微细切削刀具的特征及其制备技术（三）

HEATS

　　4微细切削刀具的设计要点

$ G. Y) I# _5 [0 R8 ]; ] 6 s: z6 t0 _3 c+ D' y1 c- j

　　从设计角度分析，微细切削刀具并非传统刀具在尺度上的简单缩小，而是基于微细切削特征和面向具体加工需求的一类特种刀具。现以微细立铣刀和钻头为例，说明微细切削刀具的设计要点和原则。微细立铣削的轴向切削深度和微细钻削的进给量均很小，因此刀具结构可适当简化。微细立铣刀和钻头不一定需要形状完整的螺旋槽，可以采用单切削刃的结构形式。为保证刀具刚度，应尽量减少切削部分长度，长径比不宜过大。刀具刃口形状应比较规则且半径较小，以减小实际切削时的负前角效应。由于微细立铣刀和钻头的直径较小，容屑槽空间有限，碎状切屑容易发生堵塞而导致刀具折断，因此可采用涂层或固体润滑膜来减小刀具与工件之间的摩擦系数，不仅有利于排屑，而且能提高刀具耐磨性。

& O2 T% Q2 R9 X: Y. m

　　5微细切削刀具的制备工艺

　　微细切削刀具的制备工艺是制约微细切削技术发展的难点之一。精密微细机械磨削和电火花线电极磨削(WEDG)、聚焦离子束溅射(FIB)等特种加工方法是目前主要的微细刀具制备技术。

i1 x! S% `, T4 Q, _ : W' X9 x5 s. _* s4 X

　　(1)精密微细磨削工艺磨削工艺是比较成熟的刀具制备和修整方法。微细刀具的精密磨削工艺主要采用金刚石砂轮，能够实现高速钢和硬质合金材料的高效成形。该工艺的要点是：为防止小直径刀具折断，应合理确定刃磨时的磨削压力。通过对砂轮施加振动，可以显著减小磨削力和最小成形直径。精密微细磨削工艺在一定程度上可以满足微细切削刀具的制备要求，但受磨削力的影响，能够稳定获得的刀具最小直径受到局限。另外，刃磨工艺容易造成刀具表面划痕和刃口缺陷，将直接影响加工表面质量和精度水平；磨削热应力容易引起刀具表层微观结构的变化；微细立铣刀的同心度和直径偏离等制造误差有可能大于微细切削的单齿进给量，成形精度有待提高。

+ n1 u% a+ J$ f3 l3 J v

　　(2)电火花线电极磨削工艺电火花线电极磨削(WEDG)工艺的材料蚀除机理与普通电火花加工相同，电极和工件的运动原理为：线状电极在导向器上连续移动，导向器沿工件径向作微进给，而工件随主轴旋转的同时作轴向进给。该运动方式的主要优点是：线电极与工件之间为点接触，容易实现微能放电；线电极始终沿导向器匀速运动，可以忽略线电极损耗对加工精度的影响。通过控制工件的旋转与分度，配合轴向的精密进给控制，WEDG工艺可以加工圆柱、圆锥、棱柱、螺旋槽、平面等多种截面形状。该方法的主要优点是：刀具成形过程中无机械力作用，成形的尺寸精度和形状精度较高，为微细刀具制备提供了一种有效方法。

7 B7 `3 i; D8 i& f6 o) g) { . @: G! D6 ?8 t. @

　　(3)聚焦离子束溅射工艺聚焦离子束溅射工艺是一种显微加工技术，同样可以用于微细刀具的制备，其基本原理为：选择原子量较大的液态金属镓(原子量为69.72，其原子质量远远大于电子的质量)作为离子源，在离子柱顶端施加高密度的电，形成数十keV的高能离子束，通过静电透镜将离子束聚焦为亚微米直径的斑点，然后控制聚焦后的镓离子束对工件进行轰击，将镓离子的动量传递给工件中的原子或分子，产生溅射效应从而实现材料的去除。通常每个入射镓离子可以去除3～5个工件原子，可以精确控制材料的去除量。利用聚焦离子束溅射工艺，可以对硬质合金、高速钢、单晶金刚石等材料进行显微加工。与精密磨削相比，基于聚焦离子束溅射的刀具成形过程没有机械力的作用，刀具在制造过程中不会破损，能够制备出具有极小特征尺寸的微细刀具。

　　(4)激光加工工艺为了克服聚焦离子束溅射工艺成形效率较低的问题，德国卡尔斯鲁厄大学对采用激光加工工艺进行微细刀具制备进行了探索。该工艺同样无机械力作用，加工过程中无振动，刀具不产生变形，加工成本较低。目前存在的问题是成形表面较粗糙，加工表面质量有待提高。

, S3 ^; p" a9 Y: M* A$ W

　　6结语

: G9 S! G. x! W# m# `# Y

　　微细切削对于由金属材料构成的微小型结构及零件的制造具有一系列原理优势，是微制造技术的重要发展方向之一。微细切削刀具是实施微细切削的必要条件，直接决定了微细切削技术的应用水平。因此，微细切削刀具技术的研究和开发具有十分重要的工程应用价值。随着微细切削加工机理、刀具材料和刀具制备工艺等相关理论和技术的发展，微细切削刀具的实用化程度必将不断提高，并成为推动微细切削发展的重要基础技术。

! }0 b, u+ f W. ~9 ~