現在、マイクロカッティングは、MEMS技術の限界を克服するための重要な技術となっています。マイクロミリング技術は、その高効率、高柔軟性、複雑な3次元形状やさまざまな材料を加工する能力により、非常に活発な研究ホットスポットとなっています。
マイクロフライスカッターとその製造技術
製造プロセスとツールのパフォーマンス
研削は伝統的なフライスカッター製造プロセスですが、 マイクロ径フライスカッター 直径がわずか数十分の1ミリメートルの超極小径フライス工具は、研削力の作用下で不均質な工具材料に鋭い切れ刃を研削することは非常に困難です。これは、超極小径フライスカッターの開発における技術的なボトルネックにもなっています。このため、理論的および実験的観点から、切削力を発生しない加工方法（レーザー加工、集束イオンビーム加工など）を選択できます。
集束イオンビーム加工法は、原理的にはマイクロ径フライス盤の製造に適しています。フリードリヒ、ヴァシルらは集束イオンビーム加工技術を使用して、最小直径22mmのマイクロ径フライス盤を製造しました。マイクロ径フライス盤とカスタマイズされた高精度フライス盤を使用して、ポリメチルメタクリレート（PMMA）に深さ62mm、溝間のリブ厚さ8mmの89.5°直壁マイクロ溝構造を加工しました。アダムスらは集束イオンビーム加工技術を使用して、直径約25μmのマイクロ径フライス盤をいくつか製造しました。その輪郭形状は、二面体、四面体、六面体などがあり、刃先は2刃、4刃、6刃に分かれています。工具材料は高速度鋼と超硬合金です。これらの工具を使用して、アルミニウム、真鍮、4340鋼、PMMAの4つのワークピース材料にマイクロミリングを実行しました。ただし、切削にマイクロ径のフライスカッターを使用する場合は、送り速度を小さくする必要があり、工具の摩耗が激しいため、加工バリが大きく、加工効果はまだ不十分です。
ブレードの形状は エンドミル エンドミルには、主にストレートボディ、円錐三角形（D型）、半円形（D型）、市販のスパイラルエッジエンドミルの4種類があります。Fangらは、実験と有限要素解析を通じて、工具の剛性と加工性能に基づいて上記4つのエンドミルの研究と比較を行いました。結果によると、円錐D型エンドミルはマイクロ切削に適しており、直径0.1mmの円錐エンドミルを使用して、フィーチャサイズが50μm未満のバイオメディカル部品とフィーチャサイズが80μm未満のマイクロエンボス金型をうまく製造できました。
しかし、実用面と応用の見通しからすると、商品化されたスパイラル刃の微小径エンドミルを優先すべきであり、このタイプのフライスカッターに関する研究は数多く行われている。現在、海外では直径0.1mmの超硬エンドミルが商品化されており（中国では直径0.2mmのエンドミルも商品化されている）、直径50μmのエンドミルも上場され始めている。現在、このようなフライスカッターの製造は、依然として高性能の工具研削盤に依存している。
欧州では、マイクロ径エンドミル（最小径50μm）がマイクロプラスチック部品の射出成形金型の加工に使用されています。金型の硬度は53HRCに達し、フライス加工精度は<5μm、表面粗さRaは<0.2μmです。米国は、金型および硬質金型加工専用の新型マイクロ径フライスカッターを開発しました。このフライスカッターは、グラファイトや鋼などの高硬度材料の高速切削加工が可能です（切削速度30m /分、最大150m /分）。スイスの研究者は、硬質材料の高速切削実験を行い、直径0.5mmのTiAlNコーティングされたマイクロ径フライスカッターを使用して316Lステンレス鋼を切削し、切削深さ0.1mm、切削速度80m /分、スピンドル速度50000r /分、送り速度240mm /分でした。実験結果によると、工具寿命は8時間（117m）に達しました。
マイクロフライスカッター工具材料
工具材料としては、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、セラミックスなどがあり、それぞれ長所と限界があります。最も一般的に使用されているのは超硬合金です。現在、海外では90%以上の旋削工具と55%以上のフライスカッターが超硬合金で作られています。マイクロ径フライスカッターの分野でも、工具材料は主に超硬合金です。超硬合金は、多くの粒子で構成された焼結体です。粒子の大きさによって、刃の微視的な鋭さが決まります。鋭い刃を得るために、通常はタングステンコバルト系の超微粒子超硬合金が使用されます。現在、超微粒子超硬合金の粒径は約0.5mmで、刃先円弧の半径は数ミクロンです。
微粒子および超微粒子超硬合金材料の開発と応用は、工具の使用信頼性をさらに向上させるための開発方向です。その特徴は、切削効率の向上という目的を達成するために、加工材料と切削条件に適した新しいグレードの工具材料を継続的に開発することです。工具メーカーは、「適切な病気に適切な薬を処方する」という戦略を採用し、加工特有の特徴を備えた新しいグレードの工具を継続的に開発しています。たとえば、米国のケナメタルが旋削加工用に発売した新しいグレードには、鋼加工用のKC9110、ステンレス鋼加工用のKC9225、鋳鉄加工用のKY1310、耐熱合金加工用のKC5410、硬化材料加工用のKC5510、非鉄材料加工用のKY1615などがあります。
元の旧グレードと比較して、新しいグレードは切削効率を平均15%から20%向上させることができます。第二に、新しいグレードの開発では、基板とコーティングの最適な組み合わせにさらに重点が置かれ、適用性開発の目的をよりよく達成します。さらに、新しいグレードの開発には通常、対応するツール溝の形状と幾何学的パラメータの改善も含まれます。加工材料の特性とさまざまなプロセスのチップ破壊の要件によりよく適応し、切削力と振動を減らして、切削をより軽く、より効率的にするためです。
マイクロエンドミルツールコーティング
コーティングは、硬度、耐摩耗性、化学的安定性が高く、工具・チップ・ワークピース材料間の相互作用を防ぎ、熱バリアとして機能します。工具の凝着摩耗、溶解摩耗、表面剥離摩耗などを軽減し、工具摩耗の発生を効果的に遅らせることができます。したがって、コーティングの適用により、工具の性能が大幅に向上します。
コーティングは、その構成と機能によって2つのカテゴリに分けられます。1つは「ハード」コーティングで、高硬度と優れた耐摩耗性が特徴です。もう1つは「ソフト」コーティングで、主に摩擦を減らし、切削力と切削温度を下げます。コーティングは、その構造によって、単層コーティング、多層コーティング、複合コーティング、傾斜コーティング、ナノ多層コーティング、ナノ複合構造コーティングなどに分類できます。コーティングを選択するときは、コーティングの厚さ、滑らかさ、およびベースカーバイドとの互換性を考慮する必要があります。
工具コーティングの発展の特徴は、多様化とシリーズ化です。ナノコーティング、傾斜構造コーティング、新構造・新材料コーティングの開発と応用は、工具の性能向上に重要な役割を果たしてきました。数え切れないほどの新しいコーティング製品の中には、高速切削、乾式切削、ハード切削に適した耐摩耗性・耐熱性コーティングがあります。また、断続切削に適した強靭なコーティングもあります。また、乾式切削に適しており、摩擦係数を下げる必要がある潤滑コーティングもあります。
ダイヤモンドコーティングは、非鉄金属やアルミニウム合金などの非金属材料の加工効率を向上させるためにもさらに応用されています。さまざまなナノコーティング（ナノ結晶化、ナノ層厚、ナノ構造コーティングなど）の実用化により、コーティングの性能が大幅に向上しました。ナノコーティング技術の最新の成果は、粒子サイズが5nmのTiSiNおよびCrSiNコーティングエンドミルの開発です。さらに、コーティングの表面仕上げを改善することで、コーティングされた工具の耐摩擦性と耐凝着性を向上させることができます。
現在、マイクロミリングの分野では、加工面の粗さに関する研究で多くの成果が得られています。しかし、加工硬化や残留応力に関する研究は多くなく、切削力に関する研究も十分に成熟していません。マイクロミリングの加工効果を向上させるには、切削力、加工品質、工具摩耗、加工振動などの要因の影響を総合的に研究する必要があります。マイクロミリング技術の徹底的な研究開発を通じて、マイクロ工作機械の加工能力をさらに向上させることができます。精密な3次元マイクロ部品に対する市場の需要が高まるにつれて、マイクロミリング技術は間違いなく大きな可能性を秘めています。
