結構和零件的微型化是技術領域的發(fā)展趨勢之一，開發(fā)經(jīng)濟上可行的微細加工技術對于微型技術的發(fā)展具有重要意義。目前，產(chǎn)業(yè)化的微細制造技術主要用在半導體工業(yè)，它們僅僅對大批量生產(chǎn)是經(jīng)濟的；在印刷制版術行業(yè)里使用的微細制造技術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。與這兩種制造技術比較，微細切削加工可以彌補上述的缺點，因此，開發(fā)微細切削技術是微細制造技術的新領域。
微細切削加工的第一批裝置是美國在60年代末開發(fā)的，主要用于加工光學件的表面，并由此誕生了超精加工技術。目前，在光學、電子和機械零件加工中達到了微米和亞微米的精度和幾十個納米的表面粗糙度。在八十年代末，德國的卡魯斯厄研究中心把微細切削用于在微型元件的表面上加工微細的紋理，制造微型熱交換器：它們對一個圓筒上的銅箔或鋁箔用單晶金剛石制造的刀尖進行切槽，最終做成一個微型的、效率很高的熱交換器。 直到九十年代，微細切削主要是用金剛石刀具加工有色金屬零件。隨著微型技術應用領域的不斷擴大，要求能加工更多樣化的材料，尤其是對鋼和陶瓷的微細切削，成為微細切削技術的發(fā)展方向。 金剛石——近乎理想的切削材料 在超精加工領域，單晶金剛石刀具幾乎是唯一得到實用的刀具。金剛石摩擦系數(shù)低，導熱率高，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切削領域中必須解決的關鍵技術。一個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，這有利于微細切削加工的精度，也降低了對超精加工機床剛性的要求。 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，在加工時可獲得極佳的表面質量。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，有一個裝置效果很好。它把一個超聲振動疊加在刀具的運動上，切削時使刀具的接觸時間大大減少，從而降低了切削溫度，抑制了金剛石向石墨的轉化。 微細切削來源于普通切削 微細切削的知識實際上是從普通的切削加工中獲得的，包括車、銑、鉆、磨，在個別情況下，微細加工也用鋸削或刨削。 目前研究最多、最成熟的是超精車削。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。 通過疊加一個由壓電晶體驅動的高頻振動到進給機構里，在與主軸回轉頻率和振動適當同步時，能產(chǎn)生不旋轉對稱的加工表面，達到磨光的鏡面。目前，超精車削的技術水平已經(jīng)可加工出極微細的軸徑。 在微細加工中，銑削也被認為是最柔性的加工方法。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柵格結構的模具，如每毫米100線。已商品化的圓盤銑刀最小寬度約100μm。 用金剛石制造的帶柄銑刀，直徑約300μm，也已經(jīng)商品化。這種銑刀的結構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。這種槽銑刀的缺點是最小的槽寬取決于刀具的直徑和裝夾的精度。
鋼是未來微細切削技術加工的對象 微細切削技術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。其主要應用領域在工模具行業(yè)，模具的耐磨性是成形加工經(jīng)濟性的重要前提，尤其當模具的結構有很高的深度——寬度比時，其材料的抗彎強度對成形加工的可靠性有決定性的意義，有時甚至關系到是否能夠成形。 鋼的微細切削不能用金剛石刀具，主要用硬質合金銑刀。硬質合金是由很多晶粒組成的燒結體，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量，但由于價格低并能加工鋼，因此目前仍然是對鋼進行微細切削的主要刀具。 為了有鋒利的刀刃，通常采用鎢鈷類的超細顆粒硬質合金。超細顆粒硬質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)鋼的微細切削技術，德國卡魯斯厄大學的機床和制造技術學院首先進行了硬質合金圓盤銑刀的試驗，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。 適合微細切削的硬質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，最小直徑為0.1mm，個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，要注意加工過程的安全和機床的平穩(wěn)，所以要求機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給量，以保證刀具的切入。 硬質合金微型銑刀的制造存在著一些難題，即除了要在不均質的刀具材料上加工出鋒利的刃口外，還要對直徑為零點幾毫米的銑刀進行磨削，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微型汽車(1：160)的輪殼模具，其表面粗糙度達RZ=0.5μm，成形表面達鏡面光潔度，注射成形后的零件不必再進行后續(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、硅或硬質合金制造。目前用于硅片切割的零點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，最近還開發(fā)了CVD涂覆金剛石的硬質合金成形砂輪。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，后者可加工微細的任意形狀表面，目前在研究部門使用的指狀砂輪的最小直徑為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技術大學新開發(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個盲孔，質量全部合格。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，這一問題有待進一步研究。
結論和展望 微細切削是微細加工工藝的一個重要延伸，盡管目前微細切削所能加工出的零件細節(jié)不及微細電加工所達到的程度，但它與激光刻蝕加工等技術一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結構。 此外，它比基于平板印刷的微細技術需要的設備少，也省去了昂貴的母板制造，總之，零件的微細切削加工對于經(jīng)濟地制作中等批量的微型構件有很大的優(yōu)勢。 |
