玻璃加工顺铣和逆铣哪个好？

玻璃是一种又硬又脆的材料，在我们的日常生活中已经使用了很长时间。近年来，随着IT产业的发展，玻璃作为光学器件的结构材料的需求越来越大。此外，在各个领域，如材料开发、医疗、制药、环保等。玻璃越来越多地被用作检查基板的制造材料。生产这些部件所需的玻璃制品大致可以分为两类:平面或曲面加工和微造型加工。前者通过化学机械抛光(CMP)建立了纳米级的高级表面加工技术。对于后者，由于玻璃易碎，容易损坏，以前认为直接用机械方法加工非常困难，所以一般用氢氟酸进行化学去除。近年来，利用激光、等离子等多种加工方法也可以实现软玻璃的微加工。然而，这些加工方法所用的设备复杂，成本相当高。大家都希望开发一种低成本、简单的加工方法。

基于这种情况，近年来，通过机械加工方法对玻璃材料进行切割实验的研究和技术开发不断增加。最近日本竹内教授等人报道了用端铣刀加工玻璃三维形状的研究，其可行性和实用性值得期待。针对端铣刀的切削机理，进行了10μm以上玻璃材料的沟槽加工试验，以研究其切削特性。介绍了球头立铣刀加工玻璃材料的切削特点和应用实例。

端铣刀对玻璃的塑脆复合型切割

从刀轴对应的垂直截面上的切削刃轨迹以及切削刃轨迹与后续切削刃轨迹之间的干涉曲线图案可以看出，立铣刀在旋转的同时是自下而上运动的，每旋转一次都会切掉一部分材料。在此过程中，切割刃不断切入和切出(分离)材料。因此，每次切削刃旋转时，切削厚度从0增加到最大切削厚度，然后逐渐减少到0。随着刀具的移动，其余部分也被切割。如果玻璃的切割厚度在1μm以下，会像金属一样产生切屑，材料被去除而不会脆裂。因此，保持切削厚度在1μm以下可以保护加工表面免受脆性损伤。在实际加工过程中，由于主轴的振动和刀具弯曲的影响，无法获得理想的切削路径。切削刃和切削刃附近的加工表面的创建机制也是如此。因此，需要设定合适的主轴转速和进给速度来实现玻璃的塑性加工。

用球头铣刀加工时，切削刃轨迹的旋转半径随刀具轴向高度的增加而增大。因此，根据上述机理，当加工表面从槽的底部形成到槽的上部时，即使轴向上的切削深度大，加工表面也不会变脆。但是切削刃底部的旋转半径太小，切削速度很低。因此，为了提高切削性能，刀具在进给方向倾斜一定角度，以保持一定的切削速度进行加工。

切割特性

选用光学显微镜观察试样的载玻片(无铅玻璃，成分:72%SiO2 _ 2，18%K2CO2，10%CaCO2)进行切削试验，观察球头铣刀在加工过程中的特性。在切削试验中，为了实现倾斜切削模式，由无刷电机驱动的精密主轴向刀具进给方向倾斜45度。切削试验中，通常采用在加工中心的主轴头上安装刀具系统来夹紧刀具的方法，刀具是倾斜的。实验使用的刀具是直径为4mm、曲率半径为0.2mm的硬质合金球头铣刀，刀具表面镀有TiAlN涂层。为了给切削刃提供足够的切削液，需要将玻璃工件放在工作台上的水槽中，在水中进行切削。

在转速为80000rpm、进给速度为0.06mm/min、切割深度为65438±08 μm的加工条件下，对比了干切割和水下切割加工光学玻璃的表面状况。刀具由下向上进给，刃口从左侧切入，从右侧切出。结果表明，干切削的表面质量比湿切削差，槽内出现脆性损伤，切削表面不完整，槽宽不稳定。与上述试验中使用的玻璃材料不同，比较了干燥和水浸后研磨的应时玻璃的维氏硬度。weibull概率纸上的比较曲线表明，与干燥时相比，玻璃在附着水分后机械强度降低。因此，可以认为，在水中切割时，玻璃的机械强度降低，因此可以改善可加工性。

球头立铣刀沿进给方向以0°倾角(即不倾斜)和45°倾角加工光学玻璃后(切削条件:转速20000rpm，切削深度0.018mm，进给速度0.48mm/min；；湿切削)，两者表面质量的比较表明，后者能获得更好的加工效果。球头铣刀斜切光学玻璃时(切削条件:转速80000rpm，切削深度0.020mm，进给速度0.48mm/min；；湿切削)，如果双刃球头铣刀用于非倾斜加工，当一个刀片切出材料时，另一个刀片开始切入材料。但如果刀具倾斜，当切削深度小于刀具半径时，切削力为零，即两个刀片不加工，材料不与刀具接触，此时刀具会冷却。另外，由于实际切削时间短，切削热进入刀具的时间也短。如果刀具倾斜，虽然切削刃的切削面积增大，但切削时间缩短，冷却时间增加，因此仍能抑制刀具的温升。

从主轴转速对光学玻璃表面加工质量影响的对比结果(切削条件:切削深度0.018mm，每齿进给量12nm/齿；湿切削)表明，当转速增加时，切削刃易发生脆性破坏，在转速为40000转/分和80000转/分时，可见切屑粘连现象。从不同www.flm8.com速度下50mm切削的刀具磨损对比可以看出，40000rpm和80000rpm时刀具磨损严重，刃口形状发生了变化。但在20000转/分时，刀具磨损小，切削刃形状稳定。

从以20000rpm和20μm的切削深度湿法切削光学玻璃获得的加工表面可以看出，随着进给速度的增加，沟槽右侧的脆性损伤面积增加。在相同的切削条件下，用FIB切削正向铣削侧和反向铣削侧的加工表面，观察截面显示正向铣削侧没有观察到开裂现象，加工表面状况良好。在反向铣削侧，在表面层的几微米深度范围内可以看到沿切削方向延伸的裂纹。因此，用端铣刀刻玻璃槽时，切削厚度减小的反向铣削方式容易造成脆性破坏。

根据不同进给速度下光学玻璃加工表面粗糙度的变化(切削条件:转速20000rpm，切削深度0.018mm；；湿切削)表明，进给速度越小，表面粗糙度越好。然而，当进给速度小于0.24毫米/分钟时，加工表面的质量恶化。通过对比进给速度分别为0.06mm/min和0.48mm/min时的加工表面质量，可以看出，当进给速度为0.06mm/min时，加工表面可以看到大面积的划痕。也就是说，如果进给速度过小，会因刀具弯曲而漏切，旋转的切削刃无法一次性切断材料，需要多次不规则的去除材料。因此，如果进给速度太小，加工效果不好。

玻璃立式铣削的应用

在加工具有由深度为20μm(宽度196μm)的纵向槽和深度为15μm(宽度152μm)的横向槽组成的直角槽的光学玻璃的例子中，使用的工具是直径为0.4mm和0.5mm的球头铣刀，主轴速度为20000rpm，进给速度为0.48mm/min。本产品是为了提高DNA微阵列的检测精度而制造的(相当于凹槽处理后剩余面积的10×10微表面会附着一定量的DNA，多余的DNA会从凹槽溢出)。可以看出，切削后的加工面无脆损，状态良好。

检查基板所需的微沟槽深度通常约为100-200微米..如果忽略刀具本身的曲率，就不能根据切削机理考虑轴向高度。因此，需要设置合适的切割条件，即使玻璃一次切割超过100μm，也能在不损伤玻璃的情况下实现加工。

上面介绍了玻璃材料高效立铣的例子。与一般的金属切割相比，加工玻璃所用的切割进给速度相当低。但相对于划痕试验等切割方式，在一次深切割方面确实可以实现玻璃的高效加工。

以前从未考虑过端铣刀可以通过切入和切出刀刃来铣削玻璃材料。然而，正如本文所示，只要正确灵活地采用切割机构，就可以在不损坏玻璃的情况下进行切割。

为了提高玻璃立铣的实用性和加工效率，我们需要注意以下两点:

(1)合理设计适合玻璃切割的端铣刀刃口形状。

(2)刀具应沿切削进给方向保持倾斜姿态，灵活加工各种坡口类型。

对于第一点，在2006年，我们与日立工具开发了一种8刃球头铣刀。对于第二点，2005-2006年，经产省下属单位试制了加工机械，证明了其可行性。今后的主要课题是对刀具材料(特别是涂层材料)的研究，以提高刀具的耐磨性。