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如今零件不僅變得越來(lái)越小，同時(shí)它們包括的部件越來(lái)越多，以提供更多機(jī)能。制作小而復(fù)雜的零件需要采用微型刀具進(jìn)行加工，這種刀具為非標(biāo)刀具，同時(shí)極易變形和破損。用于微細(xì)加工的刀具不會(huì)與大尺寸刀具一樣對(duì)切削環(huán)境做出反應(yīng)。
有大量影響該過(guò)程基本機(jī)制的微細(xì)加工問題，這些問題與采用大規(guī)格刀具加工時(shí)存在的問題有著本質(zhì)區(qū)別。這些問題包括，切屑形成過(guò)程中發(fā)生的變化、切削力變化、過(guò)程中的異常振動(dòng)和非穩(wěn)定性以及加工表面的形成和特征等。
微型零件在航空、汽車、生物醫(yī)學(xué)、電子、信息技術(shù)、光學(xué)及電信行業(yè)等領(lǐng)域具有大量應(yīng)用。為了降低成本，大部分微型零件都是用模具制造的。模具制造廠家面臨著各種挑戰(zhàn)，包括采用稀有材料直至專用模具涂層，用直徑為0.002英寸(50μm)直徑的刀具銑削零件，用0.00078英寸(20μm)的電極絲進(jìn)行電火花加工，以及實(shí)現(xiàn)“潛水艇”級(jí)精度等。如今許多零件設(shè)計(jì)帶有尺寸不到100μm的特征——僅僅比人的頭發(fā)絲略大一點(diǎn)。
對(duì)于這么小的零件和特征尺寸，精度就有了新的含義。例如，±0.0002英寸(±5μm)的公差，對(duì)于尺寸為0.2英寸的零件，與相對(duì)于尺寸為0.002英寸的零件而言，肯定是有很大差異的。
位于以色列GivatShmuel的Cimatron有限公司是一個(gè)CAD/CAM軟件供應(yīng)廠家，其工程主管HariSridharan說(shuō)：“為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工中所要求的質(zhì)量和精度，在滿足經(jīng)濟(jì)和商業(yè)方面限制的同時(shí)，還必須對(duì)整個(gè)制造鏈實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和同步化。”隨著簡(jiǎn)單和中等復(fù)雜度的模具生產(chǎn)被轉(zhuǎn)移到勞動(dòng)力價(jià)格低廉的國(guó)家，美國(guó)與歐洲的模具制造廠家轉(zhuǎn)而采用越來(lái)越先進(jìn)的技術(shù)，諸如微型模具及微細(xì)銑削，以保持自己的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)頭。
CimatronE軟件帶有內(nèi)置式針對(duì)微細(xì)銑削表面而優(yōu)化的高速切削策略及其他專用加工功能。
小零件，大挑戰(zhàn)
在這方面存在的主要挑戰(zhàn)包括：對(duì)由微型部件組成的模具進(jìn)行直接銑削以及制造EDM微型電極。與微細(xì)銑削相關(guān)的挑戰(zhàn)包括采用直徑小至100μm甚至更小的微細(xì)刀具，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)150,000rpm，表面粗糙度達(dá)0.2μm(0.0000078英寸)。同時(shí)，由于對(duì)具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)零件進(jìn)行拋光往往是不現(xiàn)實(shí)的，因此，微細(xì)銑削需要進(jìn)行無(wú)拋光加工。
微型刀具為什么會(huì)變形和破損與常規(guī)銑削相比，在進(jìn)行微細(xì)銑削加工時(shí)，刀具更容易變形和破損。新加坡Suwa精密工程有限公司的主管KenYap認(rèn)為，微型加工刀具更易破損有三個(gè)主要原因。
第一，在加工過(guò)程中去除金屬時(shí)，隨著切屑厚度降低，所需要的比能大大提高。這一點(diǎn)意味著，對(duì)于微細(xì)加工，采用小切深、隨著切屑變薄，微細(xì)刀具刀尖受到的阻力要比常規(guī)加工中的大。這就好像在微細(xì)加工中工件材料變得越來(lái)越硬。這種阻力足夠大，從而甚至在刀具產(chǎn)生任何明顯磨損前就超出了刀尖的彎曲強(qiáng)度極限，并且可能導(dǎo)致刀尖產(chǎn)生破損。防止這種現(xiàn)象的一種方式是確保切屑厚度小于刀尖刃部半徑。
第二，在微細(xì)銑削過(guò)程中因切屑堵塞而引起的切削力和應(yīng)力劇烈上升也可能引起刀尖破損。在大部分采用帶兩個(gè)切削刃的微型刀尖的微細(xì)銑削操作中，每個(gè)切削刃都是在轉(zhuǎn)半圈時(shí)就從切削區(qū)去除切屑。但是，如果發(fā)生切屑堵塞現(xiàn)象，則在若干次刀具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，切削力和應(yīng)力上升到超出刀尖彎曲強(qiáng)度極限，那么刀具就會(huì)破損。為此，某些用戶更喜歡采用高速鋼刀具，因?yàn)榕c硬質(zhì)合金刀具相比，它們更軟，可以更好地容忍切屑堵塞的存在。
第三個(gè)原因是，刀尖因切削刃變厚而損失了自己的刃口，無(wú)法高效加工。隨著工件開始沖擊刀尖頂部，刀尖發(fā)生輕微變形。刀具變形的增加以及因每轉(zhuǎn)銑削而產(chǎn)生的應(yīng)力最終引起刀尖破損。該過(guò)程也被稱作徹底破損。
由于這些現(xiàn)象的存在，大部分用于微細(xì)銑削的機(jī)床都配備傳感器(用于測(cè)量作用在刀尖上力的大小)以及高級(jí)CAM軟件(在整個(gè)微細(xì)加工過(guò)程中預(yù)測(cè)切屑負(fù)荷)。
Titex精密刀具推出的Alpha2Plus微型鉆，采用外部冷卻，帶有優(yōu)化的切屑槽及刀尖幾何結(jié)構(gòu)。新的產(chǎn)品系列直徑有80種規(guī)格，范圍為0.5mm(0.019685英寸)～2.9mm(0.1141732英寸)。
CAD/CAM要求
為了實(shí)現(xiàn)微觀尺寸以及微細(xì)加工所需要的極端精度，不能通過(guò)簡(jiǎn)單地縮小銑床、刀夾及刀具尺寸來(lái)達(dá)到此目的。同樣，軟件必須針對(duì)微細(xì)過(guò)程而諧調(diào)和優(yōu)化。采用正確的精度、平整度及連續(xù)性形成并修改幾何形狀僅僅是微型零件CAD解決方案的入門點(diǎn)。CAM系統(tǒng)必須可以處理嚴(yán)密的公差及超精加工。由于操作員無(wú)法干預(yù)而預(yù)防刀具破損，軟件在整個(gè)加工過(guò)程中必須精確考慮切屑負(fù)載。
Cimatron已經(jīng)推出了一款用于微細(xì)銑削加工的NC軟件解決方案——隨CimatronE7.0產(chǎn)品包提供。在該解決方案于2005年發(fā)行時(shí)，公司稱，該軟件是微細(xì)銑削的第一款商用解決方案。該軟件是Cimatron參與一個(gè)微細(xì)銑削研究項(xiàng)目——由歐共體贊助，德國(guó)亞琛的Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)研究所(IPT)主持——的產(chǎn)物。
由于手動(dòng)拋光不是微細(xì)銑削的一個(gè)選項(xiàng)，Cimatron軟件支持無(wú)拋光加工式高速銑削。為了避免刀具破損的風(fēng)險(xiǎn)，減少空切動(dòng)作，維持刀具負(fù)荷和延長(zhǎng)刀具壽命，該軟件會(huì)不斷自動(dòng)記錄剩余毛坯的詳細(xì)情況，甚至在微型部件水平上也如此。該軟件支持5軸傾斜操作，從而可以用錐度刀具加工較深的區(qū)域。借助將刀具從材料上傾斜開去的本領(lǐng)，可以采用較短的刀具進(jìn)行加工。但是，由于連續(xù)5軸銑削當(dāng)前沒有3軸銑削那么精密，因此在采用連續(xù)5軸加工進(jìn)行微細(xì)銑削時(shí)，必須仔細(xì)驗(yàn)證機(jī)床規(guī)格及實(shí)際性能。該軟件的其他特征包括一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的銑削策略以及帶有精確(0.001μm)表面生成和修改工具的內(nèi)置式CAD。
