如前文所述,表面粗糙度及加工精度不到100nm的超微细精密加工主要采用CBN烧结体及金刚石烧结体。而微细形状的切削由于很难在切削后再进行精加工,因此需要利用刀尖部不会发生变化的“无损刀具”加工至最后。
另一方面,上述刀具材质因硬度高而难以进行刀具成型,要实现微小直径的话,必须要找到高精度、高效率的刀具成型方法,这是今后的开发课题。比如,有一款通过研磨成型的直径为30μm的方形立铣刀,为了最大限度地确保截面面积,采用了将圆柱削去一部分的切削刃形状。
金刚石烧结体立铣刀一般用于切削硬质合金及陶瓷等被削切削材料(例如,工件材质为超微粒子硬质合金、刀具为直径(对角)200μm的六棱形状方形立铣刀。主轴转速为12万rpm。这是设想对医疗及生命科学领域中的微量流体成分分析用微流体器件进行模具加工而采用的形状)。虽然磨损非常少,但切削刃的成型难度较大。由于刀具材质本身就是金刚石,因此即使砂轮颗粒也是金刚石,也无法轻松进行研磨。所以需要使用以特殊放电加工技术进行成型加工的手段。
高速切削超过抛光
始于20年前的高速切削,其研究成果还为我们提供了刀具微小化方面的有效数据。比如,要想通过确保截面面积来提高刀具刚性,可以将切削刃之间的沟槽制造成较浅的状态,前角为负值(切削刃的前倾面比直角向进给方向一侧前倾)的切削刃形状最为有利。负值的切削刃其刀尖角度为钝角(大于90°),可顺利进行高速切削。而且,刀尖角度为120°的六棱柱形状的立铣刀也在高速切削的研究过程中被提了出来。
扩大切削面积后切削刃轨迹会作为切削痕迹被保留下来,也就是说可通过切削刃的位置和动作来控制切削面。因此可借助精细的切削刃及工作状态(转速、进给速度、切入量)来提高精度。而与之相比,研磨则通过砂轮颗粒与研磨面接触,并从砂轮上脱落来进行加工。砂轮颗粒的位置无法直接控制,有时砂轮颗粒反而会对研磨面造成线状损伤(虽然砂轮颗粒的脱落是正常现象,但切削刀具出现部分脱落的话则属于卷刃,会给加工带来问题。如果是纳米级加工的话,两者其实并无多大差距。)。如果是纳米级加工的话,研磨未必能够获得比切削更为精细的加工面(笔者尝试过在粗加工中使用研磨的实验。以10万rpm高转速切入0.1mm时,获得了相当高的工作效率)。