微铣刀在位制备方法研究
杨正杰, 张勇斌, 徐凌羿     
中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所, 四川绵阳 621900
摘要: 提出基于WEDG技术的微铣刀在位制备方法,将微铣刀的制备与使用结合起来,在同一台微细电火花加工机床上完成微铣刀的在位制备与在位铣削过程,可实现微铣刀的低成本高精度制备,同时避免微铣刀的二次装夹所造成的倾斜和偏心误差,提高微铣削整体质量。为验证基于WEDG技术的微铣刀在位制备工艺方法的可行性,基于自研μEM-200CDS2型双主轴三工位微细组合电加工机床平台,进行了微铣刀在位制备与在位铣削的实验研究。结合WEDG工艺特点对微铣刀进行材料选用与构型设计,实现了直径小于100 μm、刃口锋利的D型微铣刀的制备,并利用所制备微铣刀在位铣削出最小壁厚小于20 μm的一组薄壁结构。实验结果表明:基于WEDG技术的微铣刀在位制备方法在原理和技术上是可行的。
关键词: 微铣刀     WEDG     在位制备    
Study on On-site Preparation Technology of Micro-milling Tool
Yang Zhengjie, Zhang Yongbin, Xu Lingyi     
Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Sichuan Mianyang 621900, China
Abstract: A novel method of micro-tools preparation with wire electro discharge grinding(WEDG) technology was presented. The method combines the manufacturing with the use of micro-milling tool, so the preparation and use process of micro-cutter would complete together on the same micro-EDM machine. In this way, the set-up errors caused by micro-cutter tilt and eccentricity errors could be avoided, and the overall quality of the parts would be increased. In order to verify the feasibility of on-site preparation technology of micro-milling tool via WEDG, a series of experiments were carried out based on the self-development μEM-200CDS2 double spindle three-position micro EDM platform. The influence of the tool material and geometric structure of micro-milling tool tip was analyzed, meanwhile, the carbide materials and the geometric structural of D shape were acquired which are suitable for WEDG processing. Finally the micro-milling tool with cutting edge diameter less than 100 μm were fabricated via WEDG, and a group of thin-walled structures with a minimum thickness less than 20 μm were machined with micro-milling. The results showed that the on-site preparation technology of micro-milling tool via WEDG is feasible.
Key words: micro-milling tool     WEDG     on-site preparation    

微细铣削技术是在高转速下采用微铣刀对零件进行微细切削加工的技术, 其具有材料适应性广、加工尺度跨度大、加工效率与加工精度高、加工成本低、柔度高、三维加工能力强等特点[1-2]。对于如太赫兹折叠波导[3]、激光聚变微靶件[4]等国防及民用高技术领域的介观尺度复杂特征的精密微小零件的加工, 微细铣削表现出极强的潜力, 但目前还存在微小零件整体加工质量不高的问题。微细铣削的质量取决于切削参数、铣削策略、工件材料和刀具本身, 而微铣刀作为微细铣削加工中最为活跃和最为关键的因素, 其设计、制造、安装和工作状态将直接影响微细铣削的工艺效果, 而其尺寸精度也直接决定了所加工微小零件的特征尺寸和精度的极限[5]。微铣刀的制备技术是目前制约微细铣削技术发展的主要瓶颈之一, 低成本高精度的微铣刀制备工艺方法已成为微细铣削领域的研究热点和难点[6]

目前微铣刀的制备多采用离线制作的方式, 即首先在一台设备上制造出微铣刀, 再安装到另一台设备上进行微细铣削加工, 此种方式存在难以避免的二次装夹误差, 会对刀具的可靠性和零件加工精度产生显著影响[7]。针对这一现状, 本文提出基于WEDG(线电极电火花磨削)技术的微铣刀在位制备方法, 将微铣刀的制备与使用结合起来, 在同一台微细电火花加工机床上完成微铣刀的在位制备与在位铣削过程, 可避免微铣刀的二次装夹所造成的倾斜和偏心误差, 提高微铣削整体质量。随后基于所提出的微铣刀在位制备工艺方法, 开展了微铣刀在位制备与在位铣削实验, 验证了该工艺方法的可行性。

1 微铣刀的在位制备原理

WEDG技术由日本东京大学增泽隆久等[8]于1984年提出, 主要用于解决微细电加工领域中微细工具电极的在线制作问题, 其基本原理如图 1所示。

图 1 线电极电火花磨削的原理示意图

图 1中电极丝沿导向器槽连续单向移动, 导向器可沿微细轴(待成形的工具电极)的径向进给, 微细轴随主轴旋转的同时做轴向进给, 微能电脉冲加在微细轴与电极丝之间, 结合CNC控制微细轴的旋转与导向器的位置, 可以实现不同形状微细工具电极的制作。

基于WEDG的微铣刀在位制备是指借鉴WEDG技术在线制作微细工具电极的工艺, 将微铣刀的制作与使用结合起来, 通过WEDG技术制备出微铣刀, 不拆卸所制备微铣刀, 在同一台微细电火花加工机床上的不同工位上使用微铣刀完成工件的微细铣削加工过程, 基本原理如图 2所示。

图 2 基于WEDG的微铣刀在位制备与使用原理示意图

该工艺方法具有如下优点:

1) 可实现微铣刀的几何轴线与机床主轴回转轴线的重合, 从而避免微铣刀的二次装夹所造成的倾斜和偏心误差, 微铣削加工零件的加工质量可获得明显的提高;

2) 采用WEDG工艺方法, 兼具无宏观切削力、可加工刀具直径较小、刀具制造成本较低等优点, 并且通过多轴联动CNC控制与放电能量的精准控制, 可实现复杂形状微铣刀的精密成形;

3) 由于尺度效应的影响, 微铣刀在使用过程中会磨损较快, 该工艺方法可在一定程度上实现对微铣刀磨损的在位修复, 将明显减低微铣刀的使用成本。

2 微铣刀的在位制备方法实验验证 2.1 实验平台

实验平台为自研μEM-200CDS2型双主轴三工位微细组合电加工机床(图 3), 该机床配置了自主研发的微能脉冲电源(已实现60 ns脉宽的脉冲放电)和多功能WEDG装置。实验中使用主轴2与工位Ⅲ、工位Ⅱ, 结构示意图如图 4, 主轴2用于装夹微铣刀毛坯, 工位Ⅲ的WEDG模块用于完成微铣刀的制备, 工位Ⅱ装夹试件用于开展微铣刀的铣削实验, 实验过程可以通过机床的视觉系统在线观测。该加工设备进给分辨率0.1 μm, 主轴的回转精度1.5 μm, 脉冲电源产生的单个脉冲的最小能量10-7 J, 能够满足微铣刀在位精密制备的精度要求。

图 3 μEM-200CDS2型机床
图 4 实验装置结构示意图
2.2 微铣刀的材料选用与构型设计

在微细铣削加工中, 由于刀具尺寸与切削参数的缩小, 会带来明显的尺度效应, 导致切削力增大, 刀具磨损加快, 刀尖更易破损, 在铣削过程中出现崩刃甚至是断刃的现象[9]。微铣刀的材料、整体刀具结构、刀头形状等对于微铣刀寿命与切削性能有极大的影响, 同时对于微铣刀的电火花加工工艺难度也有很大的影响。

2.2.1 微铣刀的材料选用

在微细铣削加工中, 随着微铣刀回转半径的微小化, 对刀具的抗弯强度、与断裂韧性提出了更高的要求, 同时由于微铣削的切削深度和进给量非常小, 会导致单位切削面积上的切削力增大, 产生大量切削热使刀尖局部区域的温度升高, 因此微铣刀材料需要很好的耐热性与耐磨性, 在高温下能保持较高的强度与硬度。微铣刀刀头材料主要包括高速钢、硬质合金、PCD、单晶金刚石、PCBN等, 如图 5[10], 可见硬质合金材料目前应用最为广泛。金刚石、PCBN等超硬材料具有比硬质合金更高的强度和硬度, 且可加工出更锋利的刃口, 但是其韧性较差, 且电火花加工性能远远逊于硬质合金(见表 1, 抗侵蚀指数越小, 材料越易于用电火花加工工艺蚀除)[11]。硬质合金的摩擦与磨损性能主要受到晶粒度与粘结相Co含量的影响[12]:晶粒度越小, 硬质相晶粒表面积和晶粒间的结合力越大, 粘结相分布也更均匀, 能够显著提高材料的硬度、耐磨性与抗弯刚度, 同时晶粒度也决定了所制备刀具的锋利度极限; 而粘结相Co含量的增加, 硬质合金组织缺陷和应力将减少, 抗弯强度和断裂韧性将相应的得到加强。为降低加工难度, 同时保证微铣刀的强度与硬度, 选择含钴量较高晶粒度0.4 μm的超细晶粒硬质合金作为微铣刀的材料, 超细晶粒硬质合金主要性能参数如下:晶粒度为0.4 μm, Co含量为9%, 密度为14.40 g/cm3, 硬度为93.5 HRA, 抗弯强度为4 000 N/mm3

图 5 主要的微铣刀材料
表 1 几种材料的抗侵蚀指数
材料抗侵蚀指数(约值)
硬质合金7 610
PCD73 000
PCBN140 000
2.2.2 微铣刀的构型设计

商品化微铣刀主要是传统螺旋立铣刀的结构, 由于刀具尺寸和结构的影响, 微铣刀的刚度很低, 而且加工过程中由于切深很小, 螺旋槽不能促进有效排屑, 导致微铣刀的失效更为严重[13]。面对加工特征尺寸越来越小的微细铣削需求, 采用传统螺旋状立铣刀按比例缩小的结构已不再适合。新加坡国立制造工程研究所提出简单异形结构的微铣刀[14]相较于传统螺旋状立铣刀而言, 更加适合于微细铣削加工, 图 6为截面形状以半圆形、多边形等为主的简单多面体平底刀头结构。

图 6 简单异形结构的微铣刀形状

通过NC控制主轴旋转与工作台进给, 结合WEDG技术可加工出以上微铣刀结构。为降低制备的难度, 同时保证刀具整体刚度, 设计如图 7所示简单直刃D形的微铣刀刀头结构, 微铣刀参数如表 2。微铣刀的悬伸量选为15 mm。

图 7 微细立铣刀的结构
表 2 微铣刀的结构参数
结构参数取值
铣刀总长20 mm
刀柄直径900 μm
刀颈直径300 μm
刀头直径100 μm
刀头长度300 μm
底面倾角20°
2.3 微铣刀在位放电磨削制备实验 2.3.1 加工流程的设计

实验所用WEDG模块的放电加工单元结构如图 8所示, 线电极沿着可调整间距的两个导丝头在水平面内恒速走丝, 放电加工区域位于两导丝头之间, 结合机床主轴的旋转运动与X、Y、Z轴的进给运动, 可实现图 7所示微铣刀的加工。微铣刀毛坯选用直径0.9 mm的超细晶粒硬质合金圆棒料。加工过程分为4步:刀颈加工, 后刀面加工, 前刀面加工和底面加工。

图 8 放电加工单元结构示意图

加工路径如表 3所示, 为实现与前刀面夹角为70°的底面的加工, 需结合机床主轴的分度定位功能, 前刀面加工时主轴定位到0°不旋转, 底面加工时主轴定位到180°不旋转, 通过主轴与工作台联动实现倾斜底面的加工。

表 3 微细立铣刀加工过程
加工过程刀颈加工后刀面加工前刀面加工底面加工
示意图
微铣刀毛坯运动轨迹
主轴转速250r/min250r/min不转,定位到0°不转,定位到180°
2.3.2 放电参数的确定

WEDG加工中, 影响加工质量与加工效率最主要的因素是单个脉冲放电能量的大小。单个脉冲能量小, 单次放电在工件表面形成的电蚀坑小, 工件表面质量好, 反之, 则工件表面质量差。由电火花加工蚀除速度的经验公式可知, 加工效率与单个脉冲能量成正比, 经验公式为[15]

    (1)

式中:v表示材料的蚀除速度; K表示与电极材料、脉冲参数、工作液等有关的工艺参数; WM表示单个脉冲的能量; f表示脉冲频率; 表示有效脉冲利用率。而单个脉冲的放电能量取决于放电电压、放电电流和放电持续时间[15],即

    (2)

式中:te表示脉冲放电时间; u(t)表示随时间变化的极间放电电压; i(t)表示随时间变化的极间放电电流)。为获得好的加工质量并且提高加工效率, 需要根据加工特点选择各个放电参数。刀颈表面为不参与切削, 可以采用粗加工的方式加工。刀头后刀面、前刀面、底面参与切削, 兼顾加工质量与加工效率, 在分层加工时首先采用粗加工的方式, 待加工余量较小时再采用精加工的方式, 粗加工与精加工时的放电参数如表 4

表 4 实验用放电参数
放电电压/V脉宽/μs脉间/μs限流电阻/Ω
粗加工100101210
精加工8012200
2.3.3 结果分析

在光学显微镜下对所制备微铣刀进行观测, 如图 9可见, 所制备微铣刀具有较好形状精度。在扫描电镜下可见(图 10)微铣刀刀头的刀刃锋利, 表面较平整, 具有良好的表面质量。

图 9 微铣刀光学显微镜图
图 10 微铣刀刀头扫描电镜图
2.4 微铣刀在位铣削实验

微铣刀安装在机床主轴2上, 首先在工位Ⅲ通过线电极电火花磨削加工出所设计微铣刀结构, 不拆下铣刀, 将主轴2移至工位Ⅱ进行试件的微细铣削, 如图 4虚线部分所示, 从而实现微铣刀的在位制备与使用。选取材质较软的石墨作为工件材料, 通过加工一组薄壁结构来验证微铣刀的切削能力, 加工参数分别如表 5。实验结果如图 11, 在石墨材料上铣削出槽宽110 μm、最小壁厚小于20 μm的一组薄壁结构, 表明所制备微铣刀具有良好的切削能力。

表 5 石墨材料加工参数
加工参数取值
主轴转速400 r/min
切深3 μm
每齿进给量2 μm
图 11 石墨材料上铣削出的薄壁结构
3 结论

提出一种基于WEDG技术的微铣刀在位制备方法, 结合WEDG技术的原理与特点选取微铣刀材料并对其进行构型设计, 开展了基于WEDG的微铣刀在位放电磨削制备与在位铣削实验, 实现了直径小于100 μm、刃口锋利的D型微铣刀的制备, 并利用所制备微铣刀在位铣削出最小壁厚小于20 μm的一组薄壁结构。实验结果表明:基于WEDG技术的微铣刀在位制备方法在原理和技术上是可行的。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0914
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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杨正杰, 张勇斌, 徐凌羿
Yang Zhengjie, Zhang Yongbin, Xu Lingyi
微铣刀在位制备方法研究
Study on On-site Preparation Technology of Micro-milling Tool
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1396-1401
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1396-1401.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0914

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收稿日期:2016-03-17

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