝置，有一個(gè)裝置效果很好。它把一個(gè)超聲振動疊加在刀具的運(yùn)動上，切削時(shí)使刀具的接觸時(shí)間大大減少，從而降低了切削溫度，抑制了金剛石向石墨的轉(zhuǎn)化。
微細(xì)切削來源于普通切削
微細(xì)切削的知識實(shí)際上是從普通的切削加工中獲得的，包括車、銑、鉆、磨，在個(gè)別情況下，微細(xì)加工也用鋸削或刨削。
目前研究zui多、zui成熟的是超精車削。例如制作壓制菲涅耳透鏡的有色金屬模具或制作表面粗糙度的樣塊。
通過疊加一個(gè)由壓電晶體驅(qū)動的高頻振動到進(jìn)給機(jī)構(gòu)里，在與主軸回轉(zhuǎn)頻率和振動適當(dāng)同步時(shí)，能產(chǎn)生不旋轉(zhuǎn)對稱的加工表面，達(dá)到磨光的鏡面。目前，超精車削的技術(shù)水平已經(jīng)可加工出極微細(xì)的軸徑。
在微細(xì)加工中，銑削也被認(rèn)為是zui柔性的加工方法。用單齒的金剛石圓盤銑刀加工槽與前面所述的在薄膜上車槽比較，可以加工出各種角度交叉的槽。可用于制造壓制光學(xué)柵格結(jié)構(gòu)的模具，如每毫米100線。已商品化的圓盤銑刀zui小寬度約100μm。
用金剛石制造的帶柄銑刀，直徑約300μm，也已經(jīng)商品化。這種銑刀的結(jié)構(gòu)為通用的直槽單齒銑刀，也可制成有端刃的雕刻刀，它特別適合加工只有幾微米厚的隔板。這種槽銑刀的缺點(diǎn)是zui小的槽寬取決于刀具的直徑和裝夾的精度。
鋼是未來微細(xì)切削技術(shù)加工的對象
微細(xì)切削技術(shù)至今還局限于加工硅或非金屬材料，而各種人工合成材料已經(jīng)可用成形工藝進(jìn)行加工(包括硬而脆的和軟而韌的)，因此，下一步對鋼的加工就顯得很有必要。鋼的微細(xì)切削加工研究在德國始于九十年代，至今仍處于研究階段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域在工模具行業(yè)，模具的耐磨性是成形加工經(jīng)濟(jì)性的重要前提，尤其當(dāng)模具的結(jié)構(gòu)有很高的深度——寬度比時(shí)，其材料的抗彎強(qiáng)度對成形加工的可靠性有決定性的意義，有時(shí)甚至關(guān)系到是否能夠成形。
鋼的微細(xì)切削不能用金剛石刀具，主要用硬質(zhì)合金銑刀。硬質(zhì)合金是由很多晶粒組成的燒結(jié)體，其晶粒的大小決定刀刃的微觀鋒利程度。因此，不能加工出像用金剛石刀具所獲得的表面質(zhì)量，但由于價(jià)格低并能加工鋼，因此目前仍然是對鋼進(jìn)行微細(xì)切削的主要刀具。
為了有鋒利的刀刃，通常采用鎢鈷類的超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金。超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具的晶粒尺寸為0.5～1.0μm，其切削刃圓弧半徑為幾微米。
為了開發(fā)鋼的微細(xì)切削技術(shù)，德國卡魯斯厄大學(xué)的機(jī)床和制造技術(shù)學(xué)院首*行了硬質(zhì)合金圓盤銑刀的試驗(yàn)，刀具寬度為0.15mm。用銑刀作十字交叉的切削，工件硬度為52HRC的調(diào)質(zhì)鋼，加工出了高1mm、截面0.2×0.2mm2的一排排作為合成材料或粉末注射材料模具的棱柱。
適合微細(xì)切削的硬質(zhì)合金帶柄銑刀在工業(yè)上已被廣泛采用，有涂層的和不涂層的，zui小直徑為0.1mm，個(gè)別工具制造商可生產(chǎn)直徑為50μm的銑刀。
為避免刀具意外的折斷和提前磨損，在加工像鋼這樣的硬材料時(shí)，要注意加工過程的安全和機(jī)床的平穩(wěn)，所以要求機(jī)床具有足夠的剛性和動態(tài)性能，采用高的切削速度和中等的每齒進(jìn)給量，以保證刀具的切入。
硬質(zhì)合金微型銑刀的制造存在著一些難題，即除了要在不均質(zhì)的刀具材料上加工出鋒利的刃口外，還要對直徑為零點(diǎn)幾毫米的銑刀進(jìn)行磨削，使之承受磨削力的作用，為解決這一難題，可選擇一種不產(chǎn)生切削力的加工方法(如激光加工)。用銑削的方法可加工出形狀復(fù)雜的表面，也可加工用工具鋼制造的100μm以下的零件，如在硬度為55HRC的模具鋼上直接銑制加工一個(gè)微型汽車(1：160)的輪殼模具，其表面粗糙度達(dá)RZ=0.5μm，成形表面達(dá)鏡面光潔度，注射成形后的零件不必再進(jìn)行后續(xù)加工。
磨削是專門用于硬而脆的材料的加工，使微型元件能用玻璃、陶瓷、硅或硬質(zhì)合金制造。目前用于硅片切割的零點(diǎn)幾毫米寬的砂輪已商品化，通常用經(jīng)鍍鎳或鉻的金剛石磨料作砂輪的材料，zui近還開發(fā)了CVD涂覆金剛石的硬質(zhì)合金成形砂輪。與刀具相似，砂輪也有用作成形砂輪的盤狀砂輪和通用性很好的指狀砂輪，后者可加工微細(xì)的任意形狀表面，目前在研究部門使用的指狀砂輪的zui小直徑為50μm。
磨削加工硬而脆的材料
為了在硬而脆的材料 (例如單晶硅)上加工微孔，除了通常用電鍍法制造的直徑為0.9mm、金剛石顆粒為D91μm的微型空心鉆頭外，德國Brauschweig技術(shù)大學(xué)新開發(fā)了同樣直徑的CVD金剛石鉆頭，其金剛石晶粒的尺寸為4μm～8μm。盡管有較大的切削力，用這種新型鉆頭在單晶硅上鉆了55個(gè)盲孔，質(zhì)量全部合格。這種盲孔鉆頭可以在指狀砂輪加工零件的封閉式型腔前鉆引導(dǎo)孔。電鍍的金剛石空心鉆頭較適合在板材上加工通孔，但在試驗(yàn)中，在孔的鉆穿那一面沿著硅的晶軸方向出現(xiàn)了大于100μm的崩刃，在孔的鉆入這一面邊緣也有20μm～150μm的崩刃，這一問題有待進(jìn)一步研究。
結(jié)論和展望
微細(xì)切削是微細(xì)加工工藝的一個(gè)重要延伸，盡管目前微細(xì)切削所能加工出的零件細(xì)節(jié)不及微細(xì)電加工所達(dá)到的程度，但它與激光刻蝕加工等技術(shù)一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結(jié)構(gòu)。
此外，它比基于平板印刷的微細(xì)技術(shù)需要的設(shè)備少，也省去了昂貴的母板制造，總之，零件的微細(xì)切削加工對于經(jīng)濟(jì)地制作中等批量的微型構(gòu)件有很大的優(yōu)勢。