微铣削与车削的最小特征尺寸、刀具和公差
设计微型零件,意味着要面对普通尺度下不存在的限制。0.2 mm的立铣刀会弯曲,5 μm的主轴跳动不容忽视,毛刺可能和特征一样大。本指南给出微铣削和微车削的常见最小特征尺寸、刀具尺寸和公差,以及让零件保持可加工的设计规则。如果您刚接触这个领域,微型零件加工采购指南是更好的起点。
为什么1 mm以下规则会改变
三种物理效应决定了微型零件加工的极限。
刀具刚性。 立铣刀的刚性大致随直径的四次方下降。直径减半,刀具的刚性约降为原来的十六分之一。0.2 mm的刀具在2 mm刀具毫无察觉的力下就会变形,表现为壁面锥度和特征尺寸偏小。
最小切屑厚度。 每条切削刃都有一个很小的圆角半径。当每齿切屑负荷与该刃口半径相当,通常是几微米时,刀具就不再干净地切削,而是开始犁削和挤压。这限制了精加工走刀可以有多细,并造成毛刺。
跳动与热伸长。 6 mm刀具上5 μm的跳动影响很小。在0.2 mm刀具上,这意味着一条刃承担了大部分切削,并过早磨损或折断。主轴在升温过程中也会伸长几微米。微型零件加工厂使用精密热缩式或弹簧夹头刀柄,逐把检查刀具跳动,并在关键加工前运行暖机循环。
常见最小特征尺寸
下表给出微型零件加工厂的典型量产极限。专业厂家可以做得更小,通常成本更高。
| 特征 | 量产典型最小值 | 专业厂家极限 | 主要限制 |
|---|---|---|---|
| 铣削槽宽 | 0.3 mm | 约0.05 mm | 刀具直径和深度 |
| 内角圆角半径 | 0.1至0.15 mm | 约0.025 mm | 刀具半径 |
| 钻孔 | ⌀0.2 mm | 约⌀0.05 mm | 钻头强度、排屑 |
| 壁厚,金属 | 0.15 mm | 约0.05 mm | 变形、振动 |
| 壁厚,塑料 | 0.3 mm | 约0.15 mm | 发热和装夹 |
| 车削直径 | ⌀0.3 mm | 短长度上约⌀0.1 mm | 变形、棒料支撑 |
| 螺纹 | M0.8 / 0-80 UNF | M0.3 | 刀具形状、量规可得性 |
| 零件整体外形 | 1 mm | 小于1 mm | 搬运和工件夹持 |
除另有说明外,数值为金属的典型值,不是保证。0.3 mm的最小特征、⌀0.2 mm起的孔和0.15 mm起的壁,是大多数RFQ中实用的规划数值。
微型刀具、深度与深径比
直径不是唯一的问题。深度决定了某个特征是否现实。
| 刀具直径 | 标准刀具的典型最大深度 | 典型主轴转速 |
|---|---|---|
| 1.0 mm | 3 mm | 20,000至40,000 rpm |
| 0.5 mm | 1.5 mm | 30,000至50,000 rpm |
| 0.3 mm | 0.6至0.9 mm | 40,000至60,000 rpm |
| 0.2 mm | 0.3至0.6 mm | 40,000至80,000 rpm |
| 0.1 mm | 0.15至0.3 mm | 60,000 rpm及以上 |
金属的典型值。加长颈刀具和特殊策略可在降低进给的条件下增加深度。
对于钻孔,对应的规则是深径比。直径的约5倍以内是常规,10倍可通过啄式钻孔实现,再深就要使用特殊钻头、深孔钻方法或电火花加工。⌀0.2 mm、深2 mm的孔处于正常量产的边缘。同样的孔深5 mm,就是专业加工了。
微铣削和车削的公差
微型零件加工的公差最好分为三个层级来理解。
| 层级 | 线性公差 | 适用位置 | 对成本的影响 |
|---|---|---|---|
| 一般 | ±0.02至±0.05 mm | 非功能性特征 | 基准 |
| 量产精度 | ±0.01 mm | 大多数标注尺寸的特征 | 中等 |
| 个别特征 | ±0.005 mm | 配合、基准、光学和流体特征 | 增加走刀并全检 |
| 专业级 | ±0.002 mm及以下 | 孔、插芯、量规零件 | 磨削、研磨或恒温环境作业 |
数值为典型值,不是保证。
车削对直径的保持比铣削对位置的保持更紧,因为车削的直径由主轴旋转生成。在走心机加工中,直径±0.005 mm和轴配合h5是常规水平,详见走心机车削指南。在铣削中,位置公差取决于机床精度、温度和调试,所以孔位置的±0.005 mm是个别特征的公差。
表面粗糙度遵循同样的逻辑。微铣削的表面通常为Ra 1.6 μm,通过精加工走刀可达Ra 0.8 μm,更低则通常需要增加抛光、研磨或电解抛光。
按ISO 286,3 mm以上至6 mm的尺寸段,标准公差在IT5为5 μm,IT6为8 μm,IT7为12 μm。这是一个有用的合理性检查:如果您对铣削特征要求IT5,就是在要求专业级加工。
让微型零件保持可加工的设计规则
微型零件的大部分成本在图纸上就已决定。以下规则在DFM反馈中一再出现。
- 给内角加圆角。 至少取能到达型腔深度的刀具半径,并留有余量。尖锐的内角需要电火花加工。
- 型腔深度控制在最小刀具直径的约3倍以内。 更深的型腔需要加长颈刀具、慢进给,废品风险也更高。
- 支撑薄壁。 0.15 mm的壁应当较短,或在加工期间有材料作背衬。高而薄的壁会颤振。
- 只在功能需要的地方标严公差。 其余部分使用ISO 2768或一般公差块。
- 定义边缘状态。 说明边缘必须无毛刺、倒到给定尺寸,还是保持锐边,以及如何检验。
- 选择能够测量的基准。 微型零件往往无法在普通零件可以探测的位置进行探测。把基准放在三坐标测量机或影像系统能够触及的车削直径或表面上,可以避免日后的争议。
- 按功能标注孔的公差。 间隙孔不需要与定位销配合相同的公差。
假设的例子:一个6061材质、8 x 8 x 6 mm的光学支架,有四个位置公差±0.005 mm的⌀0.4 mm孔、一条宽0.2 mm深1 mm的槽,以及尖锐的内角。DFM反馈通常会建议把槽加宽到0.3 mm或减小深度,增加0.1 mm的内角圆角,并把四个孔中两个的位置放宽到±0.01 mm。每项改动都在不损失功能的前提下减少了循环时间和检测量。
微尺度下的工件夹持与搬运
特征的精度取决于切削时零件的夹持方式。在微尺度下,装夹成为设计约束。
- 装夹变形。 薄壁的5 mm壳体夹在虎钳里,变形可能超过公差,松开后又回弹。加工厂使用软爪、定制夹具、真空或低熔点胶来轻柔地夹持零件。
- 从较大毛坯上加工。 许多微铣削零件在仍连着较大坯料时加工,最后一道工序再切离。这样零件保持刚性,但分离点会留下痕迹。请告诉加工厂哪里可以接受留痕。
- 连接片和框架。 几个小零件可以从同一块板上铣出,并用小连接片固定,就像模型套件上的注塑流道。连接片必须去除,并对该处进行修整,这增加了搬运。
- 零件收集。 走心机上,成品落入接料器。没有接料器,微小零件会丢失在排屑器中,或因掉落而损坏。
| 夹持方式 | 适用 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 精密夹头 | 车削件和圆形零件 | 夹持直径上的痕迹 |
| 定制软爪 | 小型棱柱形零件 | 调试成本、拧得过紧会变形 |
| 真空夹具 | 薄的平板零件 | 夹持力有限,只能用小刀具 |
| 连在母料上夹持 | 复杂的5轴微型零件 | 分离点的痕迹 |
| 板上带连接片 | 大量相同的平板零件 | 连接片的去除与修整 |
便于参考的典型做法。
对采购方来说,这意味着两点。请标出不允许出现夹痕、分离痕迹或连接片残留的表面。并且要接受加工厂可能要求增加一个小特征,例如平面或凸台,用来夹持零件。这往往使其余公差更容易达到。
测量您所规定的特征
无法测量的特征无法验收。对于约0.5 mm以下的特征,标准三坐标测量机的测针可能放不进去,接触力还可能使薄壁变形。此时需要影像测量系统、测量显微镜和针规。微型零件的测量方法有专门的指南详细介绍。这里的规则很简单:在量产之前,就每个关键特征商定测量方法。
下一步
请用公差与材料参考对照典型值检查您的图纸。准备好后,请发送RFQ,写明您的最小特征和最严公差。Micropartz会将其匹配给最多3家合适的微型零件加工厂,并在24个工作小时内回复。
常见问题
微铣削中使用的最小立铣刀是多少?
用于研究和专业加工的刀具可小至约0.01 mm。在量产微铣削中,常用约0.1至1 mm的立铣刀,许多加工厂为保证刀具寿命和可靠性,更愿意使用0.2 mm及以上的刀具。
0.2 mm的立铣刀能切多深?
按典型经验,标准微型立铣刀的切削深度最多约为其直径的1.5至3倍。带缩颈的加长刀具可以切得更深,但进给更慢、成本更高。对0.2 mm的刀具来说,不使用特殊刀具时,型腔深度大约为0.3至0.6 mm。
为什么不能把每个特征都保持在±0.005 mm?
因为在这个尺度上,主轴跳动、热伸长、刀具磨损以及刀具所能切下的最小切屑,各自都会消耗几微米。加工厂可以通过增加走刀和测量,在个别特征上控制它们,但如果到处都要求这个公差,时间和检测量会成倍增加。
微铣型腔的内角应该给多大的圆角半径?
至少等于该型腔深度下实际可用的最小刀具的半径,最好稍大一点,使刀具不会整个180度全部啃入。如果需要尖锐的内角,通常应该选用电火花加工。
参考的标准与资料
- ISO 286-1:2010, ISO code system for tolerances on linear sizes
- ASME Y14.5-2018, Dimensioning and Tolerancing
- Wikipedia: Engineering tolerance
本指南中的数值是供参考的典型值。真实的数值由图纸、材料证书和匹配的加工厂决定。