盡管“微細(xì)加工”這個(gè)術(shù)語(yǔ)用在那些尺寸異常小的加工操作中，但Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)新墨西哥州Albuquerque市）的研究者們卻不愿意對(duì)自己的小規(guī)模銑削和車(chē)削操作采用該術(shù)語(yǔ)。

對(duì)他們而言，前綴“微細(xì)”隱含著可以生產(chǎn)出尺寸小至1μm的特征之能力。這是他們無(wú)法完成的——至少通過(guò)銑削和車(chē)削操作無(wú)法完成。Sandia的刀具更適合生產(chǎn)出尺寸至少為25μm的特征。

換言之，盡管他們避免說(shuō)“微細(xì)加工”，但他們這里的加工幾乎比任何其他金屬切削廠(chǎng)所進(jìn)行的加工都要更接近“微細(xì)”。

中加工（Meso-machining）是這些研究者們所用的術(shù)語(yǔ)。微小的銑刀和車(chē)刀是用聚焦離子束通過(guò)雕刻硬質(zhì)合金及HSS毛坯而制成的。

用這種方式制成的立銑刀直徑可能小至20 μm左右。車(chē)刀可以小至10μm寬。這種刀具正是中加工所需要的，因?yàn)閷?duì)于機(jī)床而言，已經(jīng)存在合適的技術(shù)。

前面三個(gè)照片是用聚焦離子束生產(chǎn)的立銑刀。
另兩個(gè)照片是用相同方式生產(chǎn)的一把18μm寬車(chē)刀的視圖

在這里有Sandia工作比較令人驚奇的一方面。盡管試驗(yàn)刀具必須開(kāi)發(fā)，實(shí)驗(yàn)機(jī)床并不是使用這些刀具的必需。研究者們?cè)诳梢詮纳虡I(yè)供應(yīng)商處買(mǎi)到的精密機(jī)床上有效地使用這些刀具。

研究中加工的主要原因與核武器有關(guān)。Sandia制造工程部Gilbert Benavides解釋了這之間的。他說(shuō)，現(xiàn)有核武器帶有一些有時(shí)候需要更換的零件，而這些零件換上可以改善的型式。但是，每個(gè)零件都具有固定的尺寸和形狀，因?yàn)榻M件中它周?chē)脑粫?huì)改變。因此，添加新特征的*選擇是在現(xiàn)有空間中壓縮進(jìn)更多特征。中加工可以提供滿(mǎn)足這種需求的途徑。

到底可以在核武器上添加什么樣的新特征，這個(gè)問(wèn)題存在很大的想象空間。但是這方面是Sandia的中加工作業(yè)中額外細(xì)節(jié)的一個(gè)選擇。

能力

Sandia已經(jīng)可以熟練銑削20~30μm寬的槽，材料包括鋁、黃銅和4340鋼等。典型的切深為1μm。一個(gè)采用22μm直徑兩刃硬質(zhì)合金立銑刀、切深1μm、轉(zhuǎn)速18,000r/min對(duì)鋁進(jìn)行的加工實(shí)驗(yàn)表明這把刀具可以以zui高達(dá)50mm/min的進(jìn)給速度加工。這把刀具可以銑削6小時(shí)以上（采用不同的進(jìn)給速度）而不產(chǎn)生裂紋。

車(chē)刀被證明具有同樣的耐用度。一個(gè)代表性的實(shí)驗(yàn)表明，一把13μm寬的刀具可以切削總共200mm長(zhǎng)、4μm深的鋁質(zhì)螺旋溝槽（如果溝槽為直線(xiàn)而沒(méi)有卷繞的形式）。

刀具

車(chē)刀類(lèi)似于全尺寸車(chē)刀。銑刀卻不是這樣。當(dāng)采用離子束加工刀具時(shí)，無(wú)法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)立銑刀一般都具備的溝槽式復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。相反，中加工立銑刀具有簡(jiǎn)單的幾何橫截面，如本文照片所顯示的那樣。

微型刀具是否真正與全尺寸刀具采用相同方式進(jìn)行切削？答案似乎是肯定的。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)中加工銑削過(guò)程進(jìn)行觀(guān)察顯示出了從刀具附近彈出的切屑。此外，對(duì)銑削零件進(jìn)行的電子顯微鏡檢測(cè)也揭示出了刀具留下的痕跡。

在車(chē)削中這種跡象甚至更加明顯。正如全尺寸車(chē)刀一樣，有時(shí)候發(fā)現(xiàn)中加工車(chē)刀在切削后依然有成串的切屑附在上面。

該照片是許多車(chē)間會(huì)看到的一種現(xiàn)象的微型圖。在加工鋁后，刀具上仍然附著一片長(zhǎng)切屑

機(jī)床

上述銑削試驗(yàn)是在20世紀(jì)90年代購(gòu)買(mǎi)的一臺(tái)Boston數(shù)字式加工中心上進(jìn)行的。該機(jī)床分辨率為1μm，因此可以通過(guò)“觸摸”方式將微細(xì)刀具相對(duì)工件定位——采用機(jī)械師在使用手動(dòng)銑床時(shí)會(huì)采用的相同方式。也就是，操作員不斷一微米一微米地點(diǎn)動(dòng)，直至出現(xiàn)看起來(lái)像切屑的東西為止（通過(guò)顯微鏡觀(guān)察），表明刀具已經(jīng)與零件接觸上。

zui近在Willemin-Macodel的一臺(tái)精密加工中心上進(jìn)行了更多銑削加工。中加工車(chē)削在Moore Tool的一臺(tái)金剛石車(chē)床上進(jìn)行，盡管Sandia采用的刀具材料不是金剛石。該工廠(chǎng)還采用阿奇的線(xiàn)切割和成形機(jī)床通過(guò)EDM方式加工出了比較小的特征（為了覆蓋整個(gè)范圍，激光加工是中加工研究的另一個(gè)領(lǐng)域）。

存在的一些挑戰(zhàn)

Benavides說(shuō)，當(dāng)今，中加工車(chē)削比中加工銑削更實(shí)用。對(duì)于銑削，無(wú)法復(fù)制出普通立銑刀形狀是其中的制約之一。另一方面是很難對(duì)刀夾中刀具顯示足夠小從而對(duì)20μm刀具合格的跳動(dòng)水準(zhǔn)。

再其次是缺乏金剛石。Sandia的客戶(hù)還需要可能要采用小于130μm（0.005英寸）的銑刀進(jìn)行加工的工件。對(duì)于諸如微細(xì)外部齒輪齒這樣的特征，該工廠(chǎng)趨向于采用線(xiàn)切割EDM。但是，如果需要內(nèi)部齒輪齒，則可能需要采用中加工銑削方式。

但是各種中加工方法的研究還在繼續(xù)，包括銑削在內(nèi)。為了解決銑削中刀夾和相關(guān)的跳動(dòng)問(wèn)題，Sandia正在用無(wú)須采用刀夾而旋轉(zhuǎn)刀具的特制主軸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該主軸在佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)，zui高轉(zhuǎn)速達(dá)500,000r/min。

中加工技術(shù)	zui小特征尺寸和特征公差	材料去除率 （µm³/s）	材料
聚焦離子束 （用于制作刀具）	200nm 公差為20nm	0.5	任意
銑削或車(chē)削	25µm（在某些情況下對(duì)車(chē)削為10µm，公差2µm）	10,400	鋁、黃銅、軟鋼、 PMMA（一種塑料）
EDM	25µm，公差3µm	2500萬(wàn)	導(dǎo)電材料

影響中加工的一個(gè)更一般的挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)它所需要的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水準(zhǔn)。這些切削不像宏觀(guān)過(guò)程，其中刀具、零件和程序可以在不同機(jī)床之間互換。中規(guī)模切削需要操作員理解在不同條件下微細(xì)誤差的堆積，以及通過(guò)諸如速度和進(jìn)給速度等特定參數(shù)的選擇如何影響特定機(jī)床的精度等。Benavides說(shuō)，對(duì)于一名熟練技師而言，需要幾個(gè)月的嘗試才能獲得這種理解力。因?yàn)楸仨毦邆溥@種理解力，因此中加工的應(yīng)用范圍存在制約。他說(shuō)，即使在Sandia的50或60名熟練技師中，也只有數(shù)得著的幾個(gè)人已成為這種加工的能手