玻璃屬于硬脆材料，很早以前就被用于我們的日常生活中。近年來，隨著IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)，玻璃作為光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)材料，其需求量不斷增加。此外，在材料開發(fā)、醫(yī)療、制藥、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域，玻璃作為檢查基板的制作材料，其用量也越來越大。這些構(gòu)件所需玻璃制品的生產(chǎn)，可大致分為兩類：平面或曲面加工和微細(xì)形狀加工。前者通過化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）工序，目前已確立了納米級(jí)的高水平表面加工技術(shù)。而對(duì)于后者，由于玻璃具有易碎、易缺損的特性，以前，用機(jī)械方法直接進(jìn)行加工被認(rèn)為十分困難，因此一般是利用氫氟酸進(jìn)行化學(xué)去除法加工。近年來，采用激光、等離子等各種加工方法，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軟玻璃的微細(xì)加工。但是，這些加工方法所使用的設(shè)備復(fù)雜，所需費(fèi)用也相當(dāng)高。大家都寄希望于開發(fā)出價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單的加工方法。
    基于這種現(xiàn)狀，近年來，利用機(jī)械加工方法對(duì)玻璃材料進(jìn)行切削試驗(yàn)的研究以及技術(shù)開發(fā)不斷增多。最近，日本的竹內(nèi)教授等人報(bào)告了利用立銑刀對(duì)玻璃進(jìn)行三維形狀加工的研究，其可行性和實(shí)用性值得期待。作者著眼于立銑刀的切削機(jī)理，對(duì)玻璃材料進(jìn)行了10μm以上的溝槽加工試驗(yàn)，以考察其切削特性。本文介紹了用球頭立銑刀加工玻璃材料的切削特性及應(yīng)用實(shí)例。
    立銑刀對(duì)玻璃的塑性－脆性混合模式切削
    從刀具軸對(duì)應(yīng)的垂直斷面內(nèi)的刃口軌跡，以及刃口軌跡與后續(xù)刃口軌跡的干涉曲線模式可以看出，立銑刀在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)由下向上運(yùn)動(dòng)，每旋轉(zhuǎn)一次就將切除一部分材料。在這種加工過程中，刃口不斷地切入和切出（脫離）材料。因此，刃口每旋轉(zhuǎn)一次的切削厚度由0增加到最大切削厚度，然后又逐漸減少到0。隨著刀具的移動(dòng)，其余部分隨后也被切削。如果玻璃的切削厚度在1μm以下，就會(huì)與金屬一樣生成切屑，在不發(fā)生脆性龜裂的情況下實(shí)現(xiàn)材料的去除。因此，將切削厚度保持在1μm以下，可使加工表面不受到脆性損傷。在實(shí)際加工過程中，由于主軸的振動(dòng)及刀具彎曲的影響，并不能得到理想的切削軌跡。在刃口切入部位和切出部位附近，加工表面的創(chuàng)建機(jī)理也存在同樣的情況。因此，要設(shè)定適當(dāng)?shù)闹鬏S轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃的塑性加工。
    用球頭立銑刀加工時(shí)，切削刃軌跡的旋轉(zhuǎn)半徑隨著刀具軸方向高度的提升而增大。因此，根據(jù)上述機(jī)理，從溝槽底部到溝槽上部形成加工表面時(shí)，即使沿軸向的切深較大，加工表面也不會(huì)發(fā)生脆性損傷。但是，刃口底部的旋轉(zhuǎn)半徑過小，切削速度很低。因此，為了提高切削性能，將刀具向進(jìn)給方向傾斜一定角度，以保持一定的切削速度來進(jìn)行加工。
    切削特性
    選用光學(xué)顯微鏡中觀察標(biāo)本所用的載物玻璃片（材料為無鉛玻璃，成分為：72%SiO2，18%K2CO2，10%CaCO2）進(jìn)行切削試驗(yàn)，觀察球頭立銑刀在加工過程中所呈現(xiàn)出的特性。在切削試驗(yàn)中，為了達(dá)到傾斜切削模式，將由無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密主軸朝刀具進(jìn)給方向傾斜45°。在切削試驗(yàn)中，采用了在加工中心主軸頭上安裝工具系統(tǒng)夾持刀具的慣用方法，并將刀具傾斜。試驗(yàn)所用切削刀具為直徑4mm、球頭曲率半徑為0.2mm的硬質(zhì)合金球頭立銑刀，刀具表面涂覆有TiAlN涂層。為了給刃口提供充足的切削液，需將玻璃工件放置在桌上的水槽內(nèi)，在水中進(jìn)行切削加工。
    在轉(zhuǎn)速80000rpm、進(jìn)給速度0.06mm/min、切深18μm的加工條件下，減采用干式切削和水中切削方式加工出的光學(xué)玻璃表面情況進(jìn)行對(duì)比。刀具由下方進(jìn)給至上方，刃口從左側(cè)切入，右側(cè)切出。結(jié)果顯示，干式切削的加工表面質(zhì)量比濕式切削效果差，在溝槽部可以觀測(cè)到脆性損傷，且切削面不完整，溝槽寬度不穩(wěn)定。與上述試驗(yàn)所用的玻璃材質(zhì)不同，對(duì)經(jīng)過磨削加工的石英玻璃干燥后的試驗(yàn)片和水浸后的試驗(yàn)片的維氏硬度進(jìn)行了比較。在韋布爾概率紙上的比較曲線表明，玻璃在附著水分后，與干燥時(shí)相比，機(jī)械強(qiáng)度有所降低。由此可認(rèn)為，在水中進(jìn)行切削時(shí)，由于玻璃的機(jī)械性強(qiáng)度降低，因而可以提高切削性。
    球頭立銑刀以0°傾角（即未傾斜）和沿進(jìn)給方向的45°傾角加工光學(xué)玻璃后（切削條件：轉(zhuǎn)速20000rpm，切深0.018mm，進(jìn)給速度0.48mm/min；濕式切削），二者加工表面質(zhì)量的對(duì)比結(jié)果表明，后者可獲得更好的加工效果。球頭立銑刀傾斜切削光學(xué)玻璃時(shí)（切削條件：轉(zhuǎn)速80000rpm，切深0.020mm，進(jìn)給速度0.48mm/min；濕式切削），如果使用雙刃球頭立銑刀進(jìn)行不傾斜加工，一個(gè)刀刃從材料中切出時(shí)，另一個(gè)刀刃就開始切入材料。但是，如果將刀具傾斜，在切深小于刀具半徑的情況下，就會(huì)存在切削力為零的情況，即兩個(gè)刀刃均未進(jìn)行加工，材料與刀具沒有接觸，此時(shí)刀具就會(huì)冷卻。此外，由于實(shí)際切削時(shí)間較短，因此切削熱傳入刀具的時(shí)間也較短。如將刀具傾斜，雖然刃口的切削面積增大，但因切削時(shí)間變短，冷卻時(shí)間增加，因此仍然能夠抑制刀具溫度上升。
    從主軸轉(zhuǎn)速對(duì)光學(xué)玻璃表面加工質(zhì)量影響的對(duì)比結(jié)果（切削條件：切深0.018mm，每齒進(jìn)給量12nm/齒；濕式切削）可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，刃口切出（脫離工件材料）部位容易發(fā)生脆性損傷，且在40000rpm和80000rpm轉(zhuǎn)速下還可看到切屑粘著現(xiàn)象。從在各轉(zhuǎn)速下進(jìn)行50mm切削加工時(shí)刀具磨損情況的比較可知，在40000rpm和80000rpm轉(zhuǎn)速下，刀具磨損嚴(yán)重，刃口形狀發(fā)生了變化。而在20000rpm轉(zhuǎn)速下，刀具磨損較小，刃口形狀穩(wěn)定。
    從在20000rpm轉(zhuǎn)速下，切深為20μm時(shí)，采用不同進(jìn)給速度濕切光學(xué)玻璃時(shí)獲得的加工表面可以看出，當(dāng)進(jìn)給速度增加后，溝槽右側(cè)的脆性損傷面積擴(kuò)大。在相同的切削條件下，用FIB切斷順銑一側(cè)和逆銑一側(cè)的加工表面，觀察到的各自斷面情況可知，在順銑一側(cè)，沒有觀察到龜裂現(xiàn)象，加工表面情況良好；而在逆銑一側(cè)，表層數(shù)微米深度范圍以內(nèi)，可以看到沿切削方向有擴(kuò)展的裂紋。因此，用立銑刀對(duì)玻璃進(jìn)行溝槽加工時(shí)，采用切削厚度減少的逆銑切削模式容易發(fā)生脆性損傷。
    從在各種進(jìn)給速度下，光學(xué)玻璃加工表面粗糙度的變化情況（切削條件：轉(zhuǎn)速20000rpm，切深0.018mm；濕式切削）可知，進(jìn)給速度越小，表面粗糙度越好。但是，當(dāng)進(jìn)給速度小于0.24mm/min時(shí)，加工表面質(zhì)量則惡化。在進(jìn)給速度分別為0.06mm/min和0.48mm/min時(shí)獲得的加工表面質(zhì)量對(duì)比情況可知，當(dāng)進(jìn)給速度為0.06mm/min時(shí)，加工表面可以看到大面積的劃痕；也就是說，如進(jìn)給速度過小，因刀具的彎曲會(huì)引起漏切，旋轉(zhuǎn)的刃口不能一次性切掉材料，需經(jīng)過數(shù)次切削才能不規(guī)則地將材料去除。因此，如進(jìn)給速度過小，加工效果也不好。
    玻璃立銑加工的應(yīng)用
    在對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行深度為20μm（寬度196μm）的縱溝和深度為15μm（寬度152μm）的橫溝所構(gòu)成的直角溝槽加工實(shí)例中，所用刀具為直徑為0.4mm和0.5mm的球頭立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速20000rpm，進(jìn)給速度0.48mm/min，濕式切削。制作該產(chǎn)品是為了提高DNA微陣列的檢查精度（相當(dāng)于溝槽加工后剩余面積的10×10個(gè)微表面上將附著定量的DNA，多余的DNA將從溝部溢出）。可以看出，切削后的加工表面沒有脆性損傷，情況良好。
    檢查基板所要求的微細(xì)溝槽深度一般在100－200μm左右。如果忽略刀具本身彎曲度的話，在軸向高度上就不能按切削機(jī)理來考慮。因此，要設(shè)定適當(dāng)?shù)那邢鳁l件，即使是進(jìn)行一次切削100μm以上的加工，也可以在不損壞玻璃的情況下實(shí)現(xiàn)加工。
    以上介紹了玻璃材料的高效立銑加工實(shí)例。與一般的金屬切削相比，加工玻璃采用的切削進(jìn)給速度相當(dāng)?shù)?。但是，與像劃痕試驗(yàn)的刮削方式等切削加工相比，從可以一次性深切削加工這一點(diǎn)來說，它確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)玻璃的高效加工。
    以前沒有考慮過能采用立銑刀、以刃口切入切出方式對(duì)玻璃材料進(jìn)行銑削加工，但是，如本文介紹所表明的，只要正確、靈活地采用切削機(jī)理，就可以在不損壞玻璃的前提下實(shí)現(xiàn)其切削加工。
    為了提高玻璃立銑加工的實(shí)用性和加工效率，需要注意以下兩點(diǎn)：
    （1）合理設(shè)計(jì)適用于玻璃切削的立銑刀切削刃形狀。
    （2）刀具應(yīng)沿切削進(jìn)給方向保持傾斜姿態(tài)，靈活地進(jìn)行各種溝型的加工。
    對(duì)于第一點(diǎn)，2006年與日立工具共同開發(fā)了8刃球頭立銑刀。對(duì)于第二點(diǎn)，在2005－2006年，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省下屬單位試制了加工機(jī)械，證明了其可行性。今后的課題主要是對(duì)刀具材料（尤其是涂層材料）的研究，以求提高刀具的耐磨損性能。
    只要有能使刀具傾斜的設(shè)施條件，本文介紹的切削方法很容易引入機(jī)械加工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，不需要使用其他特殊設(shè)備。