1 引言
隨著科學技術的發(fā)展對切削加工提出了越來越高的要求，一是要滿足越來越高的加工效率、加工精度和表面質量；其次是要求經濟性和生態(tài)性（即綠色生產要求）。為了滿足這些要求，研究人員已做了大量的研究工作，開發(fā)出了多種先進切削加工技術，如高速切削、干切削、硬切削等。
微機電系統(tǒng)最早是上世紀60年代對集成電路（IC）制造與材料研究而衍生出來的一門新領域，因此開始發(fā)展時使用的制造技術必須遵循集成電路的制造要求，所采用的材料也必須符合集成電路的制造標準，如采用多晶硅、單晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或是使用鋁、銅等金屬。但隨著微機電系統(tǒng)和微機械的多樣化發(fā)展，傳統(tǒng)上符合集成電路制造要求的材料有其局限性，對于擁有不同機械性能與電子特性微元件的需求也顯得越來越迫切。微機電系統(tǒng)技術已經成為全球增長最快的工業(yè)之一，需要制造極小的高精密零件的工業(yè)，例如生物、醫(yī)療裝備、光學以及微電子（包括移動通信和電腦組件）等都有大量的需求。然而，并非每種應用在微機電系統(tǒng)或微機械上的微元件都能利用集成電路技術生產出來，因此新的材料和新的微制造技術以及微切削技術陸續(xù)被研究發(fā)展出來。
2 尺度劃分
對于尺度的劃分，不同的研究機構、不同研究領域的研究人員有不同的見解。材料學專家認為：10的－12次方m～10的－9次方m之間的尺度屬于量子力學研究范疇；10的－9次方m～10的－6次方m之間的尺度屬于納觀力學研究范疇；10的－6次方m～10的－3次方m之間的尺度屬于介觀力學研究范疇；10的－3次方m～10的0次方m之間的尺度屬于微觀力學研究范疇；大于10的0次方m的尺度屬于宏觀力學研究范疇。而機械加工學科常常以10的－6次方m（1μm）為加工誤差尺度，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來衡量（1絲=10μm），精密加工的誤差尺度可達到微米級。由此可見：材料學以研究對象的特征長度作為尺度劃分的依據，機械加工領域以研究對象的加工精度作為尺度的劃分依據，從而把機械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒有涉及到工件加工特征尺度的大小。
精密加工根據工件加工特征的尺度可分為宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工。通常的機械加工大多是指宏尺度加工，零件的技術性能要求反映在宏觀尺度或表層結構上，加工特征的尺寸相對較大，加工的范疇較廣；微尺度加工是指微納米加工，主要用精密和超精密加工技術、微細加工技術和納米加工技術來加工，強調了“極薄切削”和微觀結構，加工特征的尺寸相對來說較小，在微米、亞微米和納米級，研究的重點是物質的微觀結構；介于兩者之間的稱之為中尺度加工或中尺寸加工。
目前有一些機電產品既不像納米技術中微型機電系統(tǒng)（微型機械）那樣小，又不像普通機電產品那樣大，為便于區(qū)分，可稱之為“微小機械”。微小機械的加工特征跨越了多個不同尺度等級，既包含10的－3次方m～10的0次方m之間的微觀尺度，又包含10的－6次方m～10的－3次方m之間的介觀尺度，還包含10的－9次方m～10的－6次方m之間的納觀尺度。這里應該指出的是，目前大部分微細制造技術所能達到的加工精度還在亞微米至微米范圍，相距通常所說的納米尺度（10的－10次方m～10的－7次方m）還有較大差距。
微小機械無論在國防、航空、航天和民用中都有較大市場，例如微小人造衛(wèi)星、飛機、機床、汽輪發(fā)電機組、車輛、槍械等。從產品發(fā)展來看，小型化是其方向之一，如照相機、攝像機、投影儀、手機等都越做越小，而功能卻不斷提高和完善。因此，微小機械加工理論和技術的研究有著廣闊的應用前景。
3 微制造技術
目前常用于微機電系統(tǒng)方面的微制造技術（Micromanufacturing）可分為對硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分為四類：
（1）刻蝕技術
該技術利用干刻蝕法、濕刻蝕法或光刻蝕法對被加工材料進行等向或非等向刻蝕去除加工，通常可對被加工材料進行體形微加工（bulk micromachining）或表面微加（surfacemicromachining）�？涛g技術的優(yōu)點是加工精度高，且有大批量生產能力，可與IC制造相容，技術已較成熟；缺點是被加工材料固定、加工速度慢、刻蝕劑危險性高、所用設備資金投入大，且對加工環(huán)境要求高等。
（2）薄膜技術
該技術主要用薄膜成長技術和刻蝕技術加工所需的微結構，一般可用于2D表面微加工，主要應用在VLSI方面的微元件制造。薄膜技術除了技術已較成熟、極佳的IC相容性，不需要特別的組裝技術就可以大量生產微元件外，其缺點與刻蝕技術相同。
（3）LIGA技術
該技術結合了X-Ray深刻技術（Deep X-Ray lithography）、微電鑄翻模（Micro
electroforming）及微成形（Micro molding）等技術，LIGA微加工制造技術除具有精度高、表面粗糙度好、IC電路相容性佳、可批量生產的優(yōu)點外，LIGA技術比IC制造技術能加工更為多種的材料以及具有更佳的高深寬比3D微結構制造能力。然而，LIGA技術最大的缺點是制造所需的同步輻射X光費用極為昂貴，此外X光光罩的制作成本與時間的耗費也很高，因此在亞微米（submicron）尺度的微結構中已有利用價格較為便宜的類LIGA技術來取代X光的刻蝕，例如利用替代性光源的紫外光微影、準分子激光加工以及反應式離子刻蝕（reactiveion etching，RIE）等技術，這些替代性技術的加工精度雖然沒有LIGA技術高，但光源設備小、價格亦較為便宜。
（4）微機械加工技術
除上述（1）～（3）類的微制造技術外，一般大都可歸于此類加工技術，微機械加工技術又可分為微切削加工技術、非切削加工以及特種加工等三大類。本文主要介紹微切削技術。
4 微切削加工技術
微切削是一種快速且低成本的微小零件機械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC加工中心可實現2D、2.5D簡單特征到復雜3D曲面零件的微加工，通過使用此法加工出的微小模具可達到批量生產的目的。以下主要介紹微切削裝備、刀具、切削機理。
4.1 微切削裝備
零件的尺寸和加工質量（加工精度、表面粗糙度、重復精度）與其加工機床的性能（如精度、動態(tài)特性等）密切相關。機床的性能主要與主軸、工作臺和控制系統(tǒng)有關，微切削所用刀具的直徑非常小，為了提高加工效率，微切削機床主軸的轉速非常快。為滿足扭矩要求，通常采用電主軸和混合角接觸軸承，這種軸承由于摩擦生熱造成熱膨脹，最高轉速一般不超過6萬r/min。當轉速更高時，應采用空氣軸承，但空氣軸承提供的扭矩較小，目前空氣軸承主軸的最高轉速可達20萬r/min。為了獲得較高的切削速度，主軸的錐度與高速切削刀柄的錐度一致。微切削精密機床的工作臺一般是由直線電機驅動的，與普通驅動如滾珠絲杠相比，直線電機驅動系統(tǒng)沒有摩擦和電磁耦合產生的累積誤差，也沒有由于磨損造成的精度損失，不存在間隙，而且能提供較大的加速度，直線電機驅動系統(tǒng)的精度可達±1μm。微切削精密機床的剛度好，振動小，而且大都帶有各種傳感器和執(zhí)行器。但是由于其尺寸較大，對周圍環(huán)境的控制要求較嚴格，使得加工微小零件的成本較高。
由于微小機械產品的加工特征尺寸很小，研究人員正嘗試開發(fā)微小機床來加工微小零件。微小機床的體積尺寸非常小，可節(jié)約大量的原材料，因此，可使用性能較好的材料來制造。另外，由于質量小，微小機床的固有頻率比普通機床高，這使得微小機床可以穩(wěn)定地在較寬的主軸轉速范圍內使用而不發(fā)生顫振。即使發(fā)生振動，在同樣載荷下微小機床的振幅也小。微小機床的定位精度可達到納米尺度，加工精度為亞微米。
微小機床的發(fā)展引入了一個新的概念即“微型化工廠”。微型化工廠占地面積非常小，可放置于任何建筑物內的任何地方，甚至在戰(zhàn)場上或空間站內應用，而對于普通機床，這幾乎是不可能的。微型化工廠消耗的能源非常少，大大地節(jié)約了能源的使用。微型化工廠內有不同的生產單元，如微型車床、微型銑床等裝備。
微小機床的發(fā)展目前面臨著一系列挑戰(zhàn)，如需開發(fā)尺寸足夠小的傳感器和執(zhí)行器，以便能安裝于微小機床內。微小機床的剛性不如微切削精密機床，另外，為防止外界干擾，微小機床需要加隔振裝置來滿足加工精度要求。降低微型化工廠的加工成本和開發(fā)多功能復合微小機床是未來微切削裝備的發(fā)展趨勢。
4.2 微切削刀具
在微切削加工技術領域里，如何將刀具材料晶粒細化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重點所在。
微切削的切削深度和進給量都非常小，因此單位切削面積上的切削力較大，同時產生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高，因此在微切削對刀具材料的性能要求較高，需采用耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強度好的刀具材料，隨著回轉最小直徑的微小化，要求回轉刀具的抗彎強度、剛性與斷裂韌性均應較高。微切削刀具材料以硬質合金（碳化鎢）、PCBN（立體氮化硼）和金剛石為主。微米級以下尺寸的鋁合金等有色金屬加工主要采用單晶金剛石刀具，單晶金剛石刀具可用來切削加工精度達到納米級的探頭或探針。為了提高硬質合金的性能，目前工具廠商正研究使硬質合金晶粒更加微細化，而且已取得可喜的成果，已開發(fā)出粒徑為90nm的超細晶粒硬質合金并試制出粒徑為60nm的高級超細晶粒硬質合金。
表1 超細晶粒硬質合金的性能
WC粒徑（nm）－硬度（HV）－彈性模量（GPa）
300－1902－570
90－2361－600
除了刀具材料外，刀具的幾何形狀對于實現微切削加工至關重要。在微切削條件下，精確地切除極薄的材料需要極其鋒利的切削刃，也就是極小的刃口半徑。不僅如此，刃口鋒利度還關系到切削表面質量、微觀組織型貌以及晶格位錯等。精確測量刀具刃口輪廓是保證刀具刃口研磨和進行微細切削過程質量分析的前提。微鉆頭或微端銑刀材質硬度高、加工困難，常用的砂輪磨削方法加工效率低，而用FIB（Focused Ion Beam，聚焦離子束）、WEDGE（Wire Electro Discharge Grinding，線電極電火花磨削）方法制作硬質合金微鉆頭或微立銑刀非常方便，容易滿足精度要求。銑削時可采用兩齒、梯形、半圓、一字形、方形等形狀的立銑刀。適合微細切削的硬質合金帶柄銑刀在工業(yè)上已被廣泛采用，高精度制作微型銑刀和鉆頭的技術要求很高，直徑越小，制作越困難，最小直徑為0.1mm的銑刀和的鉆頭已能夠生產。目前市場上可見到的硬質合金微型鉆頭中，經過研磨的麻花鉆最小直徑為0.03mm，扁鉆為0.01mm。據報道，在實驗室里采用電解磨削方式，可制作出0.005mm的極小直徑鉆頭。
目前市場提供的微型刀具，其尺寸和形狀的偏差極不均勻。例如，對同一供應商提供的31支直徑為0.02mm
的鉆頭進行測試，測試結果：直徑的平均值為0.021mm，標準偏差為0.0015mm；芯厚平均值為0.0063mm，標準偏差為0.0017mm，這樣的精度顯然較差。因此，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解決的問題之一。
5 微切削機理
微切削機理的研究對于合理選擇切削參數、保證微切削加工質量、降低生產成本、提高生產率有著十分重要的意義。微切削時，由于工件尺寸微小，從強度、剛度上來說都不允許采用較大的切削深度和進給量，同時為保證工件尺寸精度的要求，最終精加工的表面切除層厚度必須小于其精度值，因此切削用量必須很小，如切削深度有時小于材料的晶粒直徑，使得切削只能在晶粒內進行，這時的切削相當于對一個個不連續(xù)體進行切削，切削的物理實質是切斷材料分子、原子間的結合，實現原子或分子的去除，因而傳統(tǒng)的以連續(xù)介質力學為基礎的切削理論已不適于微切削，所以，微切削機理的研究需要采用與傳統(tǒng)塑性理論不同的方法進行研究。應變梯度塑性理論是傳統(tǒng)塑性理論的推廣和完善，是連接經典塑性力學理論與原子模擬之間的必要橋梁。近年來已發(fā)展起來多種應變梯度塑性理論，較為典型的有CS（couple stress）應變梯度塑性理論、SG（stretch and rotation gradients）應變梯度塑性理論和MSG（mechanism - based strain gradient）應變梯度塑性理論。
采用應變梯度理論，可以預測出尺度效應和位錯影響，獲得與試驗相吻合的結果，在微機械與微構件領域已成功分析了微米壓痕、裂紋尖端場、界面裂紋、細絲扭轉與微薄梁彎曲等問題，并開始在微成型研究中得到應用，采用應變梯度塑性理論研究微切削變形將是微切削機理研究的方向。另外，微切削時的主軸轉速一般都非常高，加工精度要求非常精密，因此微切削具有高速精密切削的特征，將高速精密切削機理的研究成果應用到微切削領域也是微切削研究的趨勢。
（1）微切削機理的模擬仿真
主要利用有限元技術和分子動力學方法，有限元技術以連續(xù)介質力學為基礎，因此分子動力學方法更適用于微切削。采用分子動力學方法對微切削機理的模擬仿真研究在世界范圍內已開展了十幾年，研究工作主要是建立原子、分子尺度的切削模型，從原子、分子角度去理解切屑和表面形成過程，解釋材料性能、刀具幾何參數和工藝參數對微切削應力與應變分布、切削力、切削溫度和已加工表面質量等的影響。
（2）最小切削厚度
能穩(wěn)定切削的最小有效切削厚度稱為最小切削厚度。微切削中的切屑形態(tài)、切削力、切削穩(wěn)定性、工件材料的微量加工性、切削用量的合理選擇、加工表面質量等都受最小切削厚度的影響，因此最小切削厚度的研究對于微切削意義重大。微切削可以達到的最小切削厚度與刀具刃口的圓弧半徑、工件材料的物理力學性能、微觀組織結構及第三變形區(qū)刀具—工件間的摩擦系數等有關。由于最小切削厚度的影響因素較多，較難確定最小切削厚度，在生產實際中一般根據刀具刃口圓弧半徑的大小來確定最小切削厚度。研究表明：最小切削厚度與刀具刃口圓弧半徑成正比關系，比例系數與刀具和工件材料副有關，一般為0.165～0.246，如刀具刃口半徑為50nm，要實現切削厚度極小的超薄微切削，此時的最小切削厚度約為10nm。
（3）切屑形態(tài)
只有當微切削的切削深度大于最小切削厚度時才能產生切屑。與普通切削相似，微切削的切屑有三種形態(tài)：連續(xù)狀切屑、非連續(xù)狀切屑和伴隨積屑瘤的切屑。切屑的形態(tài)與工件材料的性能、切削速度、切削變形等有關。
（4）微切削力
微切削時的切削力較小，但單位切削力較大，且切深抗力大于主切削力。切削力隨切削深度的減小而增大，且在切深很小時切削力會急劇增大，這就是切削力的尺寸效應。切削力尺寸效應的存在使得普通切削的切削力模型已不適合于微切削。切削力的尺寸效應與刀具刃口半徑關系密切，由于刃口圓弧半徑的存在，切削刃在微量切削時形成一個較大的負前角，使切削變形增大，切削時的單位切削力增大。如切削深度進一步減小時，切削有可能在晶粒內部進行，此時，切削力必須大于晶體內部的分子、原子結合力，因而使單位切削面積上的切削力急劇增大。微切削時的切削力還與晶向和晶界有關。
（5）切削溫度
由于微切削的切削用量較小，因此與傳統(tǒng)切削相比，微切削的切削溫度較低。對于精度要求較高的微加工來說，加工溫度的變化對加工精度的影響是不能忽略的，同時切削溫度對微切削刀具磨損的影響也不能忽視。
（6）工件材料的微量加工性
工件材料的去除過程不僅取決于切削刀具，同時也受制于工件材料本身。微切削工件材料的微量加工性可用納米級表面粗糙度及在某一加工距離上對刀具磨損的可忽略性來定義。影響工件材料微量加工性的因素包括被工件材料與刀具材料的親合性（化學反應）、工件材料本身的晶體結構、位錯、缺陷分布和熱處理狀態(tài)等（如多晶體材料的各向異性對零件加工表面完整性具有較大影響）。
（7）刀具變形
刀具的剛性對微切削加工過程有相當程度的影響，如銑削加工中當刀具剛性不足時，在加工過程中會使加工精度變差，嚴重時會使微立銑刀斷裂。微立銑刀的刀具變形為
δ=F·L3/3·E·I
式中δ為立銑刀的徑向變形量；F為徑向切削力；L為刀具伸出長度；E為刀具材料的彈性模量；I（I=πD4/64，D為立銑刀的等效直徑）為刀具的極慣性矩。
（8）表面粗糙度與切削穩(wěn)定性
工件表面形貌是由于刀具的輪廓映射到工件上的結果，因此加工表面粗糙度由刀具和工件之間相對運動的精度及刀具刃口形狀決定。微切削時，如果切削深度小于工件材料的晶粒直徑，相當于對一個個不連續(xù)體進行切削，工件材料的微觀缺陷以及材質分布的不均勻性等使刀具在微切削時的切削力變化較大，使切削刃受到較大的沖擊和振動。微細切削中的振動對加工表面質量的影響不容忽略。
（9）毛刺
毛刺是切削加工后在工件表面由于塑性變形所產生的微小突出物。毛刺的存在會影響零件的配合，降低工件的尺寸精度和表面質量。使用帶毛刺的零件會帶來安全隱患，特別是在某些特殊場合，如航空航天等領域。因此，必須增加去毛刺工序，去毛刺的方法有機械法、熱能法、化學法、電解法、電化學法、研磨法等。
（10）積屑瘤
微切削時積屑瘤在加工中的影響不容忽視，冷焊在刀刃上的積屑瘤會造成刀具幾何角度發(fā)生變化，影響切削力和切削變形，積屑瘤還會影響加工表面粗糙度。積屑瘤的產生受刀刃的微觀缺陷、切削速度以及進給量的影響。在微切削時，切削速度越低積屑瘤越高，進給量越小積屑瘤也越高。
（11）刀具磨損
與普通切削相似，微切削刀具的失效也有兩種形式：磨損和崩刃破損。三個變形區(qū)的變形，尤其是第三變形區(qū)的刀具—工件間的摩擦以及由于被加工表面的彈性恢復會引起刀具機械磨損。開始切削時，刀具存在初始微磨損，在切削一段時間后，刀具磨損會逐漸加劇，有時甚至會突然惡化。刀具磨損主要發(fā)生在刀具的前、后刀面上。由于氧化、擴散等作用，刀具也會產生熱化學磨損。崩刃破損是當刀具刃口上的應力超過刀具材料的局部承受力時發(fā)生的，是最難預測和控制的損傷，而且對加工表面質量的影響比前、后刀面磨損的影響要大。降低切削溫度可有效減少刀具磨損。
6 微切削CAD/CAM技術
Cimatron E是適用于微切削的商用CAD/CAM軟件，主要用于微銑削。從2003年4月份開始，歐洲金融共同體開始資助CRAFT，歷時24個月對微型塑料組件的注射模具進行了微銑削研究。該項目涉及微型加工技術的整個過程，參加該項目的機構包括Fraunhofer Institute of Production Technology（IPT）、CAD/CAM軟件供應商Cimatron Gmbh、銑削機床商Kern、刀具制造商Magafor以及模具制造商Promolding B V Structoform和MMT AG）。模具材料的硬度為53HRC，微型模具銑削的精度<5μm，曲面粗糙度Ra<0.2μm。刀具制造商提供的刀具直徑最小達50μm，銑削機床商提供的微切削機床主軸最高轉速達到160000rpm，CAD/CAM 軟件供應商提供適用于微切削的Cimatron E軟件。
與單純實體建模不同，Cimatron E的實體曲面混合建模技術利用“為制造而設計”的CAD功能來修復幾何模型，通過各種曲面功能融合縫隙并變成實體，其ACIS內核技術提供高達1nm的內部精度，以滿足微銑削的特殊要求。為了降低風險，防止換刀過程中產生的不連續(xù)微型曲面，Cimatron E可提供多種微銑削加工策略。NC策略中支持斜線或螺旋下刀保證刀具最大限度光滑和連續(xù)地進入工件。加工過程中通過應用高速切削（HSC）策略獲得均勻一致的刀路，并使用毛坯殘留知識防止斷刀，以對微型型腔進行開粗。Cimatron E的微銑削技術通過識別真實的殘留微型毛坯以及具有同樣功能的開粗、二次開粗、精加工微和擺線開粗等加工策略保證刀路軌跡高效安全。高硬度材料且加工質量要求高的曲面5軸聯動切削時需要非常小直徑的短錐型刀具進行。
為了滿足高速微細銑削的要求，Cimatron E采用了多種高速銑削加工策略，如角部圓角連接、零重疊擺線精加工、S連刀和螺旋下刀、自適應Z層精加工和流線加工。Cimatron E也支持樣條逼近加工和流線銑削，減少加工時間，降低刀具磨損和破損。
7 微切削加工技術的發(fā)展展望
微型機械是一個重要的發(fā)展方向，應用前景很好，國內外都非常關注這一領域的研究，微切削加工技術是微型機械制造領域最活躍的研究方向之一。
目前微小型機械加工工藝與設備研究整體上還處于探索階段，尚未形成完整成熟的技術體系和規(guī)模制造的技術能力。預計未來15年左右，微小制造工藝與相關設備技術將得到迅速發(fā)展，尤其在微小型武器、微小型醫(yī)用器械、仿生器械、探測器械、航空航天器械等方面將得到廣泛應用。在微切削方面今后應重視以下課題的研究，以促進微切削技術的生產應用。
（1）微切削應用基礎研究包括微型零件切削加工裝備關鍵技術的研究，主要研究高速主軸系統(tǒng)，精密工作臺的定位、運動及控制技術，復合微切削加工設備與技術；微切削刀具材料和刀具制作技術的研究；微切削刀具、工件的快速裝夾、測試及微切削加工過程的監(jiān)控技術。
（2）微切削機理的研究主要研究熱—力耦合應力作用下的微切削不均勻變形場，研究微尺度下工件材料的本構方程，分析微切削變形區(qū)的尺寸效應、不均勻應變、位錯等對剪切變形應力和剪切變形能的影響；研究最小切削厚度對切屑形態(tài)、已加工表面形成、切削力、切削溫度等的影響及工件材料微觀組織結構對表面粗糙度和次表面損傷的影響，建立微切削加工理論和技術體系；研究多尺度微細切削模擬仿真技術，奠定微切削加工技術的應用基礎。
（3）微切削工藝研究包括各種新材料如鋼鐵、鈦合金、不銹鋼、鋁合金、陶瓷和其它非金屬材料及各種復合材料的微切削加工工藝，微切削CAD/CAM技術。
（4）微切削加工技術的經濟性和可靠性研究。 |
