位于美國新墨西哥州的圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)對(duì)尺寸僅為10µm和20µm的微型車刀和銑刀進(jìn)行了切削實(shí)驗(yàn)與研究。 .zdmUS:  
d 4
;   
雖然“微加工(micro machining)”這一術(shù)語可用于表示在極小尺度范圍內(nèi)完成的各種加工操作，但圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員卻避免將他們進(jìn)行的微小尺度車削和銑削加工稱為“微加工”。他們認(rèn)為，在“加工”一詞前面冠以“微(micro)”的前綴，則表示用該加工方法可加工出尺寸小至1µm的工件形貌，而該實(shí)驗(yàn)室目前還做不到這一點(diǎn)——至少在車削和銑削加工上還達(dá)不到這一水平，目前他們研制的微型刀具能夠加工出的工件形貌尺寸最小可達(dá)到25µm。換句話說，雖然他們已達(dá)到的加工尺度水平還不能稱為“微加工”，但已比幾乎任何其它金屬切削加工車間都更接近“微加工”的目標(biāo)。圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員將這種尺度水平的加工稱為“亞微加工(meso-machining)”。 p"NuR4  
Dr#V^"Dte  
亞微加工所用的微型銑刀和微型車刀是采用聚焦離子束對(duì)硬質(zhì)合金和高速鋼刀坯材料進(jìn)行雕蝕加工而成。用該方法制造的微型立銑刀的直徑可小至約20µm；微型車刀的寬度可小至約10µm。這種微型刀具是實(shí)現(xiàn)亞微加工所必不可少的關(guān)鍵工藝因素，因?yàn)槟壳霸跈C(jī)床上使用這種微型刀具的適用加工技術(shù)已基本成熟。在圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室，雖然仍然需要全力開發(fā)亞微切削實(shí)驗(yàn)所用的微型刀具，但實(shí)驗(yàn)所用加工機(jī)床已完全具備了使用微型刀具的技術(shù)條件。研究人員利用市場上機(jī)床供貨商提供的精密加工機(jī)床，即可有效地使用微型刀具進(jìn)行亞微切削加工。 l{3ZN"`I  
.1""U ']  
美國開展亞微加工研究的一個(gè)主要原因與核武器有關(guān)。美國現(xiàn)存核武器上的某些零件需要經(jīng)常更換，并且需要對(duì)這些零件的結(jié)構(gòu)形貌不斷進(jìn)行改進(jìn)。但是，因?yàn)楹宋淦魃系母鱾�(gè)零件與周圍其它零件之間都有不允許改變的裝配關(guān)系，所以每一個(gè)零件的尺寸和外形都必須保持固定不變。因此，為了在零件上增加新的結(jié)構(gòu)形貌，惟一的途徑就是將更多結(jié)構(gòu)微縮于現(xiàn)有空間之中，而亞微加工可以成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種有效手段。 w8-L2)Q}I  
rGSi !q  
圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室通過大量實(shí)驗(yàn)研究，已可在包括鋁、黃銅、4340鋼等材料上成功地銑削出寬度20～30µm的槽，典型切削深度為1µm。該實(shí)驗(yàn)室用一把φ22µm硬質(zhì)合金雙刃立銑刀進(jìn)行的切削實(shí)驗(yàn)表明，在切深1µm、轉(zhuǎn)速18000r/min的切削條件下加工鋁件時(shí)，微型立銑刀能以最大至50mm/min的進(jìn)給率進(jìn)行有效切削，刀具銑削時(shí)間超過6小時(shí)以上，且在整個(gè)進(jìn)給率變化范圍內(nèi)未發(fā)生刀具破損現(xiàn)象。 /.m}y$@GV  
*zDL
5 9  
微型車刀的切削可靠性也已得到證實(shí)。典型的切削實(shí)驗(yàn)表明，一把寬度為13µm的微型車刀能夠在全長200mm的鋁件上切出深度為4µm的螺旋槽。 }ev+WIERQV  
5R#:ALwX:  
微型車刀的幾何形狀與常規(guī)尺寸車刀類似，而微型銑刀的幾何形狀則與常規(guī)尺寸銑刀有所不同。由于用聚焦離子束對(duì)微型銑刀進(jìn)行成形加工時(shí)，難以加工出典型的標(biāo)準(zhǔn)立銑刀帶有容屑槽的復(fù)雜幾何形狀，因此，亞微加工用微型立銑刀的刀體剖面幾何形狀較為簡單。 {?uswbk.  
Qlhm:[  
微型刀具的切削機(jī)理與常規(guī)尺寸刀具基本相同，可看作是常規(guī)刀具切削的“微縮版”。用光學(xué)顯微鏡對(duì)亞微銑削過程的觀測表明，切屑可從銑刀附近快速排出。此外，用電子顯微鏡觀測表明，銑削工件表面同樣出現(xiàn)了切削刀痕。對(duì)亞微車削的觀測結(jié)果也清楚地表明，與常規(guī)尺寸車刀加工的常見現(xiàn)象一樣，用亞微車刀切削后，也經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)刀具上粘附有長條形切屑。 pR~"p#Y  
?D=%k8)Y  
上述亞微銑削實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)上世紀(jì)九十年代購進(jìn)的Boston Digital加工中心上進(jìn)行的。該機(jī)床的位移分辨率達(dá)到1µm，因此可以利用在手動(dòng)銑床加工中常用的“觸發(fā)(touching off)”對(duì)刀方式來實(shí)現(xiàn)微型銑刀相對(duì)于工件的定位。研究人員采用手動(dòng)方式，以每次1µm的步距持續(xù)緩慢地微動(dòng)進(jìn)刀，直至通過顯微鏡觀察到出現(xiàn)了一點(diǎn)切屑，即表明此時(shí)銑刀已剛好與工件接觸。 V5d|Lpm  
; 5!8LmZ0#  
最近，圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室又在一臺(tái)Willemin-Macodel公司的精密加工中心上進(jìn)行了亞微銑削的實(shí)驗(yàn)研究。亞微車削實(shí)驗(yàn)則是在一臺(tái)Moore Tool公司的金剛石車床上進(jìn)行的(雖然使用的微型車刀材料并不是金剛石)。該實(shí)驗(yàn)室還在Agie公司的線切割機(jī)和電火花成形機(jī)上進(jìn)行了亞微放電加工(EDM)的實(shí)驗(yàn)研究。此外，亞微激光加工也是該實(shí)驗(yàn)室亞微加工研究的另一重要領(lǐng)域。 S2 YxA  
h&IF?h  
目前，亞微車削比亞微銑削更具實(shí)用性。對(duì)于亞微銑削而言，制約其應(yīng)用的因素除了亞微刀具制造工藝難以復(fù)制出傳統(tǒng)立銑刀的復(fù)雜幾何形狀外，另一個(gè)原因是很難將安裝在刀夾中的微型銑刀的徑向跳動(dòng)減小至一把直徑僅20µm的刀具可以容許的誤差范圍內(nèi)。另一個(gè)問題是目前對(duì)亞微銑削的需求還不多。圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的用戶迄今提出的研制要求是需要直徑小于130µm的銑刀。對(duì)于某些工件形貌，例如微型外齒輪的輪齒，實(shí)驗(yàn)室趨向于采用線切割機(jī)進(jìn)行放電加工(EDM)。不過，如果需要加工微型內(nèi)齒輪的輪齒，則可能需要采用亞微銑削。 D+Z,;X
Z  
nZkMyRk  
雖然存在上述問題，對(duì)各種亞微加工方法(包括亞微銑削)的實(shí)驗(yàn)研究仍在繼續(xù)進(jìn)行。為了避免因銑刀夾持及與此相關(guān)的銑刀徑跳引起的問題，圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室正在對(duì)一種可帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)而不需要刀具夾頭的專用主軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種由佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)的主軸轉(zhuǎn)速可高達(dá)500000r/min。 $b"Ex>  
2}#VB;B  
影響亞微切削加工的另一個(gè)常見問題是使用亞微刀具需要較高的專業(yè)知識(shí)水平。亞微切削加工與常規(guī)切削加工的要求不同。在常規(guī)切削中，刀具、工件和加工程序可在不同的機(jī)床之間替換使用；而亞微切削則要求操作者必須了解在不同的加工環(huán)境下微小誤差的疊加規(guī)律有何不同，以及選擇的特定切削參數(shù)(如切削速度、進(jìn)給率等)是如何影響特定機(jī)床的加工精度的。要成為一個(gè)熟練的亞微切削操作者，可能需要好多個(gè)月的時(shí)間不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐，以正確掌握亞微切削的技術(shù)知識(shí)和操作要領(lǐng)。這種較高的技術(shù)要求大大限制了亞微切削技術(shù)的推廣應(yīng)用。即使在圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的五、六十名技術(shù)精湛的機(jī)械技師中，也只有少數(shù)幾人能夠熟練掌握此項(xiàng)操作技術(shù)。 6E:5w9_=c  
izr 3{y5  
亞微加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可總結(jié)如下： uulzJb
V,K  
L(kW]  
1) 聚焦離子束工藝(用于制造亞微刀具)：可加工最小形貌尺寸：200nm，公差20nm；材料去除率：0.5µm3/sec；可加工材料：任何材料。 !Y]%U @4}  
jD_B&MQz  
2) 亞微銑削、亞微車削：可加工最小形貌尺寸：25µm(車削可達(dá)10µm)，公差2µm；材料去除率：10400µm3/sec；可加工材料：鋁，黃銅，低碳鋼，PMMA塑料。 #0/^v*  
~ouRDO  
3) 亞微放電加工(EDM)：可加工最小形貌尺寸：25µm，公差3µm；材料去除率：25×106µm3/sec；可加工材料：導(dǎo)電材料。