微銑加工關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

高成秀，賈振元，盧曉紅

(1.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，蘭州 730050;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

微銑加工關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展*

高成秀1，賈振元2，盧曉紅2

(1.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系，蘭州 730050;2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024)

微銑削加工技術(shù)在精密三維微小零件制造中的應(yīng)用，引發(fā)了微細(xì)制造領(lǐng)域的重大技術(shù)變革，其區(qū)別于MEMS技術(shù)和超精密加工技術(shù)，是利用傳統(tǒng)銑削加工方式并針對微米和中間尺度微小零件進(jìn)行高效率、高精度微細(xì)制造的有效途徑，具有加工材料的多樣性和能實現(xiàn)三維曲面加工的獨特優(yōu)勢。論文通過綜合國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，對微銑床設(shè)備研發(fā)、微銑削表面形貌、表面粗糙度與微毛刺及微銑刀具磨損等進(jìn)行討論，指出微銑削加工相關(guān)技術(shù)研究存在的不足并對該領(lǐng)域的發(fā)展提出自己的觀點。

微銑削;表面粗糙度;毛刺;刀具磨損

0 引言

近年來，產(chǎn)品的小型化已經(jīng)發(fā)展成為一種全球化趨勢，微小零部件在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、國防以及高科技電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，小型化產(chǎn)品的制造技術(shù)主要有電火花、激光束、超聲波、平版印刷、濕法刻蝕和干法刻蝕、LIGA、電化學(xué)、微切削加工等方法［1］。在微切削加工技術(shù)領(lǐng)域中，微銑加工因具有加工材料的多樣性和能實現(xiàn)三維曲面加工的獨特優(yōu)勢［2-3］，受到國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

微銑加工不僅具有傳統(tǒng)加工的一般特點，如大應(yīng)變、高應(yīng)變率以及溫度變化顯著等，還具有介觀尺度加工的一些特征，如尺度效應(yīng)、最小切削厚度及工件材料微觀結(jié)構(gòu)效應(yīng)等。本文通過綜合國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，對微銑床設(shè)備研發(fā)、微銑削表面形貌、表面粗糙度與微毛刺研究及微銑刀具磨損和破損研究等進(jìn)行討論，以期促進(jìn)微銑削加工技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 微銑床設(shè)備研發(fā)

1.1 國外微銑床加工設(shè)備的發(fā)展概況

微銑床是工作母機(jī)，微銑加工的質(zhì)量與效率與微銑床性能息息相關(guān)。自1970Dutta等人提出微小型機(jī)床的概念以來，日本、美國、德國及韓國等發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了微銑床的開發(fā)和微銑削研究，取得了豐碩的成果。

1999年日本國家先進(jìn)工業(yè)科技學(xué)會(AIST)研制了一臺采用高速主軸的桌面尺寸NC銑床［4］，如圖1所示。最高轉(zhuǎn)速200，000 rpm，采用全閉環(huán)數(shù)字控制，分辨率達(dá)到0.1μm。日本 NANO株式會社于2005年研制成功NANOWAVE超小型精密CNC機(jī)床，其加工精度達(dá)到微米級，目前已達(dá)到商品化程度，如圖2 所示［5-6］。

圖1 數(shù)控微細(xì)銑床

圖2 NANOWAVE超小型精密CNC機(jī)床

美國國家科學(xué)基金會［7-8］支持了介觀尺度微細(xì)切削方面的實驗研究，美國伊利諾斯大學(xué)研制了一臺微型銑床［9-10］，高速渦輪驅(qū)動空氣主軸最高轉(zhuǎn)速200000rpm，系統(tǒng)定位精度1μm，并在豎直平臺上安裝了Kistler 9018型三向測力儀以測量切削力，實現(xiàn)了三維特征加工;密西根大學(xué)研制的微加工單元由啟動渦輪機(jī)驅(qū)動，可進(jìn)行三維復(fù)雜曲面加工，主軸回轉(zhuǎn)精度為1μm，定位精度可達(dá)0.51μm，如圖3 所示［11-12］。

德國Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所［13］采用緊湊設(shè)計思想，設(shè)計了高動態(tài)特性和高精度的三坐標(biāo)微型銑床和高精度五坐標(biāo)微型磨床;德國卡爾斯魯厄大學(xué)與奔馳汽車廠合作研制世界上首臺主軸轉(zhuǎn)速為160000rpm的精密微小型銑床，該機(jī)床可加工微小型模具［14］。

圖3 密西根大學(xué)的微加工單元及加工的微小零件

韓國首爾國立大學(xué)研制了一臺五軸微銑床［15-16］，整個系統(tǒng)由3個直線平臺和2個旋轉(zhuǎn)平臺及1個氣動主軸組成，但是每個平臺沒有配置編碼器和位置傳感器，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的加工精度。

1.2 國內(nèi)微銑床加工設(shè)備的發(fā)展概況

從本世紀(jì)開始，我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空精密機(jī)械研究所、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)開始進(jìn)行數(shù)控微銑床的研發(fā)并進(jìn)行了微銑削關(guān)鍵技術(shù)研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所［17］于2005年研制了一臺尺寸為300mm×150mm×165mm的三軸臥式數(shù)控微小型銑床，采用日本NSK小型空氣渦流主軸，通過控制壓縮空氣的壓力調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速140，000rpm，進(jìn)給行程為25mm ×25mm ×30mm。裝備了Kistler三維力傳感器和高分辨率的CCD攝像機(jī)，進(jìn)行了直槽、圓、薄壁和人臉的微銑削加工試驗。

上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室和美國密西根大學(xué)先進(jìn)制造中心吳賢銘等人在分析微銑削成形條件和加工要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計制造了一臺三自由度介觀尺度微型銑床［18］，如圖4所示?？傮w尺寸為270mm×190mm×220mm，加工范圍為30mm×30mm×30mm。其定位精度達(dá)1.62μm，工作行程為30mm，最高轉(zhuǎn)速為120000rpm。

圖4 上海交通大學(xué)研制的微銑床

北京航空航天大學(xué)研制了一臺由精密直線運動平臺、精密轉(zhuǎn)臺、高速電主軸和基于PC的PMAC運動控制卡組成的五坐標(biāo)微銑削機(jī)床［19］，機(jī)床本體尺寸為900mm×700mm×800mm。XYZ各軸的行程為102mm，定位精度 0.5umμm，轉(zhuǎn)速范圍為 2000～40000rpm。

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院和北京航空精密機(jī)械研究所［20］合作開發(fā)的微型數(shù)控銑床(圖5)的本體尺寸為300mm×400mm×500mm，XYZ工作空間尺寸為 50mm×50mm×20mm，主軸最高轉(zhuǎn)速90000rpm，結(jié)合誤差補(bǔ)償技術(shù)最終可實現(xiàn)亞微米級加工精度。

圖5 南京航空航天大學(xué)研制的微銑床

大連理工大學(xué)研發(fā)的微銑床(圖6)［21］整體尺寸194mm×194mm×400mm，工作空間為50mm×50mm×102mm，定位精度 1μm，重復(fù)定位精度 0.2μm，主軸最高轉(zhuǎn)速140000r/min，可以實現(xiàn)精度為20nm的微量進(jìn)給。

圖6 微型數(shù)控銑床系統(tǒng)

綜上所述，微型數(shù)控銑床正成為微小型產(chǎn)品制造領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。日本、美國、德國及韓國等發(fā)達(dá)國家在微型銑床裝備的研發(fā)方面取得了一定的成果，但這些研究主要追求的是加工設(shè)備的小型化，加工精度和加工效率很低，而且微銑削加工機(jī)理的研究尚處于起步階段。

2 微銑削表面形貌、表面粗糙度與微毛刺研究

表面質(zhì)量是影響零部件功能或性能的重要因素，微銑加工表面質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到微銑削技術(shù)的發(fā)展前景。傳統(tǒng)加工中的表面缺陷、毛刺等可通過后處理和加工參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行彌補(bǔ)，但在微銑削加工中，由于材料內(nèi)在的特征或零件幾何尺寸的限制，傳統(tǒng)精密加工中所采用的精密或超精密磨削等工藝措施和去毛刺等后處理措施都難以進(jìn)行，因此在微銑削技術(shù)中一次加工完成滿足要求的表面質(zhì)量至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者針對微銑削表面形貌、表面粗糙度與微毛刺進(jìn)行了大量有益的探索。

Damazo［22］采用直徑 200μm 的微端銑刀進(jìn)行了微薄壁的加工實驗，發(fā)現(xiàn)毛刺的存在很大程度上限制了所能加工薄壁的最小厚度。Lee和Dornfeld［23］進(jìn)行了微銑削鋁的實驗，使用掃描電鏡觀察到了旗型、滾柱型、波浪型和鋸齒型微毛刺。M.Mohan Reddy等［24］建立了銑削玻璃陶瓷時的表面粗糙度預(yù)測模型，研究結(jié)果表明，提高主軸轉(zhuǎn)速，能夠降低表面粗糙度;但表面粗糙度與進(jìn)給速度之間存在拐點。Jeong Hoon Ko等［25］研究銑削不銹鋼和鋁合金時，切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量、銑削深度、銑削寬度)對表面質(zhì)量(表面粗糙度、形狀誤差、毛刺高度)的影響。實驗研究表明:兩種材料的表面粗糙度都在某一主軸轉(zhuǎn)速下存在拐點;銑削深度增加形狀誤差減小;進(jìn)給速度是影響毛刺的主要因素。S.Min，H等［26得出順銑比逆銑表面表面粗糙度更小的結(jié)論。Schmidt等［27］微銑削硬鋼(52HRC)時發(fā)現(xiàn)，毛刺是影響微細(xì)銑削加工質(zhì)量的主要因素，只有在每齒進(jìn)給量為0.5μm時才會出現(xiàn)幾毫米長的毛刺，大多數(shù)情況下毛刺的高度在 5～60μm。Gwo-Lianq Chern［28］等研究了微銑加工件表面毛刺的形成過程。Vogler［29］采用刃口半徑 5μm 和 2μm 的兩種銑刀在同樣的進(jìn)給量范圍內(nèi)進(jìn)行微端銑實驗研究微細(xì)切削的表面形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)刃口半徑對表面粗糙度有很大影響，且當(dāng)進(jìn)給量小到一定程度后表面粗糙度反而會增加，因此存在一個最優(yōu)的進(jìn)給量。Lee等［30］通過實驗研究了微細(xì)銑削鋁和銅時產(chǎn)生的5種類型的毛刺。韓國的 Wang等［31］進(jìn)行了黃銅微銑削實驗，分析了刀具直徑、切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等參數(shù)對表面粗糙度的影響，建立了表面粗糙度數(shù)學(xué)模型。Bissacco等［32］建立了微銑理論生成表面模型。Kuan-Ming Li等［33］用硬質(zhì)合金刀具干銑削熱作模具鋼SKD61，實驗結(jié)果表明最小量潤滑銑削能夠降低表面粗糙度、減少毛刺的產(chǎn)生。

國內(nèi)朱黛茹等［34］應(yīng)用雙因素法分析了各種切削參數(shù)對表面粗糙度的影響及兩因素間的交互影響，發(fā)現(xiàn):懸伸量越大，表面粗糙度值越大;表面粗糙度值隨著每齒進(jìn)給量的減小而減小到一定程度時，反而開始增大。趙巖等［35］研究了微銑刀懸伸量、直徑、軸向切深和每齒進(jìn)給量對加工表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)微徑立銑刀的直徑和懸伸量對表面粗糙度的影響大于軸向切深和每齒進(jìn)給量。李洪波等［36］分析了微銑削表面粗糙度以及微銑刀刀具磨損對表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，微銑削加工與傳統(tǒng)銑削加工表面粗糙度的存在差異的根本原因可能是微銑削最小切削厚度導(dǎo)致的，主軸轉(zhuǎn)速和材料去除量是影響微銑削表面粗糙度的主要因素。

微銑削加工的幾何特征在數(shù)十至數(shù)百微米，對于加工表面形貌提出了更高的要求。而與宏觀尺度不同的是，微銑削因其材料去除量小，很難直接觀測到銑削表面的成形質(zhì)量。迄今大部分研究是采用實驗方法，通過改變實驗參數(shù)找出各因素對表面形貌質(zhì)量及毛刺形成的影響。因此，開發(fā)微銑削表面形貌的預(yù)測模型及仿真系統(tǒng)對于指導(dǎo)介觀尺度加工工藝規(guī)劃與優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論意義和實用價值。

3 刀具磨損研究

微銑刀磨損將導(dǎo)致工件加工精度降低、表面粗糙度增大，并使切削力和切削溫度增加，甚至產(chǎn)生振動，不能繼續(xù)正常切削;并直接影響加工的效率、質(zhì)量和成本。微銑刀由于其尺寸縮小產(chǎn)生尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，宏觀機(jī)械的模型原理和相似理論不再適用［37］，刀具的摩擦磨損方式也將發(fā)生變化，因此，原有適用于傳統(tǒng)銑刀的磨損理論和實驗必須加以修正［38］。

I.Transel等研究了用立銑刀在鋁、石墨和低碳鋼上銑槽時的斷裂機(jī)理，用掃描電鏡觀測微銑刀的磨損情況，通過監(jiān)測工件進(jìn)給方向的切削力判斷刀具的破損，用分段平均值法和小波變換法提取信號特征值，通過動態(tài)調(diào)節(jié)切削用量來控制切削力，以延長刀具的使用壽命［39］;并采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多項式網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)報刀具磨損及破損狀況，試驗結(jié)果表明:刀具破損的預(yù)報比刀具磨損預(yù)報可靠性高［40］。I.N.Tansel等分別采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和BP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具加工石墨和鋁時的刀具狀態(tài)識別，實驗結(jié)果表明，基于小波變換的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測刀具磨損效果好［41］;并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對硬質(zhì)合金立銑刀銑削鋁和鋼時的刀具磨損情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)切削鋁時，刀具磨損隨切削力增加而增加，而切削鋼時，刀具磨損與切削力之間沒有明顯關(guān)系，但在刀具斷裂之前，切削力突然增加［42］。Mohammad Malekian等在硬質(zhì)合金涂層微銑刀加工實驗過程中，用光學(xué)顯微鏡和CCD照相機(jī)在線監(jiān)測刀尖半徑變化，采用加速度計、力傳感器及聲發(fā)射傳感器間接監(jiān)測刀具狀況，采用自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法預(yù)報刀具磨損狀況［43］。Jeong-Bin Park等采用基于熵的連續(xù)小波變換法分析切削力信號變化與刀具磨損之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)隨著刀具磨損的增加，主頻減小，從而提出通過主頻的大小判斷刀具磨損量的方法［44］。Miyaguchi等研究了高速銑削時，銑刀剛度對刀具磨損的影響，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):刀具的低剛度使得刀具產(chǎn)生彎曲變形，在一定的加工條件下，可以使兩個切削刃的磨損相對均勻［45］。Zhou等研究了微銑刀高速銑削石墨時銑刀的磨損情況［46］。Rahman等采用直徑1mm的立銑刀對純銅進(jìn)行了微細(xì)銑削實驗，實驗中刀具表現(xiàn)出過早的失效，并通過統(tǒng)計學(xué)中的響應(yīng)曲面法建立了純銅微細(xì)銑削過程中刀具壽命的二次模型，分析了切削速度、背吃刀量和進(jìn)給速度對刀具壽命的影響［47-48］。

國內(nèi)趙巖等［49］通過刀具磨損試驗分析了微徑硬質(zhì)合金TiA1N涂層及非涂層銑刀的磨損機(jī)理，得出結(jié)論:與常規(guī)尺寸銑刀磨損主要發(fā)生在后刀面上不同，TiAlN硬質(zhì)合金微徑立銑刀的磨損形式除了涂層脫落和擴(kuò)散磨損外，一個顯著的特點是刀尖破損嚴(yán)重;非涂層硬質(zhì)合金微徑立銑刀與TiAlN涂層銑刀相比除了刀尖破損更為嚴(yán)重之外，粘接現(xiàn)象明顯。楊凱等［50］采用數(shù)值模擬的方法模擬了硬質(zhì)合金微徑銑刀銑削加工鋁時刀具的磨損變化形態(tài)。仿真結(jié)果表明微銑刀的磨損主要發(fā)生在刀尖處，后刀面磨損形態(tài)為近似三角形。

目前，對微刀具磨損的研究大多延續(xù)傳統(tǒng)切削理論。但微切削加工與傳統(tǒng)切削加工中刀具的磨損和破損存在很大不同，如果能夠根據(jù)刀具磨損情況調(diào)整切削參數(shù)從而抑制刀具的過早失效，則即能提高生產(chǎn)率又能提高工件加工質(zhì)量。所以，在線監(jiān)測預(yù)報刀具的磨損和破損，建立刀具磨損與切削參數(shù)之間的關(guān)系就顯得非常重要。

4 結(jié)束語

國內(nèi)外學(xué)者針對微銑床設(shè)備研發(fā)、微銑削表面形貌、表面粗糙度與微毛刺及微銑刀具磨損和破損等開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的研究成果，為微銑削高效穩(wěn)定加工提供了有益的借鑒和參考。然而，微銑削過程以切削刃鈍圓半徑現(xiàn)象、最小切削厚度、尺度效應(yīng)、工件材料微結(jié)構(gòu)對微銑削過程有顯著影響為其加工特點，尚未形成成熟的理論體系和分析方法。因此，實現(xiàn)高效、高穩(wěn)定性微銑削加工必須解決如下問題:

(1)在微銑床研發(fā)方面，建立一套系統(tǒng)的小型化產(chǎn)品加工工藝方法作理論指導(dǎo)。

(2)建立微銑削表面形貌預(yù)測模型，研究影響加工表面形貌特征的工藝因素及制約關(guān)系;以提高微銑削加工效率為目標(biāo)，探索可靠的微銑削加工工藝方法，構(gòu)建工藝參數(shù)優(yōu)化模型。

(3)微銑刀刀具磨損模型中的實驗校準(zhǔn)系數(shù)需通過大量加工實驗進(jìn)一步修正;微銑削中，切削熱對刀具磨損和加工表面質(zhì)量的影響不容忽視，因此微銑削熱特性對刀具磨損的影響還有待進(jìn)一步研究;需建立微細(xì)銑削加工毛刺形成的理論模型，進(jìn)一步深入研究毛刺形成機(jī)理。

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Current Situation and Development of Micro-milling Key Technologies

GAO Cheng-Xiu1，JIA Zhen-yuan2，LU Xiao-hong2
(1.Mechanical Engineering Department，Lanzhou Polytechnic college，Lanzhou 730050，China;2.Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China)

Application of the micro-milling technology on the three dimensional precision micro parts manufacturing led to a major technological change in micro manufacturing.Different from MEMS technology and the ultra precision processing technology，it is an effective way for micron-scale micro and intermediate parts with high efficiency，high-precision micro-manufacturing，which is use of traditional milling methods and has unique advantages such as the diversity of workpiece materials and the realization of machining 3D surface.Based on the summary of a lot of literature in our and foreign countries，this thesis summarizes the studies on the research and development of micro milling machine，surface topography，surface roughness，burr of and micro tool wear in micro-milling process.The deficiency of study on the concern technologies of micro milling and the development perspective of this field have been pointed out.

micro-milling;structural parameter;burr;tool wear

TH165;TP206

A

1001-2265(2012)01-0107-06

2011-05-30

遼寧省科技計劃項目(2008220011);遼寧省博士啟動基金(20101013);大連理工大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動經(jīng)費(DUT10RC(3)040)

高成秀(1972—)，女，甘肅榆中人，蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系副教授，主要研究方向為數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造、機(jī)電一體化等，(E-mail)gaochengxiu@gmail.com;賈振元，男，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士生導(dǎo)師。

(編輯 趙蓉)