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微径铣刀及微细铣削技术应用

发布日期:2011-12-06 17:00:43 关注次数 [ 0 ] 发表评论 [ 0 ]
[导读]近年来,民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加,对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高。

一、引言

     近年来,民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加,对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高。因此,研究开发经济上可行、能够加工三维几何形状和多样化材料、特征尺寸在微米级到毫米级的精密三维微小零件的微细加工技术具有重要意义。目前,微细切削已成为克服MEMS技术局限性的重要技术,而微细铣削技术因具有高效率、高柔性、能加工复杂三维形状和多种材料的特点,已成为一个非常活跃的研究热点。

二、微径铣刀及其制造技术

(1)制造工艺及刀具性能

    磨削是一种传统的铣刀制造工艺,但对于直径仅为零点几毫米的微径铣刀,要在磨削力作用下,在不均质的刀具材料上磨削加工出锋利的切削刃口,是一件十分困难的事情,这也成为微径铣刀发展的一个技术瓶颈。为此,从理论和实验的角度出发,可以选择一种不产生切削力的加工方法(如激光加工、聚焦离子束加工等)。

    聚焦离子束加工方法从原理上比较适合用于制造微径铣刀。Friedrich和Vasile等人采用聚焦离子束加工技术制作了微径铣刀,最小直径达到22mm。利用微径铣刀和定制的高精度铣床,在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)上加工出了89.5°直壁微槽结构,深度为62mm,槽间肋厚为8mm。Adams等人采用聚焦离子束加工技术制作了一些直径约为25μm的微径铣刀,其轮廓形状有两面体、四面体和六面体,切削刃分为2刃、4刃和6刃,刀具材料为高速钢和硬质合金。用这些刀具分别对铝、黄铜、4340钢和PMMA四种工件材料进行了微细铣削加工。但是,由于使用微径铣刀进行切削加工必须采用小进给量,且刀具磨损剧烈,加工毛刺较大,加工效果至今不能令人满意。

    立铣刀的刀刃几何形状主要有直体、锥体三角形(D-type)、半圆形(D-type)和已商品化的螺旋刃立铣刀四种。Fang等人通过实验和有限元分析,从刀具刚度和加工性能出发,对上述四种立铣刀进行了研究对比。结果表明,锥体D-type立铣刀更适合微细切削加工,并用直径0.1mm的锥体立铣刀成功制作了特征尺寸小于50μm的生物医学零件和特征尺寸小于80μm的微型压花模具。

    但是,从实用角度和应用前景来讲,还是应优先选择商品化的螺旋刃微径立铣刀,很多研究都是针对此类铣刀进行的。目前,直径0.1mm的硬质合金立铣刀在国外已经商品化(在国内,直径0.2mm的立铣刀也已经商品化),直径50μm的立铣刀也开始上市。目前此类铣刀的制造仍需依赖于高性能的工具磨床。

    在欧洲,采用微径立铣刀(最小直径50μm)加工微型塑料组件的注射模具,模具硬度达53HRC,铣削精度<5μm,表面粗糙度Ra<0.2μm。美国开发了专门用于模具和硬型模具加工的新型微径铣刀,能够对石墨、钢等高硬度材料进行高速切削加工(切削速度30m/min,最高达150m/min)。瑞士的研究人员做了一个高速切削硬材料的实验,用直径0.5mm的TiAlN涂层微径铣刀切削316L不锈钢,切削深度0.1mm,切削速度80m/min,主轴转速50000r/min,进给率240mm/min。实验结果表明刀具寿命达8小时(117m)。

(2)刀具材料

    作为刀具材料,金刚石、立方氮化硼、陶瓷等都各有其优点和局限性,而使用最多的是硬质合金材料,目前国外90%以上的车刀和55%以上的铣刀均采用硬质合金。在微径铣刀领域,刀具材料也以硬质合金为主。硬质合金是由很多晶粒组成的烧结体,晶粒的大小决定了刀刃的微观锋利程度,为了获得锋利的刀刃,通常采用钨钴类的超细颗粒硬质合金。目前超细颗粒硬质合金的晶粒尺寸在0.5μm左右,其切削刃圆弧半径为几微米。

    细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发与应用是进一步提高刀具使用可靠性的发展方向,其特点是不断开发刀具材料新牌号,使之更适应被加工材料和切削条件,从而达到提高切削效率的目的。刀具制造商采取“对症下药”的策略,不断开发具有加工针对性的刀具新牌号,如美国肯纳公司仅针对车削加工新推出的牌号就有:加工钢材的KC9110、加工不锈钢的KC9225、加工铸铁的KY1310、加工耐热合金的KC5410、加工淬硬材料的KC5510、加工非铁材料的KY1615等。与原有的老牌号相比,新牌号平均可提高切削效率15%~20%。其次,在新牌号的开发中,更加重视基体与涂层的优化组合,以更好地实现适用性开发的目的。此外,新牌号的开发通常还包括相应刀具槽形和几何参数的改进,以更好适应被加工材料的特性以及不同工序对断屑的要求,并起到降低切削力、减小振动等作用,使切削更加轻快、高效。

(3)刀具涂层

    涂层具有高的硬度、耐磨性和化学稳定性,可以阻止刀具-切屑-工件材料间的相互作用,能起到热屏障作用,减轻刀具的粘着磨损、溶解磨损、表层剥落磨损等,并能有效延缓刀具磨损的出现。因此涂层的应用能极大地改善刀具性能。

     涂层按其成分和作用可分为两大类:一类是“硬”涂层,特点是硬度高,耐磨性好;另一类是“软”涂层,主要作用是减少摩擦,降低切削力和切削温度。涂层按其结构可分为单层涂层、多层涂层、复合涂层、梯度涂层、纳米多层涂层、纳米复合结构涂层等。在选用涂层时,应考虑涂层的厚度、光滑性以及与基体硬质合金的兼容性等问题。

    刀具涂层的发展特点是多样化和系列化。纳米涂层、梯度结构涂层及全新结构、材料涂层的开发与应用为提高刀具的使用性能发挥了重要作用。在层出不穷的涂层新产品中,既有适应高速切削、干切削和硬切削的耐磨、耐热涂层,也有适应断续切削的韧性涂层,还有适用于干切削及需要降低摩擦系数的润滑涂层。金刚石涂层也得到了进一步应用,提高了铝合金等非铁金属和非金属材料的加工效率。多种纳米涂层(包括纳米结晶、纳米层厚和纳米结构涂层)的实用化,使涂层性能得到更大提高。纳米涂层技术的最新成果是开发出TiSiN和CrSiN涂层立铣刀,这两种涂层材料的粒径均为5nm。此外,通过提高涂层表面光洁度,可以提高涂层刀具的抗摩擦、抗粘结能力。

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责任编辑:省模协信息中心
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