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切削加工技术向高速车铣和微细加工发展
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作者：松冈技术研究所法人代表 松冈甫篁 来源：日经BP社5 V% n: J+ ]5 A& [& b2 M
) r; K) O3 l* k7 {+ N 在CO2减排和节能潮流中，LED（发光二极管）的照明应用得到迅速推进。对制造LED及LED透镜过程中使用的模具加工而言，需要进行基于切削的微细加工。在硬盘流体轴承部件的内径切削，以及医疗领域的微细液体流路加工等微细加工作业中，切削与纳米压印、激光加工及放电加工等占有同等重要的地位。
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& \! |+ Y* H1 M# b4 \5 n8 n在技术上，目前已能够实现nm（纳米）级别的加工精度。这是在高速车铣方面的技术积累基础上得到的成果。 " l& Q/ o5 M0 ?, k
l b* g, j3 m7 [可应用于微细加工的高速车铣 * P; f! z" F6 s' e/ B# P
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高精度化和高生产效率等要求能够以10万rpm以上的高速旋转小径立铣刀来进行切削。下面来解释一下其原理。
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# |9 t0 K' C7 H. S4 o# f+ K要想提高加工精度，必须使刀具很浅地切入。如果不增加其他手段的话，就要付出加工时间随加工长度延长的代价。因此，在每刃切入量保持固定的情况下通过高速旋转进行高速进给，便可使单位时间的切削容积得到增加。而且，高速切削还有望实现大幅减薄切屑，降低切削阻力的优点。
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9 o5 p& H8 T9 G, J: ^) [这样，加工过程中刀具所产生的弯曲阻力也会减少，从而使刚性低的小径刀具也能够实现良好的加工效果。另外还有望抑制刀具的磨损。从这些情况来看，如何有效实现基于高速旋转、浅量切入及高速进给的高速切削，对于微加工而言十分重要。 $ b- G( ^# }& M F, w+ h- s. ^
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目前已有实验结果实证了这一原理。在超高速小型空气轴承涡轮机轴（ABSF-1600：NAKANISHI制造）上使用超硬涂层半径立铣刀，在切入量和切削长度相同的条件下，分别以10万rpm和14万rpm进行平面加工，尝试测定了加工负荷导致的与标准设定转速的转速偏差。然后经波形信号处理，得出了转速降低时的平均切削阻力和分析结果。数据显示，14万rpm与10万rpm相比，切削阻力降低了9.6％。也就是说，高速旋转使切削负荷明显趋于减轻，在利用小径刀具的加工中起到了有利作用。
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适于微细加工的高速车铣刀具设计 : D( r6 r/ d5 E+ L
2 p' z0 r/ z& @, c( Y不过，现有的装置及系统很难实现上述作业。必须要对刀具、机床及控制方式分别进行全新设计。首先从刀具来看，要想实现次微米级别的超精密切削精度，刀具磨损极限就必须控制在数μm以下（退刀面磨损摩耗宽度）。在这一方面，高速车铣的研究成果提供了有效数据。 . Y$ a, @0 y5 B7 W$ z
; }4 ^$ J( x# _/ P5 }9 V6 q比如，在对立铣刀进行微小径设计时，为了提高刀具刚性，必须要最大限度地确保截面面积。因此，切削刀刃间的沟槽较浅，前角为负值（切削刀刃的前倾面比直角更向进给方向一侧进行前倾）的切削刀刃形状更为有利。负值的切削刀刃其刀尖角度以钝角（大于90°）常见，进行高速车铣时具有充分的切削加工能力。 1 _: C( S% c2 G: |0 k# Y% i1 E: ^
# D' g- G0 T# d- K在立铣刀的微小径设计中，刀具材料也起着十分重要的作用。微细形状的切削加工很难在切削后再进行精加工，最好是利用刀尖部无变化的“无损刀具”一次性完成精加工。这时通常使用比涂层超硬合金更具耐磨损性的cBN烧结体及金刚石烧结体等材料。使用超硬合金时还采用图1所示的、粒径为数百nm级的超超微粒子合金。 5 B' x. P1 E7 ?9 |$ z
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但这些刀具材料因硬度高而难以进行刀具成型。找出高精度且高效率的刀具成型方法是今后所面临的课题。对此，也可考虑通过研磨进行刀具成型，图2是通过研磨成型的直径30μm的方形立铣刀，为了最大限度地确保截面面积，采用了将圆柱削去一部分的切削刀刃形状。 % ~/ ]. H$ w( o+ C5 S
图3中的刀具是一款平面切削用立铣刀，能够实现具有次微米级平坦度和粗细度的加工面。开发时不仅设想将被削切材料的加工面粗细度控制到1μm以下，而且还考虑到了在精度及效率方面切削加工要比研磨加工更为有利。图4中直径为10μm的产品估计是目前尺寸最小的市售立铣刀。 % P! j. p. }6 v- l! K. Z
在不进行插补的情况下直接控制轴移动 : A3 j5 I- f5 b! G) T
5 l- @/ o/ F7 i+ B0 T在微细加工中，原来的机床控制方法已不足以满足需求。根据三维模型数据由CAM生成的现有CNC程序已到达极限。用于切削出指定形状的刀具轨迹，目前大都是按照分成小的线段以近似数据输出，因此增大加工精度的话会增大数据量，在输出由CAM生成的CNC程序时往往要花费大量时间。而且，数控装置也需要时间去解读CNC程序。这样就阻碍了通过充分发挥加工中心的特性来实现更高速、更高精度的切削作业。其中，尤其在采用CNC程序进行超精密及微小形状的切削加工时，还需要使用更加细小的微小线段和直线插补数据，在精度和效率方面会出现更多问题。
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, Y0 X0 |$ s8 B& Q因此，一种不经由NC代码而直接向运动控制器输出轴移动指令的系统（以下称DirectMotion）被开发了出来（沙迪克 Sodick 公布）。这样可在超精密微细切削中提高加工精度和加工效率。 . Y" P p$ ~- ?( N1 j/ v$ S8 C
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图5展示了DirectMotion发出切削指令的过程与普通控制方式的不同。DirectMotion可在CNC控制系统中内置CAM功能，因此只需输入CAD数据即可执行最佳切削。 2 i6 k; u$ J6 S [+ f) i7 x) T
利用该控制系统进行切削的事例将在以后进行介绍，不过目前已证实切削精度、切削时间均比原来的CNC控制方式有大幅提高。
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% `9 c5 c. d/ y' i. L, F直接卡紧，用线性马达驱动 1 e0 }7 F$ |" @ s6 \$ v
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除此之外，还要在机床（加工中心）上采取对策，比如在加工微细形状时保持进给速度，将切削时对刀尖的撞击控制到最小限，等等。目前，日本理化研究所和沙迪克共同开发的实验机型正在进行尝试。该实验机型可进行微小径立铣刀切削，主轴通过空气涡轮驱动，转速可达到每分钟20万转，振摆精度和热变形控制在0.3μm以内。为提高刀尖振摆精度，采用了基于热装的主轴直接卡紧方式。线性马达驱动系统的加速度特性方面，XY平面内为1.5G，Z轴为1G，可实现敏捷的进给操作。
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# [6 J' Q# |* Q沙迪克利用该实验机型进行切削实验后，根据实验结果于2005年12月推出了超微细精密加工中心。采用每分钟12万转的低热变形主轴、全轴线性马达、两轴相对驱动进给机构，以及直接控制CNC装置等新设计，与原来的加工中心相比，可获得10倍以上的高效率。而且，还有望实现具有单纳米级表面粗细精度及形状精度的新型超精密高速切削。 5 u6 f; B* N+ g4 k8 h
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今后随着技术上对超微细加工的进一步支持，还有可能利用肉眼看不到的微小刀具进行切削，届时将很难通过目视来确认切削开始时的接近动作。机床的操作以程序指令为中心，将不可避免地要利用模拟、传感器等手段来防止刀具的撞击。 9 `8 F' C% t( H1 H4 v3 g
% K% T& M6 h/ w$ o) G! V0 T无需研磨即可实现镜面 : s& \5 S$ M0 p1 s3 j- J$ k
# ]: h# T0 D+ p$ Q _% R3 B! n$ E9 N+ b6 c以上技术开发成果在超微细精密加工事例中已经得到体现。由于直接关系到最尖端的新产品开发，因此公开的事例很少，不过如图8所示，在高硬度钢方面，已经出现以烧结体立铣刀对20μm和13μm的拐角R形状进行切削的事例。微小R形状的切削，其关键在于要抑制刀角部分的磨损，这一形状是以前公认难以通过切削来实现的。 / e) J" w A3 t. C8 a
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图9是数十～单纳米级的平面切削事例。该技术以超精密微细切削时确保材料平面精度等为目的开发而成。其意义在于可实现无需精加工即可切削出光学透镜等形状的精度。
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发表于 2010-6-6 13:56:19