大長徑比微細軸的車削工藝研究

 前言

近年來，隨著MEMS技術研究的日益成熟，開發研制MEMS產品需要高效率的微器件加工技術，因此，微加工技術正受到日益普遍的關注。在諸如計算機、微電子儀表及激光聚變(ICF)等領域對Ø0.1mm以下微細軸的需求越來越急迫。同時如噴墨打印機的墨水噴頭、電子槍及ICF物理診斷設備均需要微米級的微細孔，而這些孔通常以微細軸為工具采用電火花成形或超聲波加工而成。目前見諸報道的微米級微細軸加工方法主要是電火花加工、電解加工，超聲振動磨削以及 LIGA等特種加工方法。這些方法的共同問題是效率低下、設備昂貴、工藝較復雜和對操作人員技術要求高，阻礙了微器件加工的發展。而傳統的切削加工技術發展較成熟，是否可以在微器件加工中發揮作用呢？該方面的文獻報道很少。在高溫高密度等離子體國防科技重點試驗室的支持下，以紫銅為工件材料，通過一系列試驗，探討了微細長軸的精密車削加工技術，結果證明精密車削技術在微米級細長軸的加工方面有其獨特的優勢。
1 微細軸車削加工用車刀設計
微細軸長徑比較大，剛性差，對于切削力、振動和切削溫度十分敏感。車削加工時，很容易產生彎曲變形和振動，給切削加工帶來一系列的困難，使幾何形狀精度和表面質量得不到保證。影響微細軸加工精度的主要因素包括：切削力、切削熱變形、刀具熱變形、內應力以及刀具安裝高度誤差等引起的誤差。而上述因素均與刀具的材料，刀具參數主偏角Kr、副偏角Kr、前角g0、后角a0、切削刃刃口半徑r和刀尖圓弧半徑幾有關。
通過分析資料，試驗采用人工合成單晶金剛石作為刀具材料。通過如表1的系列試驗，分別得到理想的金剛石刀具參數如表2。試驗條件如下，切削參數：n=2500r/min, f=0.3mm/min, ap=0.02mm; 加工材料為Ø40µm×500µm的紫銅，車刀是刀尖為兩條切削刃相交為一點的尖刀。
2 試驗結果及討論
試驗系統組成
微細軸的加工試驗在精密數控車床上進行。由于微細軸的尺寸只有數十微米，眼睛直接觀察很困難。為此在精密數控車床上加裝了一套顯微觀測系統，該試驗系統的主要組成如下。
Hartinge公司超精密CNC車床：CONQUEST GT；加工精度：Ra0.05µm。
長工作距離顯微鏡：QUESTAR 100。
專用圖像處理系統。
掃描電鏡：KYKY1010B。
該系統的關鍵部件是一架長工作距離顯微鏡，這架顯微鏡的物鏡至工件表面的最大工作距離為350mm，最高分辨率可達2µm。在顯微鏡上安裝了微型攝像頭，經圖像處理后，可以在圖像顯示器的屏幕上觀察到微細軸的整個加工過程。利用附帶的專用軟件，該系統還可以原位測量工件尺寸。加裝這套系統還有利于實現尖刃刀具的精確對刀。
微細軸材料采用易于金剛石刀具切削又適合微細孔加工的紫銅。加工后采用ALPHA-STEP 500表面輪廓儀測量微細軸表面粗糙度值。
切削用量對微細軸成形及表面粗糙度的影響
與車削尺寸較大的工件不同，在微細軸的加工中，切削用量不僅對工件表面質量產生影響，而且關系到是否能夠車削成形。也就是說切削用量只有在一定范圍內才能車削成微細軸，而且微細軸尺寸越小，切削參數的選擇范圍越窄。以車削直徑20µm軸為例，介紹進給量、背吃刀量及切削速度對微細軸成形及表面粗糙度的影響。
在背吃刀量ap=0.04mm，主軸轉速n=2000r/min時，進給量對微細軸表面粗糙度的影響。在這組切削條件下，微細軸只有進給量f在0.2～1.5mm/min的范圍內才能車削成形。在可成形范圍內，進給量與表面粗糙度值成正比，而且具有顯著的影響。
給出了在進給量f=0.mm/min，主軸轉速n=2000r/min時，背吃刀量的變化對微細軸表面粗糙度的影響。當ap<0.02mm時，由于剛性不足等因素的影響，刀具接觸到微細軸后，就將其碰彎。在背吃刀量ap=0.02～0.08mm的范圍內，表面粗糙度值變化不大，這說明不同的背吃刀量對表面粗糙度的影響較小。
ap=0.04mm, f=0.2mm/min時，改變主軸轉速對微細軸表面粗糙度的影響。從圖中可以看出，當n<2000r/min時，隨著主軸轉速的逐漸減小，表面粗糙度值反而增大。這與金剛石刀具微量切削時切削力的特殊變化規律有關。在這組切削條件下，改變主軸轉速，其每轉的進給量也隨之變化，低速時，當進給量小到一定程度以后，金剛石刀具刃口對加工件產生的擠壓加劇。與車刀和切屑接觸面積相比，車刀與工件接觸面積逐漸增大，這時隨著作用于切削刃刃口和后刀面上的力在總切削力中所占的比率加大，出現徑向力Fr大于切向力Fz的現象，而Fr的變化直接影響著表面粗糙度值及微細軸的加工成形。這也可以解釋當n<1000r/min時，刀具接觸到微細軸后即碰彎的原因。當n>4000r/min時，微細軸呈彎曲狀，并且隨著主軸轉速的增加，由于離心力的作用使彎曲變形加劇。
試驗結果及部分零件
端部直徑為7µm微細軸的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，軸先半精加工至Ø100µm后，再由人造單晶金剛石刀具車削成形。其加工參數為：n=2000r/min , f=0.2mm/min，ap=0.1mm；采用同樣參數，對于直徑為11µm、長度65µm的軸，精加工實際切削時間約為20s。
采用車削而成的Ø11µm軸做電極，在厚度為20µm的金箔上加工出Ø19µm微孔的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。電火花加工所用電壓為110V，放電電容為100pF，正極性加工，采用美孚電加工液，加工時間約為10s。
車削的公稱直徑20µm、長1mm微細長軸的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
在掃描電子顯微鏡下，放大至2480倍時觀察到的頭部、中部及根部的微細結構。SEM測量結果：頭部直徑18.5µm、中部直徑18.9µm、根部直徑 19.7µm，平均直徑19µm。長度實測值為1030µm，在此范圍內直徑值相差1.2µm，長徑比約為55。精加工時間只需約2.5min，與電火花加工相比具有更高的加工效率。在車削微細軸的基礎上，還進行了微細螺紋車削技術的研究。采用與車削微細軸相同的刀具，只是在刀具安裝時需要轉動 16.5°，實現螺紋刀具有相等的主、副偏角。其他切削條件與車削微細軸相同。首先，對主軸在不同轉速下螺紋的切削質量進行了試驗。在轉速 n=500r/min時切削的螺紋，經光學測量顯微鏡觀測發現螺紋表面粗糙，而且螺紋的實際高度參差不齊。轉速提高至n=2000～3000r/min 后，切削的螺紋輪廓清晰，其尺寸指標與設定值基本吻合。因此，在微細螺紋加工過程中，需要有較高的轉速。然后對螺距為10µm的微細螺紋的極限尺寸進行試驗。切削參數：主軸轉速n=2000r/min，背吃刀量ap=1～2µm，進給量采用了f=5mm/min。在不同的螺紋長度時所能達到的最小螺紋內徑。從圖中可以看出，隨著加工螺紋長度的縮短，所能達到的最小螺紋內徑也隨之減小。

 內徑為36.6µm、螺距為10µm的螺紋
加工的長度為150µm、內徑為36.6µm、齒高為6.7µm及螺距為10µm螺紋的掃描電子顯微鏡照片。
3 結論
詳細地分析了微細軸(螺紋)車削加工時影響加工精度的幾項主要因素。在此基礎上，提出了適合于微細軸(螺紋)車削加工中刀具的技術要求，探討了精密車削這種傳統的切削方法在微細加工領域開發、應用的可行性。得到以下結論。
在影響微細軸加工精度諸多主要因素中，切削力的影響至關重要。其中徑向力Fr作用在工件剛性較弱的徑向上產生變形，對微細軸的加工成形影響最顯著。在徑向力作用下，微細軸彎曲變形量與跨度的3次方成正比。因此，縮小跨度是提高微細軸彎曲剛度的有效方法。在切削過程中，工件與刀具產生的切削熱不容忽視。車刀刀尖安裝高度不在工件中心水平面上時，將會引起徑向進刀誤差，從而產生車削直徑誤差。尤其是在加工多臺階工件外圓時，會遇到各臺階直接讀數不均的現象。
金剛石刀具因其具有硬度高、耐磨性和強度高、導熱性能好、與有色金屬摩擦因數低以及能磨出極鋒銳的刀刃等優異的特性，是車削微細軸的首選材料。
根據有利于減小工藝系統的的彈性變形及振動，并考慮到加工銅材料以及便于刃磨、安裝和對刀的因素，設計并刃磨出適合于微細軸車削加工的尖刃金剛石刀具。該刀具的主要參數指標為：主偏角Kr=93°，副偏角Kr=30°，前角g0=0°，后角a0=5°。
研究表明，在微細軸的加工中，切削用量不僅對工件表面質量產生影響，而且關系到是否能夠車削成形。在可成形范圍內，進給量與表面粗糙度值成正比，而且具有顯著的影響；背吃刀量、主軸轉速對表面粗糙度的影響較小。
對紫銅材料，理想的加工參數為：進給量f=0.2～0.5mm/min ，背吃刀量ap=0.04mm，主軸轉速n =2000～3000r/min。
采用人造金剛石刀具，在精密數控車床上進行了微細軸極限尺寸車削加工工藝研究，能夠加工出直徑小至7µm的微細軸；目前己采用車削加工成的直徑11µm的軸，在厚度為20µm的金箔上采用電火花成形加工出Ø19µm的微孔，證明精密車削的微細軸具有實用性。
在車削微細軸的基礎上，開展了微細螺紋車削技術的研究。研究表明在微細螺紋加工過程中，需要有較高的轉速(n≥2000r/min)。從不同的螺紋長度時所能達到的最小螺紋內徑的研究結果可以看出，隨著加工螺紋長度的縮短，所能達到的最小螺紋內徑也隨之減小。已加工出長100µm、齒高6µm及內徑為 23µm的微型螺桿。
研究工作表明，精密車削這種傳統的切削方法，在微細軸及微型螺紋的加工中具有加工精度高、加工時間短及加工效率高等優點。并為精密、超精密車削結構和形狀更為復雜的三維工件打下良好的技術基礎。