[分享]顯微鏡下的切削加工 [復制鏈接]

位于美國新墨西哥州的圣地亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)對尺寸僅為10µm和20µm的微型車刀和銑刀進行了切削實驗與研究。 W wPzm?30  
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雖然“微加工(micro machining)”這一術語可用于表示在極小尺度范圍內(nèi)完成的各種加工操作，但圣地亞國家實驗室的研究人員卻避免將他們進行的微小尺度車削和銑削加工稱為“微加工”。他們認為，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，而該實驗室目前還做不到這一點——至少在車削和銑削加工上還達不到這一水平，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到25µm。換句話說，雖然他們已達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。圣地亞國家實驗室的研究人員將這種尺度水平的加工稱為“亞微加工(meso-machining)”。 n2B%}LLa  
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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硬質(zhì)合金和高速鋼刀坯材料進行雕蝕加工而成。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。這種微型刀具是實現(xiàn)亞微加工所必不可少的關鍵工藝因素，因為目前在機床上使用這種微型刀具的適用加工技術已基本成熟。在圣地亞國家實驗室，雖然仍然需要全力開發(fā)亞微切削實驗所用的微型刀具，但實驗所用加工機床已完全具備了使用微型刀具的技術條件。研究人員利用市場上機床供貨商提供的精密加工機床，即可有效地使用微型刀具進行亞微切削加工。 PD0&ep1h7G  
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美國開展亞微加工研究的一個主要原因與核武器有關。美國現(xiàn)存核武器上的某些零件需要經(jīng)常更換，并且需要對這些零件的結構形貌不斷進行改進。但是，因為核武器上的各個零件與周圍其它零件之間都有不允許改變的裝配關系，所以每一個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構形貌，惟一的途徑就是將更多結構微縮于現(xiàn)有空間之中，而亞微加工可以成為實現(xiàn)這一目標的一種有效手段。 +?o!"SJ  
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圣地亞國家實驗室通過大量實驗研究，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。該實驗室用一把φ22µm硬質(zhì)合金雙刃立銑刀進行的切削實驗表明，在切深1µm、轉(zhuǎn)速18000r/min的切削條件下加工鋁件時，微型立銑刀能以最大至50mm/min的進給率進行有效切削，刀具銑削時間超過6小時以上，且在整個進給率變化范圍內(nèi)未發(fā)生刀具破損現(xiàn)象。 ?0qD(cfx<  
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微型車刀的切削可靠性也已得到證實。典型的切削實驗表明，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。 EOrui:.B)  
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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微型銑刀進行成形加工時，難以加工出典型的標準立銑刀帶有容屑槽的復雜幾何形狀，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。 .k]`z>
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微型刀具的切削機理與常規(guī)尺寸刀具基本相同，可看作是常規(guī)刀具切削的“微縮版”。用光學顯微鏡對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。對亞微車削的觀測結果也清楚地表明，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)�？梢园l(fā)現(xiàn)刀具上粘附有長條形切屑。 Gd%i?(U,R  
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上述亞微銑削實驗是在一臺上世紀九十年代購進的Boston Digital加工中心上進行的。該機床的位移分辨率達到1µm，因此可以利用在手動銑床加工中常用的“觸發(fā)(touching off)”對刀方式來實現(xiàn)微型銑刀相對于工件的定位。研究人員采用手動方式，以每次1µm的步距持續(xù)緩慢地微動進刀，直至通過顯微鏡觀察到出現(xiàn)了一點切屑，即表明此時銑刀已剛好與工件接觸。 ^rVHaI  
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最近，圣地亞國家實驗室又在一臺Willemin-Macodel公司的精密加工中心上進行了亞微銑削的實驗研究。亞微車削實驗則是在一臺Moore Tool公司的金剛石車床上進行的(雖然使用的微型車刀材料并不是金剛石)。該實驗室還在Agie公司的線切割機和電火花成形機上進行了亞微放電加工(EDM)的實驗研究。此外，亞微激光加工也是該實驗室亞微加工研究的另一重要領域。 jj2iF/  
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