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原条款

高宽比微槽微铣削及激光去毛刺的研究

阴肺阳*，金金汉*郝秀清，梁丽和宁河

ProcIMechEPartB： J工程制造

1–10

copy;IMECHE2019

文 章 复 用 指 南 ： sagepub.com/Journal-permissions DOI：10.1177/0954405419893491

journals.sagepub.com/home/pib

摘要

高宽比微槽是微机电系统中的关键结构。 然而，长径比刀具在高宽比微槽微铣削过程中，刀具磨损快、加工效率低、加工质量差等问题尤为突出。 本文提出了一种以无水酒精为切削液和激光去毛刺的复合微铣削方法，研究了无氧高导电铜TU1的高宽比微槽产生。 进行了参数实验和高宽比微槽实验，研究了表面质量、切削力和刀具磨损情况。 采用无水酒精，提高刀具寿命和加工表面质量。 在无氧高导电铜TU1材料的情况下，一个令人满意的高宽比微槽(槽宽=0.2毫米和纵横比=

具有纳米级表面粗糙度(R_a= 68 在优选的加工条件下获得了nm。

采用激光技术对高宽比微槽进行去毛刺处理，达到理想的表面加工质量。

关键词

微槽，高宽比，切削力，表面质量，激光去毛刺

收到日期：2019年7月17日；接受日期：2019年11月14日

导言

随着微型机械的应用日益广泛，在不牺牲刚度和强度的情况下，许多零件需要薄而高的肋骨来减轻重量。 这导致高宽比(HAR)微槽的需求不断扩大)。¹高精度微槽的加工质量决定了微部件的寿命。 然而，这种微槽的制造是非常棘手的，因为小尺寸， 高加工精度，和优越的表面质量。

近年来，随着微细加工中难加工材料的出现，各种加工技术如非传统加工技术，^2–4 高速研磨，⁵ 和微型铣削⁶ 已逐渐应用于制造具有严格加工质量要求的HAR微槽。 Uno等人。⁷ 利用旋转圆盘电极对窄槽电火花加工(EDM)成形系统进行了实验研究，发现旋转圆盘电极电火花加工所需的加工时间短于矩形电极。 从而解决刚性差的问题

阴极结构，赵等。⁸ 对电火花加工和阴极结构进行了系统的优化技术研究，然后利用优化的电解条件制备了长径比为9的钛合金深窄槽结构。 为了提高加工间隙的电解速度，提出了一种用于低频刀具振动的电化学加工方法

南京航空航天大学直升机传输科学与技术国家重点实验室。 中国

*这些作者对这项工作作出了同样的贡献，并认为是第一批合著者。

相应作者：

郝秀清，南京航空航天大学直升机传输科学与技术国家重点实验室，南京210016，P.R。中国。

电子邮件：xqhao@nuaa.edu.cn

南京航空航天大学直升机传输科学与技术国家重点实验室，南 京210016。 中国。

电子邮件：nuaa.edu.cn

有人提议。⁹ 估计槽深和宽度的最大偏差分别为0.03 和0.08mm。 然而，随着深度的增加，电极很容易磨损，电火花加工产生的放电芯片很难排出，从而进一步降低了加工效率，降低了表面质量。

LIGA(Lithographie ， Galvanoformung 和 Abformung)/UV-LIGA在制造高宽比更大，侧壁更陡的三维(3D)结构器件方面具有许多优点。 美国通过 UV-LIGA产生了一些HAR慢波结构(220GHz)，如宽度和深度为100mm的S形腔行波管结构

和1毫米，分别。¹⁰ Pan等人。¹¹ 制造缓慢-

紫外LIGA波结构分别为0.22和0.34THz。 这些微槽的宽度小于

为0.2mm，纵横比大于4.但未报告加工精度和质量问题。 Xi等人。¹² 利用UV-LIGA技术对具有平面慢波结构的背波振荡器(BWO)进行了一些研究。 狭缝结构的宽度和纵横比分别为58mm和接近3。 结果显示

加工误差小于0.003mm

提高了BWO的输出功率。 随着对微生产的新要求， 高速高效磨削为细槽加工提供了新的途径。¹³ Bai等人。¹⁴用单层电镀立方氮化硼(CBN)砂轮在SUS321不锈钢工件上制造了一些深窄直槽。 达到的宽度为2mm，深度分别为5、8和12mm。 尽管进行了上述研究，但在这方面取得了一些成就。 综合上述研究成果，在HAR微槽的精密制造方面取得了一定的成果。 然而，这些技术的缺点也在一定程度上限制了更广泛的应用。 对于LIGA/UV-LIGA来说，最突出的缺点是加工过程相对复杂，成本较高，加工周期较长等。 同时，砂轮的严重磨损和堵塞以及磨粒脱落通常导致砂轮过早失效。¹⁵

微铣削技术是另一种有效而合适的方法，由于微铣削技术在高效率、高灵活性、高精度、低成本等方面的突出优点，可以应用于微HAR槽的加工。^16,17例如，在优化的微铣削工艺条件下，采用多晶金刚石(PCD)微切削机，在碳化钨工件中产生了宽度为 0.253mm、深度为1.016mm的微槽。¹⁸ 测量了峰谷表面粗糙度小于40nm。 一种利用变距刀具加工硬化模具钢材料深槽的新方法

提出了一种定向进料薄壁支撑。¹⁹ 结果表明，该方法能有效地抑制颤振，但主要用于宏观铣削。

此外，无氧铜是HAR慢波结构的主要材料，因为具有高导电性、优异的加工性能和低温性能。 切削过程中产生的切屑由于塑性大，相变温度低，在切削温度的作用下容易软化。²⁰ 微柱阵列多晶无氧铜与HAR（支柱尺寸为12.8毫米3，15.8毫米3，28.2毫米）

是通过提出一种新的切割而产生的

在非冷却剂条件下减少交叉进料的策略。 由于材料堆积和变形，在沟槽边缘发现了毛刺，但利用该方法减小了毛刺尺寸和改善了表面粗糙度，并显著提高了微工具的切削性能。²¹

对于微铣削，突出的问题主要包括刀具磨损快、表面质量差、微毛刺重等。 零件的加工质量直接影响到微部件在实际应用中的性能。 虽然近年来许多研究者致力于从不同的角度研究微结构的微铣削过程，但仍有许多关键的技术问题有待解决。 因此， 进行深入研究，开发微铣削技术的应用潜力是非常可取的，特别是对于宽度为HAR的微槽

0.2毫米，纵横比大于2。

在这项工作中，微铣削参数实验

对无氧高导电铜TU1(OFHC-TU1)材料进行了HAR微槽实验， 切割

力和工具磨损。 首先详细研究了切削参数（包括每齿进给量和切削深度)对加工表面质量(表面粗糙度和毛刺形成）的影响。 然后，进行了HAR微槽实验， 重点分析了加工表面质量、切削力和刀具磨损。 此外，一项调查-

对激光去毛刺过程进行了跟踪

经过微铣实验，达到了优越的效果顶部表面。

实验设置和方法

实验准备

在多功能精密微切削机上进行了全浸泡微槽实验

（图1）。 最大转速10万r/min，主轴旋转精度小于 1mm。 显微镜系统旨在协助

表1。 激光器的主要参数。

技术参数 价值

波长(nm) 532

平均输出功率(W) 5

脉宽(ps) 10

脉冲频率(Hz) 1–200,0000

中等 Nd：YVO₄

图1。 实验系统示意图。

图2。 激光系统示意图。

整个微铣加工过程的工具设置和在线监测。 测功机(Kistlerreg; 在X-Y级上安装9256C1)以测量切削力。 最小力阈值和最大采样频率分别为0.002N和30kHz。对于去毛刺过程， 皮秒激光系统( 边缘波， Nd： YVO₄在这项工作中使用了激光系统的原理图如图2 所示。 激光系统主要参数见表1。

本工作选择OFHC-TU1 作为实验材料。 尺寸为30mm3*12mm3*5mm。 化学成分和主要物理性质列于表2和表3。 将工件夹紧在夹具上，并进行预切工艺，以达到理想的平整度。

本工作选用了商用螺旋硬质合金微铣刀。 几何参数和材料性能分别见表4和表5。 工具-鼻子半径(R_e和尖端半径(R_n)测量约3.4及2.1毫米，

分别使用三维测量激光显微镜

(LSM700，德国)。

实验方案

为了获得加工质量优良的微槽，进行了一系列参数实验，研究了切削参数对表面粗糙度(R)的影响_a)首先。 根据以往的研究成果和经验，²² 主轴转速(N)保持不变。 输入变量为每颗牙齿的饲料(F_z)和切割深度_p)，并分别设置了六个等级和四个等级。 详细加工条件见表6。

然后，利用参数实验得到的最佳条件进行了HAR 微槽实验。 微槽标称总深度为0.5mm，纵横比为

• 1. 采用T01 和T02 两种微铣刀完成了HAR微槽。T01的目的是对总深度为0.48mm的沟槽进行预剖面加工。 从原始工件表面开始，T02用于HAR微槽的精加工，总铣削深度为0.5mm。 表7列出了HAR微槽的加工条件。

用NI-DAQ软件对切削力信号进行记录和分析。所有实验均采用无水乙醇切削液，乙醇质量分数等于或大于99.7%。 值得一提的是，微铣削过程中产生的温度相当低，不能导致无水酒精的直接蒸发。此外，实验后残余切削液挥发快，有力地保证了工

作台环境。

对于激光去毛刺，要有效

初步研究结果表明，扫描速度为5mm/s，脉冲重复频率和激光能量分别为50kHz和256mW。

最小化微毛刺的尺寸，基于

表2。 OFHC-TU1的化学组成。

OFHC-TU1：无氧高导电铜TU1。

表3。 OFHC-TU1的物理性质。

属性 价值

比热(J/(公斤°C)) 385

导热系数(W/(m°C)) 391

杨氏模量(GPa) 124

剪切模量(GPa) 47.7

出现了显著的尺寸效应，严格影响了材料的去除机理和芯片的形成过程。 同时，微铣削中的非切割行为（如擦除、挤压和犁削）在一次切削区占主导地位，这可能会恶化表面质量，导致切削力的异常变化。^23,24 如图3所示，R_a

泊松比 3 0.34 ₃ 当f时，首先减小_z 从0.5毫米/z上升到1.5毫米/z，

密度（公斤/米） 8.96 3 10

然后，随着f的增加，它逐渐有增加的趋势_z con-

OFHC-TU1：无氧高导电铜TU1。

表征和测量

用三维共焦表面形貌仪(相移微XAM-3D，美国)在进料方向观察表面粗糙度，并选择6个不同的位置获得平均值。 用扫描电子显微镜(日立S3400N，日本) 分析了表面形貌、顶部毛刺形成和刀具磨损)。 上面

用激光扫描共聚焦显微镜(OLS4100，德国)观察激光去毛刺前后毛刺的变化)。

结果和讨论

切削用量对表面质量的影响

表面粗糙度的结果(R_a用

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