航空航天、國(guó)防工業(yè)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程技術(shù)的發(fā)展對(duì)微小裝置的功能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、可靠性的要求越來(lái)越高，從而使得對(duì)特征尺寸在微米級(jí)到毫米級(jí)、采用多種材料、且具有一定形狀精度和表面質(zhì)量要求的精密三維微小零件的需求日益迫切[1]。微小型制造技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向和多學(xué)科交叉的科技研究前沿，因此備受有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。圍繞著微細(xì)切削技術(shù)，國(guó)外展開(kāi)了深入的研究。國(guó)內(nèi)部分大學(xué)和研究所也進(jìn)行了初步的研究。 
　　微細(xì)切削加工 
　　采用微細(xì)切削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種材料任意形狀微型三維零件的加工，彌補(bǔ)了MEMS技術(shù)的不足，所制作出的各種微型機(jī)械有著日益廣闊的應(yīng)用前景，因此，國(guó)內(nèi)外的一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了不斷的探索。從FANUC公司[2]采用微銑削技術(shù)加工的零件微觀形貌上看，該零件是一個(gè)高深寬比的梯形溝槽，開(kāi)度角為3°，溝槽跨度為35μm，工件材料是銅，采用微銑削加工5min就可以完成，且側(cè)壁加工精度很高。采用FANUC公司制造的車(chē)床型微型銑床可以實(shí)現(xiàn)三維自由曲面的微細(xì)切削加工。從加工的微透鏡體圖中可看出，零件表面高低差為16μm，直徑為236μm，加工后的表面粗糙度Rz為0.1μm，這些均是MEMS技術(shù)以及同步輻射X射線深度光刻、LIGA工藝等技術(shù)所不及的。目前，微細(xì)切削加工技術(shù)可使用切削刀具，對(duì)包括金屬在內(nèi)的各種可切削材料進(jìn)行微細(xì)加工，而且還可利用CAD/CAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)控編程，幾乎可以滿足任意復(fù)雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法(如電火花、超聲加工)相比，微細(xì)切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

　　
　　微細(xì)銑削力模型 
　　W.Y.Bao和I.N.Tansel[3]提出了考慮刀具跳動(dòng)情況下的微細(xì)銑削切削力解析模型。由于每齒進(jìn)給量與切削刃半徑比率很大時(shí)，對(duì)切屑厚度所作的假設(shè)與傳統(tǒng)切削力模型[4]的相比變化很大，因此他們?cè)谶@個(gè)模型的基礎(chǔ)上，改變切屑厚度的計(jì)算方法，即根據(jù)刀尖軌跡來(lái)估計(jì)切削厚度值，從而使得切削力模型更加精確。其提出的切削力表達(dá)式用到了8個(gè)參量(如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切入切出角等)和一個(gè)與刀具和工件有關(guān)的材料系數(shù)，該系數(shù)需要進(jìn)行試驗(yàn)才能確定。 
　　由于切屑厚度在微細(xì)車(chē)銑中對(duì)切削力的影響很大，G.Newby等[5]也考慮到切削刃軌跡對(duì)切屑厚度的影響，他們?cè)赪．Y．Bao和I．N．Tansel的基礎(chǔ)上建立切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。M.T.Zaman等[6]根據(jù)理論切屑面積來(lái)估計(jì)切削力的大小。與傳統(tǒng)銑削相比，在微細(xì)車(chē)銑中切削刃參與切削加工的長(zhǎng)度相對(duì)要長(zhǎng)，因此刀具螺旋角在微細(xì)車(chē)銑加工的切削力形狀中起到至關(guān)重要的作用，在軸向上就會(huì)產(chǎn)生可觀的切削力。 
　　I.S.Kang等[7]在基于Tlusty和MacNeil傳統(tǒng)切削力模型[5]的基礎(chǔ)上，研究了刀刃半徑對(duì)切削力的影響，并將其納入切削力模型中。Bong-CheolShin等[8]提出了用加速度傳感器和最新的霍爾傳感器來(lái)間接測(cè)量切削力的方法。在帶有高速主軸的精密機(jī)械工作臺(tái)上進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，并取得了顯著成果。

　
　　微細(xì)銑刀及其涂層 
　　在微細(xì)銑削中，刀具是影響加工精度的重要參數(shù)，早在1997年I.Tansel等人[9]就已經(jīng)提出了采用智能工件夾持器來(lái)延長(zhǎng)刀具壽命的觀點(diǎn)。A.Aramcharoen等人[10-11]對(duì)刀具涂層進(jìn)行了深入研究，對(duì)宏觀尺寸銑削和微細(xì)銑削進(jìn)行對(duì)比分析。E.Uhlmann等[12]采用有限元仿真，設(shè)計(jì)了新的微立銑刀，分析銑刀的動(dòng)載荷和應(yīng)變，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，最終開(kāi)發(fā)的工具鋼微銑削刀具硬度達(dá)到62HRC。JanGabler和SvenPleger[13]采用了微精密ＣＶＤ金剛石涂層刀具，發(fā)現(xiàn)金剛石涂層能極大地增強(qiáng)在微米級(jí)尺寸下切削刀具的性能。 
　　考慮微銑刀具的尺寸效應(yīng)，弗羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的I.N.Tansel等[14]對(duì)微銑削中的刀具磨損作了新的定義：刀具材料的損失，刀具表面小顆粒工件材料的沉積或是刀具撓度形狀的變化等。結(jié)合美國(guó)的空氣力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)家，弗羅里達(dá)國(guó)際大學(xué)的專(zhuān)家在原先研究發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了遺傳刀具監(jiān)控系統(tǒng)[15]。此外，2008年，新加坡的學(xué)者開(kāi)發(fā)了采用隱形馬爾可夫模型監(jiān)控微銑削刀具狀態(tài)的系統(tǒng)[16]。正是由于馬爾可夫模型的快速識(shí)別性特點(diǎn)，使得其模型對(duì)噪聲的魯棒性較好，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)刀具狀態(tài)的識(shí)別達(dá)到了較高的水平。 
　　針對(duì)微銑削與傳統(tǒng)銑削的區(qū)別，學(xué)者們?cè)谖�銑削中的尺寸效�?yīng)、微刀刃半徑、最小切削厚度、摩擦效應(yīng)以及表面粗糙度等方面內(nèi)容做了深入研究[16]，分析其行為與機(jī)理，建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)廣泛的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行了驗(yàn)證。

　
　　微細(xì)車(chē)銑切削 
　　微細(xì)車(chē)銑切削是基于車(chē)銑原理的一種先進(jìn)制造技術(shù)。車(chē)銑加工不是普通意義上的車(chē)削與銑削功能的簡(jiǎn)單組合。它是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體工件的切削加工任務(wù)，達(dá)到常規(guī)的“車(chē)削”目的，使工件在形狀精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面達(dá)到使用要求[17]。車(chē)銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給4個(gè)基本運(yùn)動(dòng)。銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主切削運(yùn)動(dòng)，切削速度與工件直徑?jīng)]有關(guān)系，只與銑刀直徑和銑刀轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。工件旋轉(zhuǎn)是為了配合回轉(zhuǎn)體表面加工而做的范成運(yùn)動(dòng)，對(duì)切削速度的影響一般不予考慮，它主要對(duì)加工過(guò)程中的進(jìn)給速度產(chǎn)生影響。因此，從切削原理上可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)銑加工過(guò)程中，無(wú)論被加工件直徑多小，只要銑削頭的轉(zhuǎn)速有足夠?qū)挼淖兓�范圍，就可以�?shí)現(xiàn)微小零件的正常切削加工。 
　　無(wú)論在生產(chǎn)率還是在加工工件表面質(zhì)量上，微細(xì)車(chē)銑切削技術(shù)較其他技術(shù)而言具有很大的優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)在于它能夠在一次裝夾中完成對(duì)形狀復(fù)雜工件的加工，并且能在較短時(shí)間內(nèi)完成并提供一個(gè)較高的加工精度。這尤其適用于銑刀的高速切削，不但可以提高生產(chǎn)率，而且也提高了加工精度。德國(guó)阿亨工業(yè)大學(xué)和卡爾斯魯厄大學(xué)近年來(lái)開(kāi)展了淬火鋼和硬鋁材料的微細(xì)車(chē)銑切削研究，卡爾斯魯厄大學(xué)與奔馳汽車(chē)廠合作研制了世界上首臺(tái)轉(zhuǎn)速為16000r/min的精密微小型銑床，用以加工微小型模具，實(shí)現(xiàn)了用微小設(shè)備高速加工微小零件。弗朗恩霍夫研究院針對(duì)大機(jī)械加工零件所暴露的問(wèn)題，近年來(lái)開(kāi)展了微小型加工系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究，已成功研制出微小型加工系統(tǒng)原理樣機(jī)[18]。 
　　近些年來(lái)，沈陽(yáng)理工大學(xué)在微細(xì)銑削加工和微細(xì)車(chē)銑切削技術(shù)方面開(kāi)展了一些研究。在微小銑削機(jī)床上完成了微細(xì)銑削AISID2模具鋼的切削試驗(yàn)，研究了各切削參數(shù)對(duì)已加工表面形貌和切削力的影響程度及變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，每齒進(jìn)給量對(duì)表面形貌和切削力影響較大，而軸向切削深度和切削速度影響次之。在微細(xì)銑削工件表面上由于塑性變形所產(chǎn)生的微小突出物是微細(xì)毛刺[19-20]。沈陽(yáng)理工大學(xué)在車(chē)銑加工技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了WCH-I數(shù)控四軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)車(chē)銑切削機(jī)床設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的研究。其氣動(dòng)銑削主軸轉(zhuǎn)速為150000r/min，旨在實(shí)現(xiàn)高速微細(xì)車(chē)銑切削微小型細(xì)長(zhǎng)軸和具有復(fù)雜型面的微小型零件。與大中型超精密機(jī)床相比，該機(jī)床具有體積小、易控制加工環(huán)境、成本低等特點(diǎn)。

　　
　　北京理工大學(xué)采用傳統(tǒng)的車(chē)削方法和先進(jìn)的車(chē)銑方法進(jìn)行了微細(xì)軸的切削加工試驗(yàn),驗(yàn)研究在自主設(shè)計(jì)的具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和加工特色的“微小型車(chē)銑復(fù)合加工中心”上進(jìn)行。首先將這一技術(shù)應(yīng)用于微小型零件的加工[21]。該中心能獨(dú)立完成車(chē)、銑、鏜、磨、鉆削的任務(wù)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)獨(dú)具特色的車(chē)銑加工功能，從根本上解決了車(chē)削時(shí)線速度太低的問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸類(lèi)零件正常的切削加工甚至高速切削加工[22]。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)[23-24]、南京航空航天大學(xué)[25-26]、北京航空精密機(jī)械研究所[27]、清華大學(xué)[28]也針對(duì)微小型切削機(jī)床開(kāi)展了積極研究。 
　　結(jié)束語(yǔ) 
　　微小型零件的加工技術(shù)已引起各國(guó)的重視，發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，并有不少成果問(wèn)世。微細(xì)銑削和微細(xì)車(chē)銑切削技術(shù)與LIGA和光刻等其他微細(xì)加工技術(shù)相比，具有體積小、能耗低、生產(chǎn)靈活、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而無(wú)論從理論分析還是實(shí)際加工，微細(xì)車(chē)銑切削技術(shù)更適合于微細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)零件的加工，它在改善微小型零件的切削狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)高速切削、降低切削力、延長(zhǎng)刀具壽命、保證零件加工質(zhì)量、提高加工效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是一種非常適合微小型零件加工的方法。只要合理匹配車(chē)削主軸與銑削主軸的轉(zhuǎn)速比，合理輔以其他切削用量，就可以加工出理想的微小型零件。