当高速切削精密加工

高速切削精密加工

（一）：技术飞速进步，使切削在精度上超越“抛光”

随着切削技术的进步，精密加工发生了巨大变化（图1）。即使在处理纳米级微细形状及表面粗糙度的加工中，比0.1μm（100nm）还小的“超微精密”的切削加工也成为可能，如图2所示的镜面加工已经变为了现实＊1。这一精度并不是在切削加工后进行抛光才实现的。与抛光相比，通过切削反而更能获得平滑的表面。以往的常识正在被颠覆。

*1 表面粗糙度的定义包括算术平均精度Ra及最大高度Ry等。均利用对一定线段区间（基准长度l）的凹凸进行测定的结果（不包括大的起伏）进行计算。单位为mm、μm等（长度）。Ra是对平均高度起的峰谷的高低绝对值进行积分后除以l得到的数值，Ry是最高点（峰）与最低点（谷）的高度差。Pv是连同大的起伏考虑在内的最大谷深。

图1：超微精密加工的精度

普通加工中心（MC）的精度为10μm左右，而能够进行比100nm更精细的“超微精密加工”的MC也已亮相

图2：对能够映出倒影的表面进行切削加工的示例

由沙迪克（Sodick）进行。（a）为半径为2mm的半球面的切削示例，材质为不锈钢种类之一的“STAVAX”（HRC54）、加工时间为每凹坑40分钟。按照①→②→③→④的顺序进行加工。机床使用的是“AZ150”，面粗糙度Ra为7～8nm。（b）为平面的切削示例，材质与模具钢SKD11相当（HRC60），面粗糙度Ra为6.0nm。

精密加工被公认为在电子、光、能源及医疗等多种领域实现产品的小型化、高功能化及节能化时所共同需要的技术。以生产发光二极管（LED）用透镜为目的的模具制造、医疗及生命科学设备中的微细液体流路的形成，以及硬盘（HDD）的流体轴承部件的内径切削等就是其中的典型案例。要实现这些加工，必须积累多方面的技术，只依靠市售装置及系统的话很难实现。日本拥有世界顶级水平的生产技术，具有向精密加工迈进的前提条件。

在实现精密加工时，有纳米压印、激光加工及放电加工等多种方法可供使用，而飞速进步的高速切削如今也成为了有力选项。通过切削可实现的加工精度得到飞跃性提高，可获得面粗糙度为一位数纳米级（Single Nano）的高精细切削表面的加工中心（MC）也已亮相。

运用高速切削技术

基于高速切削的精密加工要求使用可使小直径刀具的特性得到充分发挥的切削方法。最有效的是在刀具浅切入状态下，以超过10万rpm的高速使主轴旋转来进行切削的方法。

只将刀具浅切入的话，尽管加工面粗糙度得到提高，但每片刀刃进行1次切削（1片刀刃旋转1圈）所能去除的切屑的容积就会减少，使刀具的移动距离变长，从而需要很时间才能完成加工。不过，除旋转速度外还提高进给速度的话，便可增加单位时间的切削次数和加工距离，从而缩短时间。

另外，通过浅切入和高速旋转可以更薄地剥除切屑，因此还有望降低切削阻力。所以，刀具的磨损会由此降低，即使是刚性低的小直径刀具也可实现良好的加工。总之，要想实现精密加工，其关键就在于如何有效实现利用高速旋转、浅切入及高进给速度的高速切削。

减轻刀具负担的高速切削

高速切削（高速车铣）是一种使刀具高速旋转，将切入深度控制在较浅水平，并高速进给的切削方法。虽然直到上世纪90年代前半叶，其实际切削速度（周速，也即刀具切屑刃与被切削材料间的相对速度）尚不足100m/分钟，但当时已经清楚的是，将切削速度提高至100～400m/分钟的话，反而会使切削阻力降低，从而减少刀具的磨损及热影响（图）。至于提高切削速度后切削阻力会降低的原因，估计就在于切屑的厚度有所变薄。

图：立铣刀切削的刀具寿命曲线

日本理化学研究所的研究结果。切削速度过低的话，切削阻力反而会变大，使刀具寿命缩短。

由此便出现了利用小直径刀具，在刀具切屑刃负担较小的条件下，进行从最初到最后不更换刀具的切削，由此获得良好的加工面粗糙度的方法。另外，该方法还可实现原来公认较难的、对淬火后的钢材进行切削的加工。因此，在模具加工中，以往在切削后进行热处理，并通过放电加工及研磨加工进行精修的工序，基本上只靠切削即可完成。

（二）：在高速主轴上测定加工负荷

笔者通过对利用小直径刀具进行高速切削时刀具的负荷特性进行调查，研究了高速切削的效果和有用性。此次在3轴线性马达驱动、主轴转速为4万rpm的MC上，用夹具安装了“超高速小型空气轴承涡轮机轴ABSF-1600”（NAKANISHI制造），在进行平面加工的同时对转速的变动进行了检测，测定了加工中的切削阻力。而且还对被切削材料的加工面性状和刀具刀头的磨损状态等进行了评测。

切削阻力通过分别在10万rpm和14万rpm的主轴转速下进行平面加工（切入深度和切削长度相同）时加工负荷所导致的、偏离基准设定转速的偏差进行测定。在14万rpm转速下加工时，作用于刀具刀头的切削负荷比10万rpm转速下减少9.6％。明显存在高速旋转使负荷降低的倾向。

在加工面性状方面，通过分别安装MC标准机轴（4万rpm）和ABSF-1600（14万rpm），利用涂层超硬球头立铣刀进行平面加工（切入深度和切削长度相同），测定了加工面的精度（图3）。结果两者获得了大体相同的加工面粗糙度，不过在14万rpm转速下，切削进给方向上呈现出清晰条理的切削刀痕，切削刀具的退刀面磨损要少一些。而且14万rpm转速下的所需加工时间大体为4万rpm时的1/3。

图3：在14万rpm何乐而不为呢?”的主轴转速下对平面进行切削的实验结果

切削面出现规则的切削刀刃痕迹（a）。面粗度在切削进给方向上为Ra0.215μm、Ry1.191μm（b）。

从上述结果可以看出，有望获得通过高速旋转来降低切削阻力，使用小型机轴时也可获得良好加工面粗糙度，以及小直径刀具的刀头不会发生极端磨损，以及大幅缩短加工时间等效果。

使用小直径刀具时所需要的要素技术

事实上，可用于超微细精密加工的市售立铣刀一般直径为10μ～20μm。因此，刀具旋转时的振动、热变形及磨损等最多不能超过数μm。因此需要确立以下要素技术。

①导入可形成超微细精密切削面的MC等加工机床并确立其使用技术。

②导入切削面计测装置并确立计测技术、数据处理及评测能力等对加工结果进行评测的手段。

③以高速切削为前提进行重视刀具寿命特性的切削刀具开发并优化切削条件及刀具轨跡。

④确立可防止高速旋转时刀具的振疲倦实验机用于停止测定金属、合金资料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸动精度及夹持刚性等下降的夹持方式。

⑤能够对刀具的切削刀刃部分进行非接触式测定，并以1μm以内的精度进行评测的机内计测系统。

⑥可对微小直径刀具的寿命及磨损情况等进行管理的刀具管理系统。

⑦处理微细形状时精度及效率也不会下降的CAM系统、控制系统和数据库。

（三）：机床的高精度化

要想在高速旋转主轴的同时将刀具磨损降至数μm（退刀面磨损程度）、并实现长时间的切削，就必须对机床采取在加工微细形状时保持稳定的进给速度，并将切削时对刀头的冲击降至最小限度等对策。日本理化学研究所和沙迪克（Sodick）从2002年开始利用双方共同开发的试验机床展开了相关尝试。

实验机床利用主轴转速为20万rpm的空气涡轮驱动，为了提高刀具刀头的振动精度，采用了基于热装的直接卡紧方式。另外还通过在主轴上直接安装刀具，以防止刀具调整作业带来的误差累积，使振动精度和热变形控制在了0.3μm以内＊2。驱动系统采用线性马达，加速度特性为X轴和Y轴1.5G、Z轴1G，可实现敏捷的进给动作。

＊2 普通的筒夹方式在高速旋转时振动精度为10μm～20μm，而只要改为热装方式便可改善至3μm～4μm。

以空气涡轮而非马达来驱动主轴是因为马达会成为发热源。如果是通常的粗刀具的话，用马达驱动不会有问题，但使用极细的刀具时，只要稍有热量影响，刀具就会发生热胀。由于切入量的设定原本就只有数μm，因此即使是数μm的刀具热胀，也需要防止。

根据实验机床获得的切削实验结果，沙迪克开发出了MC“AZ150”（2005年12月上市）和“AZ250”（2008年11月上市）。与原来的MC相比，实现了10倍以上的高效率，而且还能够在平均面粗糙度和形状上实现一位数纳米级精度的加工。这是采用主轴转速为12万rpm且Z轴方向的热变形量在1μm以下的低热变形主轴、基于全轴线性马达的双轴相对驱动进给机构，以及直接控制（后述）形成的新机轴。

两轴相对驱动进给机构配有与加工台为相同重量的副轴，可与加工台做反向运动。两者合起来的重心位置不会发生变化，可轻松抵消高速进给后紧急停止时所生产的振动。另外还导入了利用高频电磁感应加热的热装方式的刀具夹持装置，以及可对刀具切削刃部分进行非接触计测的系统（图4、图5）。

图4：采用热装方式的主轴轴头部的构造

由NAKANISHI开发。通过高频电磁感应线圈加热夹持部分后其口径就会扩大，因此可装卸刀具。加热时间为10～15秒。

图5：刀具的机内测定系统

对刀具的磨损量进行非接触测定，得出修正量。工件位置用接触式探针检测，探针本身也与刀具一样，以非接触方式进行测定。

今后随着进一步满足超微细精密加工的要求，将达到以肉眼几乎看不见的刀具进行切削的水平，届时甚至会无法通过目视来确认切削开始时的接近动作。刀具动作的指定将朝着由程序指令确定的方向发展，因此今后必须要采取通过模拟及传感器等手段来防止刀具碰撞的措施。另外，在解决机床与工件的热变形问题时，在加工部位周围流过切削液，或者在切削液中切削的做法将成为有效手段。由于对加工部位的温度很难进行直接控制，因此今后的目标是利用受温度管理的切削液来保持温度稳定。

（四）：避免控制上的线段近似

目前的机床控制方式在用于加工微细形状时存在极限。也就是说，由于一般是通过对刀具轨跡进行短小分割，以线段近似法来NC程序的，因此提高加工精度时，数据量就会增大，使CAM处理耗费大量时间。而且，数控装置对NC程序进行解读时也需要时间。

尤其是在超微细精密加工中，NC程序会分割为数量更多的微小线段，在效率方面存在诸多问题。不仅如此，精度也存在问题，比如，在原本想要切割出光滑的自由曲面形状时，刀具的轨跡却往往出现微妙的锯齿形。因此，沙迪克（Sodick）开发出了不经由NC程序，而是直接向动作控制器输出轴移动指令的直接控制系统“DirectMotion”，并配备在了AZ150等加工中心上（图6）。DirectMotion可使刀具的加减速变得流畅，而且还能减少加减速的发生频率。

图6：普通控制方式与DirectMotion的不同

DirectMotion直接通过三维模块来计算轴动作指令，不经由NC程序即发出指令。

DirectMotion可在控制装置中内置CAM功能，因此只需输入CAD数据即可进行最佳切削。另外，DirectMotion还可在内置有与控制装置一样的系统的PC上运行，因此能够利用轴移动指令对机床的动作进行模拟。也就是说，可通过再现利用MC进行切削的情形来掌握实际切削时间和进给速度。而且还可通过颜色来显示包括加减速在内的进给速度，根据需要对刀具、刀具轨跡及切削条件进行修正。

DirectMotion控制系统在切削0.5mm见方的凹槽形状时，即使将进给速度提高至非常高的1080mm/分钟，拐角部位上的、与CAD数据之间的偏差也只有约1μm左右。并且，进给速度为360mm/分钟的话，则几乎没有尺寸偏差（图7）。而原来的控制方法即使原本指示的进给速度很高，但实际上一般也只能最多提高到300～400mm/分钟左右。

图7：0.5mm见方凹槽切削中的加减速控制

由沙迪克的DirectMotion获得的数据。工件相当于SK D11（HRC60），刀具为cBN烧结体，直径为100μm。主轴转速为12万rpm，加工深度为0.2mm，加工时间为每凹槽2分钟，凹槽为100个。即使在1080mm/分钟高速进给下，与目标值之间的偏差也可控制在1μm范围内。

（五）：延长小直径刀具的寿命

微细切削刀具需能够保持切削精度并提高抗磨损特性。而且从用途看，其涉及的被切削材料范围也很广，从高硬度钢一直涵盖至超硬合金、陶瓷等高脆性材料。在这种情况下，刀具的材料越来越多地使用抗磨损特性比普通的涂层超硬合金更出色的cBN（立方氮化硼）烧结体及金刚石烧结体等（图8）。不过，在进行加工面粗糙度比1μm大的切削作业时，却依然以使用超硬合金立铣刀为主。

图8：加工精度与刀具材质间的关系

要求的精度越高，就越需要使用磨损少的cBN烧结体及金刚石烧结体。

涂层超硬合金立铣刀主要用于高硬度钢的粗切削（部分为精切削）（图9）。涂层技术近年来不断取得进步，除了微小直径立铣刀用PVD（物理气相沉积）涂层的薄膜化之外，利用硅类复合覆膜等对高温硬度特性和抗熔敷特性进行的改进也得到推进。原来因涂层有效厚度（数μm）及附着强度等缘故，市售涂层超硬合金立铣刀的最小直径最多只减小到了0.1mm。不过，随着涂层厚度减薄至１μm，直径为10μm的钻头（日进刀具）已经面市，而且立铣刀也有直径为10μm的产品投放市场。

图9：利用涂层超硬合金立铣刀进行切削的示例

材质为铝合金A7075，加工深度为48μm。图片由日进工具提供。

小直径刀具本身的主要技术课题有以下几项。

①对刀头进行研磨的技术。选定金刚石砂轮，并研究、确立砂轮打磨技术及研磨条件等。

②为保证刀具刚性，对能够最大限度地确保截面面积的切削刃形状进行设计。并且考虑切削时的抗折损性，对切削刃部的沟槽形状等进行设计（图10）。

图10：考虑到抗折损性的切削刃形状

图片由日进工具提供。

③使用粒径为数百纳米级微细水平的超超微粒子合金。

④满足高精度化需求。通过提高切削刃精度来改善切削精度、延长刀具寿命。比如，能够实现切削刃直径为±2μm以内、刀头振摆精度为2μm以内、刀柄直径精度为0～－2.5μm（JIS h3标准，正圆度在0.1μm以内）的高精度刀具研磨技术。

（六）：通过烧结体实现更微细的加工

如前文所述，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（图11）。

图11：cBN烧结体的超微细精密加工用半径立铣刀

采用将圆柱斜着削去一部分的形状，直径为30μm。图片由日进工具提供。

金刚石烧结体立铣刀一般用于切削超硬合金及陶瓷等被削切削材料（图12）。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。

图12：利用金刚石烧结体立铣刀进行的切削加工

工件材质为超微粒子超硬合金、刀具为直径（对角）200μm的六棱形形状方形立铣刀。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。

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多年来造成线状损伤＊3。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＊4。

＊3 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。

＊4笔者尝当负荷不能再上升时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。 (end)