高速高精密的切削加工技術(shù)

-.z.高速高精密的切削加工技術(shù)使切削在精度上超越拋光隨著切削技術(shù)的進(jìn)步，精密加工發(fā)生了巨大變化（圖1）。即使在處理納米級微細(xì)形狀及表面粗糙度的加工中，比0.1μm（100nm）還小的"超微精密”的切削加工也成為可能，如圖2所示的鏡面加工已經(jīng)變?yōu)榱爽F(xiàn)實＊1。這一精度并不是在切削加工后進(jìn)行拋光才實現(xiàn)的。與拋光相比，通過切削反而更能獲得平滑的表面。以往的常識正在被顛覆。圖1：超微精密加工的精度普通加工中心（MC）的精度為10μm左右，而能夠進(jìn)行比100nm更精細(xì)的"超微精密加工”的MC也已亮相。圖2：對能夠映出倒影的表面進(jìn)行切削加工的示例由沙迪克（Sodick）進(jìn)行。（a）為半徑為2mm的半球面的切削示例，材質(zhì)為不銹鋼種類之一的"STAVA*”（HRC54）、加工時間為每凹坑40分鐘。按照①→②→③→④的順序進(jìn)行加工。機(jī)床使用的是"AZ150”，面粗糙度Ra為7～8nm。（b）為平面的切削示例，材質(zhì)與模具鋼SKD11相當(dāng)（HRC60），面粗糙度Ra為6.0nm。*1表面粗糙度的定義包括算術(shù)平均精度Ra及最大高度Ry等。均利用對一定線段區(qū)間（基準(zhǔn)長度l）的凹凸進(jìn)行測定的結(jié)果（不包括大的起伏）進(jìn)行計算。單位為mm、μm等（長度）。Ra是對平均高度起的峰谷的高低絕對值進(jìn)行積分后除以l得到的數(shù)值，Ry是最高點（峰）與最低點（谷）的高度差。Pv是連同大的起伏考慮在內(nèi)的最大谷深。精密加工被公認(rèn)為在電子、光、能源及醫(yī)療等多種領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的小型化、高功能化及節(jié)能化時所共同需要的技術(shù)。以生產(chǎn)發(fā)光二極管（LED）用透鏡為目的的模具制造、醫(yī)療及生命科學(xué)設(shè)備中的微細(xì)液體流路的形成，以及硬盤（HDD）的流體軸承部件的內(nèi)徑切削等就是其中的典型案例。要實現(xiàn)這些加工，必須積累多方面的技術(shù)，只依靠市售裝置及系統(tǒng)的話很難實現(xiàn)。日本擁有世界頂級水平的生產(chǎn)技術(shù)，具有向精密加工邁進(jìn)的前提條件。在實現(xiàn)精密加工時，有納米壓印、激光加工及放電加工等多種方法可供使用，而飛速進(jìn)步的高速切削如今也成為了有力選項。通過切削可實現(xiàn)的加工精度得到飛躍性提高，可獲得面粗糙度為一位數(shù)納米級（SingleNano）的高精細(xì)切削表面的加工中心（MC）也已亮相。運(yùn)用高速切削技術(shù)基于高速切削的精密加工要求使用可使小直徑刀具的特性得到充分發(fā)揮的切削方法。最有效的是在刀具淺切入狀態(tài)下，以超過10萬rpm的高速使主軸旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行切削的方法。只將刀具淺切入的話，盡管加工面粗糙度得到提高，但每片刀刃進(jìn)行1次切削（1片刀刃旋轉(zhuǎn)1圈）所能去除的切屑的容積就會減少，使刀具的移動距離變長，從而需要很時間才能完成加工。不過，除旋轉(zhuǎn)速度外還提高進(jìn)給速度的話，便可增加單位時間的切削次數(shù)和加工距離，從而縮短時間。另外，通過淺切入和高速旋轉(zhuǎn)可以更薄地剝除切屑，因此還有望降低切削阻力。所以，刀具的磨損會由此降低，即使是剛性低的小直徑刀具也可實現(xiàn)良好的加工。總之，要想實現(xiàn)精密加工，其關(guān)鍵就在于如何有效實現(xiàn)利用高速旋轉(zhuǎn)、淺切入及高進(jìn)給速度的高速切削。減輕刀具負(fù)擔(dān)的高速切削高速切削（高速車銑）是一種使刀具高速旋轉(zhuǎn)，將切入深度控制在較淺水平，并高速進(jìn)給的切削方法。雖然直到上世紀(jì)90年代前半葉，其實際切削速度（周速，也即刀具切屑刃與被切削材料間的相對速度）尚不足100m/分鐘，但當(dāng)時已經(jīng)清楚的是，將切削速度提高至100～400m/分鐘的話，反而會使切削阻力降低，從而減少刀具的磨損及熱影響（圖）。至于提高切削速度后切削阻力會降低的原因，估計就在于切屑的厚度有所變薄。圖：立銑刀切削的刀具壽命曲線日本理化學(xué)研究所的研究結(jié)果。切削速度過低的話，切削阻力反而會變大，使刀具壽命縮短。由此便出現(xiàn)了利用小直徑刀具，在刀具切屑刃負(fù)擔(dān)較小的條件下，進(jìn)行從最初到最后不更換刀具的切削，由此獲得良好的加工面粗糙度的方法。另外，該方法還可實現(xiàn)原來公認(rèn)較難的、對淬火后的鋼材進(jìn)行切削的加工。因此，在模具加工中，以往在切削后進(jìn)行熱處理，并通過放電加工及研磨加工進(jìn)行精修的工序，基本上只靠切削即可完成。在高速主軸上測定加工負(fù)荷筆者通過對利用小直徑刀具進(jìn)行高速切削時刀具的負(fù)荷特性進(jìn)行調(diào)查，研究了高速切削的效果和有用性。此次在3軸線性馬達(dá)驅(qū)動、主軸轉(zhuǎn)速為4萬rpm的MC上，用夾具安裝了"超高速小型空氣軸承渦輪機(jī)軸ABSF-1600”切削阻力通過分別在10萬rpm和14萬rpm的主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行平面加工（切入深度和切削長度相同）時加工負(fù)荷所導(dǎo)致的、偏離基準(zhǔn)設(shè)定轉(zhuǎn)速的偏差進(jìn)行測定。在14萬rpm轉(zhuǎn)速下加工時，作用于刀具刀頭的切削負(fù)荷比10萬rpm轉(zhuǎn)速下減少9.6％。明顯存在高速旋轉(zhuǎn)使負(fù)荷降低的傾向。在加工面性狀方面，通過分別安裝MC標(biāo)準(zhǔn)機(jī)軸（4萬rpm）和ABSF-1600（14萬rpm），利用涂層超硬球頭立銑刀進(jìn)行平面加工（切入深度和切削長度相同），測定了加工面的精度（圖3）。結(jié)果兩者獲得了大體相同的加工面粗糙度，不過在14萬rpm轉(zhuǎn)速下，切削進(jìn)給方向上呈現(xiàn)出清晰條理的切削刀痕，切削刀具的退刀面磨損要少一些。而且14萬rpm轉(zhuǎn)速下的所需加工時間大體為4萬rpm時的1/3。圖3：在14萬rpm的主軸轉(zhuǎn)速下對平面進(jìn)行切削的實驗結(jié)果切削面出現(xiàn)規(guī)則的切削刀刃痕跡（a）。面粗度在切削進(jìn)給方向上為Ra0.215μm、Ry1.191μm（b）。從上述結(jié)果可以看出，有望獲得通過高速旋轉(zhuǎn)來降低切削阻力，使用小型機(jī)軸時也可獲得良好加工面粗糙度，以及小直徑刀具的刀頭不會發(fā)生極端磨損，以及大幅縮短加工時間等效果。使用小直徑刀具時所需要的要素技術(shù)事實上，可用于超微細(xì)精密加工的市售立銑刀一般直徑為10μ～20μm。因此，刀具旋轉(zhuǎn)時的振動、熱變形及磨損等最多不能超過數(shù)μm。因此需要確立以下要素技術(shù)。①導(dǎo)入可形成超微細(xì)精密切削面的MC等加工機(jī)床并確立其使用技術(shù)。②導(dǎo)入切削面計測裝置并確立計測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理及評測能力等對加工結(jié)果進(jìn)行評測的手段。③以高速切削為前提進(jìn)行重視刀具壽命特性的切削刀具開發(fā)并優(yōu)化切削條件及刀具軌跡。④確立可防止高速旋轉(zhuǎn)時刀具的振動精度及夾持剛性等下降的夾持方式。⑤能夠?qū)Φ毒叩那邢鞯度胁糠诌M(jìn)行非接觸式測定，并以1μm以內(nèi)的精度進(jìn)行評測的機(jī)內(nèi)計測系統(tǒng)。⑥可對微小直徑刀具的壽命及磨損情況等進(jìn)行管理的刀具管理系統(tǒng)。⑦處理微細(xì)形狀時精度及效率也不會下降的CAM系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫。要想在高速旋轉(zhuǎn)主軸的同時將刀具磨損降至數(shù)μm（退刀面磨損程度）、并實現(xiàn)長時間的切削，就必須對機(jī)床采取在加工微細(xì)形狀時保持穩(wěn)定的進(jìn)給速度，并將切削時對刀頭的沖擊降至最小限度等對策。日本理化學(xué)研究所和沙迪克（Sodick）從2002年開始利用雙方共同開發(fā)的試驗機(jī)床展開了相關(guān)嘗試。實驗機(jī)床利用主軸轉(zhuǎn)速為20萬rpm的空氣渦輪驅(qū)動，為了提高刀具刀頭的振動精度，采用了基于熱裝的直接卡緊方式。另外還通過在主軸上直接安裝刀具，以防止刀具調(diào)整作業(yè)帶來的誤差累積，使振動精度和熱變形控制在了0.3μm以內(nèi)＊2。驅(qū)動系統(tǒng)采用線性馬達(dá)，加速度特性為*軸和Y軸1.5G、Z軸1G，可實現(xiàn)敏捷的進(jìn)給動作。＊2普通的筒夾方式在高速旋轉(zhuǎn)時振動精度為10μm～20μm，而只要改為熱裝方式便可改善至3μm～4μm。以空氣渦輪而非馬達(dá)來驅(qū)動主軸是因為馬達(dá)會成為發(fā)熱源。如果是通常的粗刀具的話，用馬達(dá)驅(qū)動不會有問題，但使用極細(xì)的刀具時，只要稍有熱量影響，刀具就會發(fā)生熱脹。由于切入量的設(shè)定原本就只有數(shù)μm，因此即使是數(shù)μm的刀具熱脹，也需要防止。根據(jù)實驗機(jī)床獲得的切削實驗結(jié)果，沙迪克開發(fā)出了MC"AZ150”（2005年12月上市）和"AZ250”（2008年11月上市）。與原來的MC相比，實現(xiàn)了10倍以上的高效率，而且還能夠在平均面粗糙度和形狀上實現(xiàn)一位數(shù)納米級精度的加工。這是采用主軸轉(zhuǎn)速為12萬rpm且Z軸方向的熱變形量在1μm以下的低熱變形主軸、基于全軸線性馬達(dá)的雙軸相對驅(qū)動進(jìn)給機(jī)構(gòu)，以及直接控制（后述）形成的新機(jī)軸。兩軸相對驅(qū)動進(jìn)給機(jī)構(gòu)配有與加工臺為相同重量的副軸，可與加工臺做反向運(yùn)動。兩者合起來的重心位置不會發(fā)生變化，可輕松抵消高速進(jìn)給后緊急停止時所生產(chǎn)的振動。另外還導(dǎo)入了利用高頻電磁感應(yīng)加熱的熱裝方式的刀具夾持裝置，以及可對刀具切削刃部分進(jìn)行非接觸計測的系統(tǒng)（圖4、圖5）。圖4：采用熱裝方式的主軸軸頭部的構(gòu)造

由NAKANISHI開發(fā)。通過高頻電磁感應(yīng)線圈加熱夾持部分后其口徑就會擴(kuò)大，因此可裝卸刀具。加熱時間為10～15秒。圖5：刀具的機(jī)內(nèi)測定系統(tǒng)

對刀具的磨損量進(jìn)行非接觸測定，得出修正量。工件位置用接觸式探針檢測，探針本身也與刀具一樣，以非接觸方式進(jìn)行測定。今后隨著進(jìn)一步滿足超微細(xì)精密加工的要求，將達(dá)到以肉眼幾乎看不見的刀具進(jìn)行切削的水平，屆時甚至?xí)o法通過目視來確認(rèn)切削開始時的接近動作。刀具動作的指定將朝著由程序指令確定的方向發(fā)展，因此今后必須要采取通過模擬及傳感器等手段來防止刀具碰撞的措施。另外，在解決機(jī)床與工件的熱變形問題時，在加工部位周圍流過切削液，或者在切削液中切削的做法將成為有效手段。由于對加工部位的溫度很難進(jìn)行直接控制，因此今后的目標(biāo)是利用受溫度管理的切削液來保持溫度穩(wěn)定。避免控制上的線段近似目前的機(jī)床控制方式在用于加工微細(xì)形狀時存在極限。也就是說，由于一般是通過對刀具軌跡進(jìn)行短小分割，以線段近似法來編輯NC程序的，因此提高加工精度時，數(shù)據(jù)量就會增大，使CAM處理耗費(fèi)大量時間。而且，數(shù)控裝置對NC程序進(jìn)行解讀時也需要時間。尤其是在超微細(xì)精密加工中，NC程序會分割為數(shù)量更多的微小線段，在效率方面存在諸多問題。不僅如此，精度也存在問題，比如，在原本想要切割出光滑的自由曲面形狀時，刀具的軌跡卻往往出現(xiàn)微妙的鋸齒形。因此，沙迪克（Sodick）開發(fā)出了不經(jīng)由NC程序，而是直接向動作控制器輸出軸移動指令的直接控制系統(tǒng)"DirectMotion”，并配備在了AZ150等加工中心上（圖6）。DirectMotion可使刀具的加減速變得流暢，而且還能減少加減速的發(fā)生頻率。圖6：普通控制方式與DirectMotion的不同

DirectMotion直接通過三維模塊來計算軸動作指令，不經(jīng)由NC程序即發(fā)出指令。DirectMotion可在控制裝置中內(nèi)置CAM功能，因此只需輸入CAD數(shù)據(jù)即可進(jìn)行最佳切削。另外，DirectMotion還可在內(nèi)置有與控制裝置一樣的系統(tǒng)的PC上運(yùn)行，因此能夠利用軸移動指令對機(jī)床的動作進(jìn)行模擬。也就是說，可通過再現(xiàn)利用MC進(jìn)行切削的情形來掌握實際切削時間和進(jìn)給速度。而且還可通過顏色來顯示包括加減速在內(nèi)的進(jìn)給速度，根據(jù)需要對刀具、刀具軌跡及切削條件進(jìn)行修正。DirectMotion控制系統(tǒng)在切削0.5mm見方的凹槽形狀時，即使將進(jìn)給速度提高至非常高的1080mm/分鐘，拐角部位上的、與CAD數(shù)據(jù)之間的偏差也只有約1μm左右。并且，進(jìn)給速度為360mm/分鐘的話，則幾乎沒有尺寸偏差（圖7）。而原來的控制方法即使原本指示的進(jìn)給速度很高，但實際上一般也只能最多提高到300～400mm/分鐘左右。（未完待續(xù)，特約撰稿人：松岡甫篁，松岡技術(shù)研究所法人代表）圖7：0.5mm見方凹槽切削中的加減速控制

由沙迪克的DirectMotion獲得的數(shù)據(jù)。工件相當(dāng)于SKD11（HRC60），刀具為cBN燒結(jié)體，直徑為100μm。主軸轉(zhuǎn)速為12萬rpm，加工深度為0.2mm，加工時間為每凹槽2分鐘，凹槽為100個。即使在1080mm/分鐘高速進(jìn)給下，與目標(biāo)值之間的偏差也可控制在1μm*圍內(nèi)。延長小直徑刀具的壽命微細(xì)切削刀具需能夠保持切削精度并提高抗磨損特性。而且從用途看，其涉及的被切削材料*圍也很廣，從高硬度鋼一直涵蓋至超硬合金、陶瓷等高脆性材料。在這種情況下，刀具的材料越來越多地使用抗磨損特性比普通的涂層超硬合金更出色的cBN（立方氮化硼）燒結(jié)體及金剛石燒結(jié)體等（圖8）。不過，在進(jìn)行加工面粗糙度比1μm大的切削作業(yè)時，卻依然以使用超硬合金立銑刀為主。圖8：加工精度與刀具材質(zhì)間的關(guān)系

要求的精度越高，就越需要使用磨損少的cBN燒結(jié)體及金剛石燒結(jié)體。圖9：利用涂層超硬合金立銑刀進(jìn)行切削的示例

材質(zhì)為鋁合金A7075，加工深度為48μm。圖片由日進(jìn)工具提供。涂層超硬合金立銑刀主要用于高硬度鋼的粗切削（部分為精切削）（圖9）。涂層技術(shù)近年來不斷取得進(jìn)步，除了微小直徑立銑刀用PVD（物理氣相沉積）涂層的薄膜化之外，利用硅類復(fù)合覆膜等對高溫硬度特性和抗熔敷特性進(jìn)行的改進(jìn)也得到推進(jìn)。原來因涂層有效厚度（數(shù)μm）及附著強(qiáng)度等緣故，市售涂層超硬合金立銑刀的最小直徑最多只減小到了0.1mm。不過，隨著涂層厚度減薄至１μm，直徑為10μm的鉆頭（日進(jìn)刀具）已經(jīng)面市，而且立銑刀也有直徑為10μm的產(chǎn)品投放市場。小直徑刀具本身的主要技術(shù)課題有以下幾項。①對刀頭進(jìn)行研磨的技術(shù)。選定金剛石砂輪，并研究、確立砂輪打磨技術(shù)及研磨條件等。②為保證刀具剛性，對能夠最大限度地確保截面面積的切削刃形狀進(jìn)行設(shè)計。并且考慮切削時的抗折損性，對切削刃部的溝槽形狀等進(jìn)行設(shè)計（圖10）。圖10：考慮到抗折損性的切削刃形狀,圖片由日進(jìn)工具提供。③使用粒徑為數(shù)百納米級微細(xì)水平的超超微粒子合金。④滿足高精度化需求。通過提高切削刃精度來改善切削精度、延長刀具壽命。比如，能夠?qū)崿F(xiàn)切削刃直徑為±2μm以內(nèi)、刀頭振擺精度為2μm以內(nèi)、刀柄直徑精度為0～－2.5μm（JISh3標(biāo)準(zhǔn)，正圓度在0.1μm以內(nèi)）的高精度刀具研磨技術(shù)。通過燒結(jié)體實現(xiàn)更微細(xì)的加工圖11：cBN燒結(jié)體的超微細(xì)精密加工用半徑立銑刀

采用將圓柱斜著削去一部分的形狀，直徑為30μm。圖片由日進(jìn)工具提供。圖12：利用金剛石燒結(jié)體立銑刀進(jìn)行的切削加工

工件材質(zhì)為超微粒子超硬合金、刀具為直徑（對角）200μm的六棱形形狀方形立銑刀。主軸轉(zhuǎn)速為12萬rpm。這是設(shè)想對醫(yī)療及生命科學(xué)領(lǐng)域中的微量流體成分分析用微流體器件進(jìn)行模具加工而采用的形狀。如前文所述，面粗糙度及加工精度不到100nm的超微細(xì)精密加工主要采用cBN燒結(jié)體及金剛石燒結(jié)體。而微細(xì)形狀的切削由于很難在切削后再進(jìn)行精加工，因此需要利用刀尖部不會發(fā)生變化的"無損刀具”加工至最后。另一方面，上述刀具材質(zhì)因硬度高而難以進(jìn)行刀具成型，要實現(xiàn)微小直徑的話，必須要找到高精度、高效率的刀具成型方法，這是今后的開發(fā)課題。比如，有一款通過研磨成型的直徑為30μm的方形立銑刀，為了最大限度地確保截面面積，采用了將圓柱削去一