微细切削技术主要用于进行微小型结构件及其总成的加工，尤其在微小型复杂、异型、高强度和多尺度金属结构件方面有其独特优势，可适应微机械零件材料多样化、结构三维化、功能复杂化和批量柔性化的加工趋势。

1.微小型结构件

微小型结构件按工艺特点可以分为微小型轴类零件、微小型板类零件、微小型齿轮和微小型三维复杂结构件等。与其他宏观零件相比，微小型结构件还具有以下几个特点：

1）特征尺度微小。微小型机电系统目前的特点可归纳为厘米级系统、毫米级零件和微米级精度。微小型零件一般都在毫米级或微米级，即使在MEMS系统中进行整体装配时，尺度也多在厘米级，所以必须充分保证零件加工的形状精度和位置精度。

2）工件的力学性能要求较高。零件材料多为非硅材料，主要由金属、合金和复合材料等组成，力学特性好，强度硬度高，具有一定的抗过载、耐磨损、耐蚀或耐高温能力，能够应用于恶劣工况条件，这使得由硅材料加工为主发展起来的传统微细加工技术由于受工件材料限制而无能为力。

3）有三维或准三维的立体结构，必须能进行装配。微小型结构件空间紧凑，结构复杂，且零件有较高的深宽比或较大的长径比，具有微框架、微腔体、薄壁、微槽和微细孔等多种特征结构，各特征结构之间有相对位置精度要求。在保证装配和使用的情况下，一般对表面粗糙度要求不高，但对零件之间相对位置精度要求较高。

微小型结构件的特征如图2-18所示。

图2-18 微小型结构件的特征

2.微细切削加工微小型结构件的工艺要求

微小型结构件的微细切削加工工艺不同于常规零件的切削加工，其工艺设计关系到是否能够高效率加工出高质量、低成本的微小型零件，因此微细切削的加工工艺的制订除应遵循一般加工的原则和规律外，还应该考虑以下问题。

（1）毛坯加工余量最小化 在微细切削中，刀具的每次进刀量都较小，于是每次切削去除的材料很少，这样可以减少切削力引起的加工变形，保证刀具使用的可靠性和加工精度。加工时的毛坯状态决定了材料去除总量，毛坯的加工余量如果过大，将使加工工时增加，加工效率下降。因此，应在普通机床上进行预切削，使毛坯加工余量最小化。

（2）合理选取加工方式和刀具类型 对同一微小型结构件的加工有很多方式，要选取合理的加工工艺和刀具。例如，当加工外圆柱面时，可采用传统车削的方式进行预切削，这样使加工效率提高；精加工时则采用车铣加工的方式，车铣加工可以克服径向切削力过大引起的工件弹性变形，保证零件的尺寸精度。在微小型结构件的微细铣削过程中，可先采用较大直径立铣刀粗加工，以便延长刀具寿命和提高生产效率；然后采用较小直径铣刀进行精加工，此时选择较高切削速度，以便减小工件变形，保证加工精度。

（3）刀具的集中使用 在微小型车铣加工中心上加工微小型结构件时，应遵循刀具集中应用的原则，使用尽可能少的刀具，尽量减少换刀和刀具调整次数，提高刀具的综合利用率及切削加工的自动化程度。

（4）合理确定加工方式的先后顺序 加工方式的先后顺序会对加工结果产生重要影响，故应进行合理安排。例如，微小型异形轴的主要特点是轴的回转面上有平面特征，这样就需要首先完成回转表面的加工，然后进行平面的加工，工艺宜采用先车削后铣削的顺序。但对于直径较小或平面较大的异形轴，其刚性较差，为减小铣削所引起的加工变形，应采取先加工平面后加工回转面的工艺顺序，即改变为先铣削后车削的工艺顺序。车削时应注意，必须采取较低的车削转速，以减小断续切削引起的冲击。

（5）根据零件类型确定走刀路线 当微细轴类零件进行微细车削时，一般不采用顶尖进行装夹，即使采用顶尖，由于微细轴的刚性较弱，也容易将工件顶弯；不使用顶尖进行微细车削时，会在工件刚性最差的地方产生让刀，从而使最先吃刀的部位切削量不够，造成翘尾现象。为保证工艺稳定性，减少工件的径向让刀量，可采用逆向进给的方式进行车削，即刀具从床头向尾座的方向进给，使工件承受拉力作用。

（6）确保关键工序的加工精度 微细切削的关键工序决定着零件的最终加工精度，关系到零件是否合格。微细钻削一般为微细孔的最终加工工序，加工中稍有不慎，由于微细钻头刚度、强度较低，在切削或振动的作用下极易产生弯曲或折断现象，如无法取出会导致整个工件报废。因此，需要通过预先的工艺试验，确定出关键工序中所应用的工艺参数，以保证关键工序的工艺能力裕度，最终保证关键工序的加工精度。

3.典型微小型结构件的微细切削加工工艺

（1）微小型轴类零件的加工工艺 微小型轴类零件是微小型机械系统中最常见的零件类型，传统的加工工艺主要是车削。随着车床精度、转速的提高，这种传统的加工方法已经可以适应微细零件的加工。但国内外在对尺寸小于1mm的零件进行加工时，多数使用金刚石刀具，不但价格贵，而且刃磨要求较高，操作起来十分困难。随着车铣加工技术应用到微细切削领域，可以选用常规硬质合金铣刀，进行微细轴类零件的车铣加工，并取得了成功。

车铣加工相对车削加工在工艺上有很大优势。

微细车削加工可满足大多数微小型轴类零件的加工要求，但当加工具有较大长径比的微细轴时，由于无法采用后顶尖支撑，完全属于悬臂梁结构，在径向力作用下极易使轴发生弯曲变形并产生让刀，容易造成零件的翘尾现象，如图2-19a所示。翘尾会使微细轴的宏观几何尺寸失真，无法满足加工要求。(www.daowen.com)

微细车铣加工通过车削和铣削主轴的合成运动来实现，切削速度主要依靠铣刀的转速，从根本上解决了长期困扰车削线速度慢的问题。相比而言，铣刀转速的提高比车削转速的提高要易于实现，对于微小型铣刀，必须采用较高转速，如60000r/min的电主轴来加工。与微细车削加工相比，微细车铣加工是多刃切削，产生的径向力比车削要小很多，可以加工长径比很大的微细轴而不折断，而车削要做到这一点就比较困难。

车铣加工工艺是集车削和铣削两种工艺复合的一种切削方法，它可以从根本上解决车削微细轴类零件时切削线速度低的问题，而且可以实现工件低速旋转状态下的高速切削加工。在进行微细轴类零件加工时，一般采用的是正交车铣加工方式，车铣加工切削刀具为硬质合金铣刀。利用正交车铣方式加工出的细长轴如图2-19b所示。

图2-19 微细车削与车铣细长轴的对比

a）微细车削细长轴的翘尾现象 b）微细车铣加工的细长轴

正交车铣加工的主切削运动为铣刀的铣削运动，切削线速度主要由铣刀主轴的旋转速度决定，而不是由车削中的工件旋转速度决定。应用车铣工艺加工微细轴，从切削原理上解决了切削速度低的问题，具体表现在：

与车削相比，车铣在切削方式上是不连续切削过程，可得到较短的切屑，易于排屑，同时也使刀具冷却，减少刀具磨损；车铣由于可以采用较大的切削深度，从而使切削效率比车削高很多；在刀具磨损方面，由于车削中较易形成积屑瘤，致使车刀的副后刀面比主后刀面磨损还严重，而车铣的磨损则比较轻微；在加工表面质量方面，由于车铣的径向力较小，加工尺寸精度和表面粗糙度要好很多，同时加工中的振颤也要优于车削工艺。

（2）微小型三维结构件 微小型三维结构件是微小型产品的座体或本体类零件，其上还要进行其他微小型零件，如微细轴、微小型板、微小型齿轮、微弹簧及其他微小型结构件的装配。图2-20所示为某钟表机构中的座体零件，该零件即为典型的微小型三维结构件。它具有其他常规零件所不具备的工艺特征，如较大深宽比、长径比，有微槽、微孔、薄壁和台阶面等，而且相互之间有较高的位置精度要求，加工时不仅要保证零件的几何形状，还要保证各几何形式的相对位置关系精度。根据这些工艺特征要求，进行微小型三维结构件加工时，必须根据零件的工艺特点，选择加工尺度小、加工精度高、复合加工能力强及加工柔性好的微小型数控加工机床，合理编制数控加工工艺，尽量采用一次装夹定位的完整加工工艺进行加工，并充分考虑加工顺序对加工效率、精度的影响，选择最优的加工工艺和路线。

加工出的样件用体式显微镜观察后，如图2-21所示。

图2-20 典型的微小型三维结构件（某种钟表机构中的座体件）

图2-21 微小型擒纵零件加工实物图

（3）微小型板类和齿轮类零件

微小型板类零件的加工以平面为主，还有台阶面、微槽、微孔及某些不规则外廓或内凹槽等。与微小型三维结构件相比，板类零件的工艺特征相对简单，通常采用微细铣削和钻削进行加工即可满足使用要求，加工时必须注意走刀路线和刀具半径补偿等问题。

微小型齿轮的齿形是加工的难点和重点，直接关系到啮合的精度和最终装配以及使用效果。微细切削加工微小型齿轮可分为微细成形铣削和微细滚削加工两种方法，微细成形铣削加工的精度受成形刀具自身制造精度的影响较大，同时受机床刚性和夹装方式以及工艺系统振动的影响，虽然微小型齿轮的各齿分布比较均匀，但最终加工出的齿轮齿廓形状误差较大，齿形失真明显。微细滚削加工是基于范成法的成形工艺，由于是多刃连续切削，且刀具制造精度相对较高，其加工效率和加工质量比微细成形铣削要高。图2-22所示为微细切削加工的微小型齿轮。

图2-22 微细切削加工的微小型齿轮

a）微细成形铣削加工的微齿轮 b）微细滚削加工的微齿轮