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微細切削是為滿足微小型結構件的加工需求

來源:慧聰機械工業網 日期:2017年2月21日 09:47

  1引言

  微細切削是為滿足微小型結構件的加工需求,在傳統切削基礎上發展起來的一種微制造技術,在微型注塑模具、光學元件、集成電路、計算機外設等多個領域具有廣闊的應用前景。微細切削的基本原理是在精密(或超精密)切削機床上,利用微細切削刀具去除工件上的多余材料,使之成為在形狀、精度和表面質量等方面符合要求的微小型精密零件。

  微細切削技術的發展依賴于微細切削刀具技術的支撐。本文結合微細切削的特征,分析了微細切削對于切削刀具的基本要求,重點介紹了適用于微細切削的刀具材料、刀具設計要點和典型的刀具制備工藝。

  2微細切削刀具的基本特征

  目前應用較多的微細切削方法主要有微細車削、微細立銑削、微細飛切和微細鉆削,使用的微細切削刀具相應為微細車刀、平頭及球頭立銑刀、飛刀和鉆頭。

  受尺度效應的影響,微細切削的刀具磨(破)損、切削力、切削表面形成等加工機理顯著區別于常規尺度切削,刀具所承受的切削抗力、摩擦和沖擊等工況條件更為惡劣。適用于微細切削的刀具應滿足以下基本要求:

  (1)整體尺度小,局部特征尺度微小

  針對微小型系統中廣泛存在的框架、平面、曲面、軸、槽、壁、孔等各類微小型結構,為了適應微細切削加工特征微小、加工精度較高的特點,以及避免與工件之間的干涉,切削刀具的整體尺度和切削部分的特征尺度必須同步減小。

  (2)切削刃鋒利

  在微細切削條件下,為了實現極微量的材料去除,所采用的切削深度和進給量通常在微米級,切削厚度與刀具刃口半徑處于同一數量級,刀具實際前角將表現為較大的負值。刃口半徑對于微細切削性能的影響不容忽視,切削刀具應具有足夠鋒利的切削刃。但是,受刀具材料特性和制造工藝的限制,刃口半徑還不能隨刀具整體尺度的降低而成比例地降低。

  (3)表面質量好

  表面質量對于微細切削刀具的使用性能影響極大。為了獲得良好的微細切削精度和表面質量,微細刀具應具有較高的表面完整性及較小的表面粗糙度和微觀成形缺陷。較差的表面質量不僅會增加微細切削時的摩擦阻力,導致加工表面惡化,而且會削弱刀具強度。

  (4)強度高,抗沖擊能力強

  對于小直徑的微細立銑刀和鉆頭等旋轉刀具,微細切削是在極高的主軸轉速下進行。微細切削刀具的切削部分應具備足夠高的強度和動態特性,能夠承受微細切削時的高頻沖擊負載。

  (5)剛性好,抗變形能力強

  為保證加工精度,微細刀具應具有較高的剛性,以減小切削力作用下的變形和回彈。微細立銑削時,刀具剛性不足引起的軸向和徑向變形是影響加工精度的主要原因;微細鉆削時,鉆頭變形量過大引起的折斷將導致工件報廢。

  (6)耐磨性好,磨損過程均勻

  微細切削刀具的切削部分應具有足夠高的硬度,以保證其耐磨性。用已磨鈍的刀具進行微細切削,不僅影響加工精度,并且會產生明顯的加工毛刺,給表面精整帶來困難。

  (7)動平衡精度高

  微細立銑削時,刀具跳動與進給量的比值明顯大于常規切削。在極高的主軸轉速下,切削刃之間的切削負載極不均衡,切削力波動現象嚴重,將影響切削過程的穩定性和刀具的可靠性。為保證刀尖運動軌跡和加工精度,微細立銑刀、鉆頭等旋轉刀具應具有極高的動平衡精度,使用前必須隨同刀柄系統進行動平衡測試。

  (8)刀具夾持精確可靠

  微細旋轉刀具的安裝誤差是影響加工精度和可靠性的主要因素。刀具夾持系統應具有較高的接觸剛度和重復定位精度,并具有良好的高速鎖緊性。

  3微細切削刀具的材料

  選用先進適用的刀具材料是保證微細切削刀具綜合性能的重要技術手段。單晶金剛石、細晶粒和超細晶粒硬質合金是比較理想的微細切削刀具材料。

  (1)單晶金剛石

  單晶金剛石具有硬度高、彈性模量高、與工件材料摩擦系數低、晶體結構呈單晶等優點,可以拋光加工出極鋒利的切削刃(刃口半徑可小于50~100nm),適合銅、鋁等有色金屬材料的精密微細切削。根據延性域加工機理,通過采用合理的刀具參數和切削工藝參數,利用單晶金剛石刀具可實現硅片、鍺、光學玻璃等脆性材料的延性域微細切削,能夠滿足微小型光學零件的精密加工需求。另一方面,單晶金剛石刀具在微細切削中的應用也受到很大局限,如:與鐵的親和力強,加工鋼時化學磨損嚴重,應用范圍主要局限于非鐵基材料;硬度極高,復雜結構成形困難,只適合制造尺度較大、形狀相對簡單的車刀和飛切刀具,不適合制造帶螺旋槽的微細鉆頭和立銑刀。

  (2)細晶粒和超細晶粒硬質合金

  細晶粒與超細晶粒硬質合金是指晶粒度大小在0.2~1.3μm之間的硬質合金。隨著硬質合金晶粒的細化,硬質相尺寸減小,粘結相分布更加均勻,材料硬度和抗彎強度都得以提高,擴大了硬質合金的應用領域。細晶粒與超細晶粒硬質合金的以下特點較適合制作微細切削刀具:

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  細晶粒組織能減小刀具成形過程的崩刃缺陷,制備出的刀具刃口鋒利,表層顯微組織均勻,幾何參數穩定,尺寸一致性好,有利于實現批量生產。

 ?、谟捕群涂箯潖姸?ldquo;雙高”,彈性模量大

  細晶粒和超細晶粒硬質合金突破了硬度與抗彎強度之間的逆向關系,具有較好的綜合物理特性,如:耐磨性好,經過較長切削行程后,刀具仍能保持較小的刃口半徑和光滑表面;刃口強度高,材料去除順暢,能夠獲得穩定的加工表面質量;斷裂韌性好,微細切削過程中刀具磨損均勻,刀具可靠性好;彈性模量大,制備出的微細刀具剛性好,有利于保證加工精度,尤其是微小孔的位置精度和微小薄壁結構的形狀精度。

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  細晶粒和超細晶粒硬質合金對于各類工程材料的適應能力較強,其突出優勢是可以加工鋼,擴大了微細切削的應用領域?;诩毦Я:统毦ЯS操|合金刀具的高強高硬鋼的微細切削具有廣闊的應用前景。

  4微細切削刀具的設計要點

  從設計角度分析,微細切削刀具并非傳統刀具在尺度上的簡單縮小,而是基于微細切削特征和面向具體加工需求的一類特種刀具。

  現以微細立銑刀和鉆頭為例,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鉆削的進給量均很小,因此刀具結構可適當簡化。微細立銑刀和鉆頭不一定需要形狀完整的螺旋槽,可以采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。

  由于微細立銑刀和鉆頭的直徑較小,容屑槽空間有限,碎狀切屑容易發生堵塞而導致刀具折斷,因此可采用涂層或固體潤滑膜來減小刀具與工件之間的摩擦系數,不僅有利于排屑,而且能提高刀具耐磨性。

  5微細切削刀具的制備工藝

  微細切削刀具的制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制備技術。

  (1)精密微細磨削工藝

  磨削工藝是比較成熟的刀具制備和修整方法。微細刀具的精密磨削工藝主要采用金剛石砂輪,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制備要求,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劃痕和刃口缺陷,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制造誤差有可能大于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、棱柱、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,為微細刀具制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,同樣可以用于微細刀具的制備,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,其原子質量遠遠大于電子的質量)作為離子源,在離子柱頂端施加高密度的電場,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,然后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,基于聚焦離子束濺射的刀具成形過程沒有機械力的作用,刀具在制造過程中不會破損,能夠制備出具有極小特征尺寸的微細刀具。

  (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采用激光加工工藝進行微細刀具制備進行了探索。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

  微細切削對于由金屬材料構成的微小型結構及零件的制造具有一系列原理優勢,是微制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、刀具材料和刀具制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,并成為推動微細切削發展的重要基礎技術。

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