盡管“微細(xì)加工”這個術(shù)語用在那些尺寸異常小的加工操作中，但Sandia國家實(shí)驗(yàn)室(美國新墨西哥州Albuquerque市)的研究者們卻不愿意對自己的小規(guī)模銑削和車削操作采用該術(shù)語。
對他們而言，前綴“微細(xì)”隱含著可以生產(chǎn)出尺寸小至1μm的特征之能力。這是他們無法完成的——至少通過銑削和車削操作無法完成。Sandia的刀具更適合生產(chǎn)出尺寸至少為25μm的特征。
換言之，盡管他們避免說“微細(xì)加工”，但他們這里的加工幾乎比任何其他金屬切削廠所進(jìn)行的加工都要更接近“微細(xì)”。
中加工(Meso-machining)是這些研究者們所用的術(shù)語。微小的銑刀和車刀是用聚焦離子束通過雕刻硬質(zhì)合金及HSS毛坯而制成的。
用這種方式制成的立銑刀直徑可能小至20 μm左右。車刀可以小至10μm寬。這種刀具正是中加工所需要的，因?yàn)閷τ跈C(jī)床而言，已經(jīng)存在合適的技術(shù)。
前面三個照片是用聚焦離子束生產(chǎn)的立銑刀。
另兩個照片是用相同方式生產(chǎn)的一把18μm寬車刀的視圖
在這里有Sandia工作比較令人驚奇的一方面。盡管試驗(yàn)刀具必須開發(fā)，實(shí)驗(yàn)機(jī)床并不是使用這些刀具的必需。研究者們在可以從商業(yè)供應(yīng)商處買到的精密機(jī)床上有效地使用這些刀具。
研究中加工的主要原因與核武器有關(guān)。Sandia制造工程部經(jīng)理Gilbert Benavides解釋了這之間的聯(lián)系。他說，現(xiàn)有核武器帶有一些有時候需要更換的零件，而這些零件最好換上可以改善的型式。但是，每個零件都具有固定的尺寸和形狀，因?yàn)榻M件中它周圍的元件不會改變。因此，添加新特征的唯一選擇是在現(xiàn)有空間中壓縮進(jìn)更多特征。中加工可以提供滿足這種需求的途徑。
到底可以在核武器上添加什么樣的新特征，這個問題存在很大的想象空間。但是這方面是Sandia的中加工作業(yè)中額外細(xì)節(jié)的一個選擇。
能力
Sandia已經(jīng)可以熟練銑削20~30μm寬的槽，材料包括鋁、黃銅和4340鋼等。典型的切深為1μm。一個采用22μm直徑兩刃硬質(zhì)合金立銑刀、切深1μm、轉(zhuǎn)速18,000r/min對鋁進(jìn)行的加工實(shí)驗(yàn)表明這把刀具可以以最高達(dá)50mm/min的進(jìn)給速度高效加工。這把刀具可以銑削6小時以上(采用不同的進(jìn)給速度)而不產(chǎn)生裂紋。
車刀被證明具有同樣的耐用度。一個代表性的實(shí)驗(yàn)表明，一把13μm寬的刀具可以切削總共200mm長、4μm深的鋁質(zhì)螺旋溝槽(如果溝槽為直線而沒有卷繞的形式)。
刀具
車刀類似于全尺寸車刀。銑刀卻不是這樣。當(dāng)采用離子束加工刀具時，無法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)立銑刀一般都具備的溝槽式復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。相反，中加工立銑刀具有簡單的幾何橫截面，如本文照片所顯示的那樣。
微型刀具是否真正與全尺寸刀具采用相同方式進(jìn)行切削？答案似乎是肯定的。采用光學(xué)顯微鏡對中加工銑削過程進(jìn)行觀察顯示出了從刀具附近彈出的切屑。此外，對銑削零件進(jìn)行的電子顯微鏡檢測也揭示出了刀具留下的痕跡。
在車削中這種跡象甚至更加明顯。正如全尺寸車刀一樣，有時候發(fā)現(xiàn)中加工車刀在切削后依然有成串的切屑附在上面。
該照片是許多車間會看到的一種現(xiàn)象的微型圖。在加工鋁后，刀具上仍然附著一片長切屑
機(jī)床
上述銑削試驗(yàn)是在20世紀(jì)90年代購買的一臺Boston數(shù)字式加工中心上進(jìn)行的。該機(jī)床分辨率為1μm，因此可以通過“觸摸”方式將微細(xì)刀具相對工件定位——采用機(jī)械師在使用手動銑床時會采用的相同方式。也就是，操作員不斷一微米一微米地點(diǎn)動，直至出現(xiàn)看起來像切屑的東西為止(通過顯微鏡觀察)，表明刀具已經(jīng)與零件接觸上。
最近在Willemin-Macodel的一臺精密加工中心上進(jìn)行了更多銑削加工。中加工車削在Moore Tool的一臺金剛石車床上進(jìn)行，盡管Sandia采用的刀具材料不是金剛石。該工廠還采用阿奇的線切割和成形機(jī)床通過EDM方式加工出了比較小的特征(為了覆蓋整個范圍，激光加工是中加工研究的另一個領(lǐng)域)。
存在的一些挑戰(zhàn)
Benavides先生說，當(dāng)今，中加工車削比中加工銑削更實(shí)用。對于銑削，無法復(fù)制出普通立銑刀形狀是其中的制約之一。另一方面是很難對刀夾中刀具顯示足夠小從而對20μm刀具合格的跳動水準(zhǔn)。
再其次是缺乏金剛石。Sandia的客戶還需要可能要采用小于130μm(0.005英寸)的銑刀進(jìn)行加工的工件。對于諸如微細(xì)外部齒輪齒這樣的特征，該工廠趨向于采用線切割EDM。但是，如果需要內(nèi)部齒輪齒，則可能需要采用中加工銑削方式。
但是各種中加工方法的研究還在繼續(xù)，包括銑削在內(nèi)。為了解決銑削中刀夾和相關(guān)的跳動問題，Sandia正在用無須采用刀夾而旋轉(zhuǎn)刀具的特制主軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該主軸在佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)500,000r/min。
| 中加工技術(shù) | 最小特征尺寸和特征公差 | 材料去除率
(μm3/s) | 材料 |
聚焦離子束
(用于制作刀具) | 200nm
公差為20nm | 0.5 | 任意 |
| 銑削或車削 | 25μm(在某些情況下對車削為10μm，公差2μm) | 10,400 | 鋁、黃銅、軟鋼、
PMMA(一種塑料) |
| EDM | 25μm，公差3μm | 2500萬 | 導(dǎo)電材料 |
影響中加工的一個更一般的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)它所需要的專業(yè)知識水準(zhǔn)。這些切削不像宏觀過程，其中刀具、零件和程序可以在不同機(jī)床之間互換。中規(guī)模切削需要操作員理解在不同條件下微細(xì)誤差的堆積，以及通過諸如速度和進(jìn)給速度等特定參數(shù)的選擇如何影響特定機(jī)床的精度等。Benavides先生說，對于一名熟練技師而言，需要幾個月的嘗試才能獲得這種理解力。因?yàn)楸仨毦邆溥@種理解力，因此中加工的應(yīng)用范圍存在制約。他說，即使在Sandia的50或60名熟練技師中，也只有數(shù)得著的幾個人已成為這種加工的能手。
