在显微镜下加工

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尽管“微细加工”这个术语用在那些尺寸异常小的加工操作中，但Sandia国家实验室(美国新墨西哥州Albuquerque市)的研究者们却不愿意对自己的小规模铣削和车削操作采用该术语。
对他们而言，前缀“微细”隐含着可以生产出尺寸小至1μm的特征之能力。这是他们无法完成的——至少通过铣削和车削操作无法完成。Sandia的刀具更适合生产出尺寸至少为25μm的特征。
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换言之，尽管他们避免说“微细加工”，但他们这里的加工几乎比任何其他金属切削厂所进行的加工都要更接近“微细”。
( W5 z) Y* l2 b2 P4 d中加工(Meso-machining)是这些研究者们所用的术语。微小的铣刀和车刀是用聚焦离子束通过雕刻硬质合金及HSS毛坯而制成的。
; T; E! O  {$ t8 O( P% ~% H% I+ n. m* l用这种方式制成的立铣刀直径可能小至20 μm左右。车刀可以小至10μm宽。这种刀具正是中加工所需要的，因为对于机床而言，已经存在合适的技术。
# z" ]4 v" O7 R- Q) W0 Y& m在这里有Sandia工作比较令人惊奇的一方面。尽管试验刀具必须开发，实验机床并不是使用这些刀具的必需。研究者们在可以从商业供应商处买到的精密机床上有效地使用这些刀具。
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图片说明：前面三个照片是用聚焦离子束生产的立铣刀。另两个照片是用相同方式生产的一把18μm宽车刀的视图。
该照片是许多车间会看到的一种现象的微型图。在加工铝后，刀具上仍然附着一片长切屑。
研究中加工的主要原因与核武器有关。Sandia制造工程部经理Gilbert Benavides解释了这之间的联系。他说，现有核武器带有一些有时候需要更换的零件，而这些零件最好换上可以改善的型式。但是，每个零件都具有固定的尺寸和形状，因为组件中它周围的元件不会改变。因此，添加新特征的唯一选择是在现有空间中压缩进更多特征。中加工可以提供满足这种需求的途径。
到底可以在核武器上添加什么样的新特征，这个问题存在很大的想象空间。但是这方面是Sandia的中加工作业中额外细节的一个选择。
1 j) t9 g0 P1 Z0 z8 u- s1 D能力
6 ]3 M1 [2 [/ v1 Q+ P. G- RSandia已经可以熟练铣削20~30μm宽的槽，材料包括铝、黄铜和4340钢等。典型的切深为1μm。一个采用22μm直径两刃硬质合金立铣刀、切深1μm、转速18,000r/min对铝进行的加工实验表明这把刀具可以以最高达50mm/min的进给速度高效加工。这把刀具可以铣削6小时以上(采用不同的进给速度)而不产生裂纹。
( ^+ @: L( }# O6 J# O9 s$ @车刀被证明具有同样的耐用度。一个代表性的实验表明，一把13μm宽的刀具可以切削总共200mm长、4μm深的铝质螺旋沟槽(如果沟槽为直线而没有卷绕的形式)。
刀具
6 l' b8 ^9 W1 z$ Y车刀类似于全尺寸车刀。铣刀却不是这样。当采用离子束加工刀具时，无法产生标准立铣刀一般都具备的沟槽式复杂的几何结构。相反，中加工立铣刀具有简单的几何横截面，如本文照片所显示的那样。
% f4 y8 _6 `; l$ r微型刀具是否真正与全尺寸刀具采用相同方式进行切削？答案似乎是肯定的。采用光学显微镜对中加工铣削过程进行观察显示出了从刀具附近弹出的切屑。此外，对铣削零件进行的电子显微镜检测也揭示出了刀具留下的痕迹。
在车削中这种迹象甚至更加明显。正如全尺寸车刀一样，有时候发现中加工车刀在切削后依然有成串的切屑附在上面。
中加工技术
最小特征尺寸和特征公差
材料去除率
(µm3/s)
6 k; Q% e' ?3 o材料
$ c5 }5 }- f0 T8 m2 E& m5 t3 i1 [聚焦离子束
/ J$ x) G9 d% k. A' d(用于制作刀具)
3 s$ y9 K+ m2 V1 [/ G( ~200nm
公差为20nm
0.5
任意
铣削或车削
25µm(在某些情况下对车削为10µm，公差2µm)
10,400
6 a# M0 G) R, P+ A; T: V铝、黄铜、软钢、
PMMA(一种塑料)
: G# T- b( w$ m( K! l9 O/ cEDM
25µm，公差3µm
2500万
. v; o3 l' x+ E# q* {导电材料
机床
1 j2 @8 e1 Q  G, U/ A上述铣削试验是在20世纪90年代购买的一台Boston数字式加工中心上进行的。该机床分辨率为1μm，因此可以通过“触摸”方式将微细刀具相对工件定位——采用机械师在使用手动铣床时会采用的相同方式。也就是，操作员不断一微米一微米地点动，直至出现看起来像切屑的东西为止(通过显微镜观察)，表明刀具已经与零件接触上。
最近在Willemin-Macodel的一台精密加工中心上进行了更多铣削加工。中加工车削在Moore Tool的一台金刚石车床上进行，尽管Sandia采用的刀具材料不是金刚石。该工厂还采用阿奇的线切割和成形机床通过EDM方式加工出了比较小的特征(为了覆盖整个范围，激光加工是中加工研究的另一个领域)。
存在的一些挑战
2 c3 M; b. E. tBenavides先生说，当今，中加工车削比中加工铣削更实用。对于铣削，无法复制出普通立铣刀形状是其中的制约之一。另一方面是很难对刀夹中刀具显示足够小从而对20μm刀具合格的跳动水准。
再其次是缺乏金刚石。Sandia的客户还需要可能要采用小于130μm(0.005英寸)的铣刀进行加工的工件。对于诸如微细外部齿轮齿这样的特征，该工厂趋向于采用线切割EDM。但是，如果需要内部齿轮齿，则可能需要采用中加工铣削方式。
但是各种中加工方法的研究还在继续，包括铣削在内。为了解决铣削中刀夹和相关的跳动问题，Sandia正在用无须采用刀夹而旋转刀具的特制主轴进行实验。该主轴在佛罗里达大学开发，最高转速达500,000r/min。
, i9 J0 f, W- c1 m4 X+ E* n5 I1 j影响中加工的一个更一般的挑战是实现它所需要的专业知识水准。这些切削不像宏观过程，其中刀具、零件和程序可以在不同机床之间互换。中规模切削需要操作员理解在不同条件下微细误差的堆积，以及通过诸如速度和进给速度等特定参数的选择如何影响特定机床的精度等。Benavides先生说，对于一名熟练技师而言，需要几个月的尝试才能获得这种理解力。因为必须具备这种理解力，因此中加工的应用范围存在制约。他说，即使在Sandia的50或60名熟练技师中，也只有数得着的几个人已成为这种加工的能手。
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