精密微小切削刀具的製備工藝

微小徑切削刀具的製備工藝是制約微細切削技術發展的難點之一。精密微細機械磨削和電火花線電極磨削(WEDG)、聚焦離子束濺射(FIB)等特種加工方法是目前主要的微細刀具製備技術。

(1)精密微小磨削工藝

磨削工藝是比較成熟的刀具製備和修整方法。微小刀具的精密磨削工藝主要採用金剛石砂輪,能夠實現高速鋼和硬質合金材料的高效成形。該工藝的要點是:為防止小直徑刀具折斷,應合理確定刃磨時的磨削壓力。通過對砂輪施加振動,可以顯著減小磨削力和最小成形直徑。

精密微小磨削工藝在一定程度上可以滿足微小切削刀具的製備要求,但受磨削力的影響,能夠穩定獲得的刀具最小直徑受到侷限。另外,刃磨工藝容易造成刀具表面劃痕和刃口缺陷,將直接影響加工表面質量和精度水平;磨削熱應力容易引起刀具表層微觀結構的變化;微小立銑刀的同心度和直徑偏離等製造誤差有可能大於微細切削的單齒進給量,成形精度有待提高。

(2)電火花線電極磨削工藝

電火花線電極磨削(WEDG)工藝的材料蝕除機理與普通電火花加工相同,電極和工件的運動原理為:線狀電極在導向器上連續移動,導向器沿工件徑向作微進給,而工件隨主軸旋轉的同時作軸向進給。該運動方式的主要優點是:線電極與工件之間為點接觸,容易實現微能放電;線電極始終沿導向器勻速運動,可以忽略線電極損耗對加工精度的影響。

通過控制工件的旋轉與分度,配合軸向的精密進給控制,WEDG工藝可以加工圓柱、圓錐、棱柱、螺旋槽、平面等多種截面形狀。該方法的主要優點是:刀具成形過程中無機械力作用,成形的尺寸精度和形狀精度較高,為微細刀具製備提供了一種有效方法。

(3)聚焦離子束濺射工藝

聚焦離子束濺射工藝是一種顯微加工技術,同樣可以用於微細刀具的製備,其基本原理為:選擇原子量較大的液態金屬鎵(原子量為69.72,其原子質量遠遠大於電子的質量)作為離子源,在離子柱頂端施加高密度的電場,形成數十keV的高能離子束,通過靜電透鏡將離子束聚焦為亞微米直徑的斑點,然後控制聚焦後的鎵離子束對工件進行轟擊,將鎵離子的動量傳遞給工件中的原子或分子,產生濺射效應從而實現材料的去除。通常每個入射鎵離子可以去除3~5個工件原子,可以精確控制材料的去除量。利用聚焦離子束濺射工藝,可以對硬質合金、高速鋼、單晶金剛石等材料進行顯微加工。

與精密磨削相比,基於聚焦離子束濺射的刀具成形過程沒有機械力的作用,刀具在製造過程中不會破損,能夠製備出具有極小特徵尺寸的微細刀具。

(4)激光加工工藝

為了克服聚焦離子束濺射工藝成形效率較低的問題,德國卡爾斯魯厄大學對採用激光加工工藝進行微小刀具製備進行了探索。該工藝同樣無機械力作用,加工過程中無振動,刀具不產生變形,加工成本較低。目前存在的問題是成形表面較粗糙,加工表面質量有待提高。

文章參考來源 - 三工數控工具

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