徐燕小，邱清富，周　偉

(1.廈門工學(xué)院機(jī)械工程系, 福建廈門　361021；2. 廈門大學(xué)機(jī)電工程系,福建廈門　361005)

?

微通道銑削加工工藝的實驗研究

徐燕小1，邱清富2，周偉2

(1.廈門工學(xué)院機(jī)械工程系, 福建廈門361021；2. 廈門大學(xué)機(jī)電工程系,福建廈門361005)

摘要：為了實現(xiàn)微通道的高效加工，提出利用微細(xì)銑刀對鋁合金薄板進(jìn)行微通道陣列結(jié)構(gòu)加工，并通過改變加工工藝參數(shù)的方法，系統(tǒng)研究了銑削加工參數(shù)(背吃刀量、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速)對微通道的幾何尺寸的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：選用直徑為0.4 mm銑刀的條件下，加工出微通道的寬度隨著背吃刀量和進(jìn)給速度的增大而逐漸增大，且背吃刀量的影響較為明顯。在6 000～21 000 r/min的主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，微通道的寬度尺寸變化不大。因此，通過選擇優(yōu)化的切削加工工藝參數(shù)，可以實現(xiàn)微通道陣列結(jié)構(gòu)的加工。

關(guān)鍵詞：切削加工工藝；微通道；微細(xì)銑削；加工參數(shù)；幾何尺寸

微通道是一種借助特殊微加工技術(shù)以固體基質(zhì)制造的二維或三維微細(xì)通道結(jié)構(gòu)。由于微通道結(jié)構(gòu)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、高表面積-體積比等特點，在傳質(zhì)、傳熱方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能[1-4]。迄今為止，微通道結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微通道換熱器、微通道反應(yīng)器、微通道混合器等設(shè)備中[5-7]。目前，微通道可在金屬、硅、玻璃和陶瓷等材質(zhì)表面加工制造成形[8-13]。其中，硅是半導(dǎo)體器件的主要材料，具有較高的熱傳導(dǎo)性，容易加工出高深寬比的微通道[8]。玻璃因為化學(xué)性能穩(wěn)定，有利于觀察內(nèi)部反應(yīng)，常被用作微通道反應(yīng)器的基片材料[9]。陶瓷因化學(xué)性能穩(wěn)定、抗腐蝕能力強、熔點高，可制成微通道反應(yīng)器用于高溫和強腐蝕的場合[10]。金屬因具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的延展性，可制成微通道散熱器或換熱器用于強放/吸熱[11-13]。

隨著微通道研究及其應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，微通道加工技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研究，目前常見的微通道的加工技術(shù)主要有以下幾種：LIGA、濕法刻蝕、干法刻蝕、特種加工和微細(xì)銑削[14-20]。LIGA技術(shù)可以獲得高精度、高表面質(zhì)量和高縱橫比的微結(jié)構(gòu)，LIGA技術(shù)不僅適用于塑料等高分子材料，還適用于金屬、陶瓷等材料，但該方法因需要昂貴的同步輻射光源和X光掩模版[14-15]，加工成本高；濕法刻蝕加工成本較低，可以實現(xiàn)加工過程的批量生產(chǎn)，但精度較低[16]；干法刻蝕精度高，臨界尺寸和腐蝕速率易于控制，對環(huán)境污染小，但需要產(chǎn)生低壓氣體等離子體的設(shè)備和尾氣抽出系統(tǒng)，設(shè)備投資費用較大[17]；微細(xì)電火花加工與激光加工等特種加工方法適用范圍廣泛，可用于鉆孔、切削、刻劃等，但一般耗時較長且生產(chǎn)成本較高，不適宜大批量的生產(chǎn)加工[18-21]。

微細(xì)銑削是微細(xì)切削加工微通道的方式之一，通過傳統(tǒng)的銑削方式經(jīng)濟(jì)而又較為快速地加工出微通道結(jié)構(gòu)[22]。最近CRUZA等[23]和ALMEIDA等[24]利用銑削加工技術(shù)在不銹鋼薄板上實現(xiàn)0.75 mm微通道加工，并在化學(xué)反應(yīng)和費托合成中獲得廣泛應(yīng)用。ZENG等[25]利用疊片銑刀加工技術(shù)實現(xiàn)1 mm寬度以下的微通道結(jié)構(gòu)加工，并在甲醇重整制氫微反應(yīng)器中獲得應(yīng)用。本文使用微細(xì)銑刀對鋁合金板表面進(jìn)行微通道結(jié)構(gòu)加工，同時對切削參數(shù)對微通道形貌的影響規(guī)律進(jìn)行實驗研究，分析微通道微觀結(jié)構(gòu)成形機(jī)理，并獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，為微通道陣列結(jié)構(gòu)的加工提供技術(shù)參考。

1實驗部分

圖1　CNC6040數(shù)控雕刻機(jī)Fig.1　CNC6040 engraving machine

選用3 mm厚的6061鋁合金板為加工對象，其主要成分如表1 所示，使用直徑為0.4 mm的鎢鋼立銑刀在CNC6040數(shù)控雕刻機(jī)(如圖1所示)上對鋁合金板進(jìn)行微通道加工，加工出長度為10 mm，深度為1 mm，間距為1 mm的微通道陣列結(jié)構(gòu)。為研究切削參數(shù)對微通道尺寸和表面形貌的影響規(guī)律，分別采用不同的背吃刀量ap、主軸轉(zhuǎn)速n和進(jìn)給速度vf等切削加工參數(shù)進(jìn)行微通道加工實驗。使用日立SU70場發(fā)射掃描電鏡觀察微通道的形貌尺寸。

表1　6061鋁合金板主要化學(xué)成分

2結(jié)果與討論

2.1微通道銑削加工成形機(jī)理

圖2所示為微細(xì)銑刀銑削加工微通道示意圖，微細(xì)銑刀為二刃的鍵槽銑刀。

圖2　微細(xì)銑刀加工微通道示意圖Fig.2　Schematic of microchannel fabricated with micro milling cutter

微細(xì)銑刀銑削加工微通道過程的實質(zhì)是：被切削的鋁合金在微細(xì)銑刀切削刃和前刀面的擠壓作用下，首先產(chǎn)生壓縮彈性變形，當(dāng)剪應(yīng)力超過屈服極限后，產(chǎn)生剪切滑移的塑性變形，隨著微細(xì)銑刀的繼續(xù)前進(jìn)，切削力增大，切削刃附近金屬剪應(yīng)力超過強度極限而被剝離，最終銑削出微通道結(jié)構(gòu)。而剝離的金屬層在刀具前刀面的擠推作用下，沿前刀面流出，產(chǎn)生切屑。在切屑排出的過程中，由于切屑從微細(xì)銑刀和已加工表面之間排出，因此會對已加工表面進(jìn)行擠壓，影響已加工表面形貌，從而導(dǎo)致了微通道尺寸誤差和形貌誤差的產(chǎn)生。

2.2切削加工參數(shù)對微通道輪廓尺寸的影響

2.2.1背吃刀量

圖3為在背吃刀量為0.08 mm條件下微細(xì)銑刀加工的部分微通道截面的SEM圖。實驗切削條件為銑刀直徑0.4 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=18 000 r/min，進(jìn)給速度vf=20 mm/min，背吃刀量ap依次取值0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12mm，測得實驗中加工的微通道上邊緣寬度分別為406，414，421，429，434，438μm，如圖4所示。

圖3　背吃刀量為0.08 mm條件下加工的微通道截面SEM圖Fig.3　SEM of the microchannel fabricated by using micro milling cutter with 0.08 mm back engagements

圖4　背吃刀量對微通道截面寬度尺寸的影響Fig.4　　　Influence of back engagement on the 　　　width size of the microchannel

從圖3和圖4可以看出，當(dāng)背吃刀量較小(ap=0.02 mm)時，微通道寬度尺寸與微細(xì)銑刀直徑(400 μm)相差不大；隨著背吃刀量的不斷增大，微通道寬度尺寸不斷變大，當(dāng)ap=0.12 mm時，微通道寬度尺寸為438 μm；當(dāng)ap=0.14 mm時，銑刀發(fā)生斷刀情況，故最大背吃刀量選擇為0.12 mm(對應(yīng)銑刀直徑為0.4 mm)。

原因分析：背吃刀量ap決定了每刀進(jìn)給加工時切屑量產(chǎn)生的大小。背吃刀量小，每刀進(jìn)給產(chǎn)生的切屑量就小，加工排屑的過程中，切屑對已加工表面(微通道側(cè)面)的擠壓量小，變形小，因而加工出的微通道寬度尺寸誤差較小；背吃刀量大，每刀進(jìn)給產(chǎn)生的切屑量就大，在加工排屑的過程中，大量切屑對已加工表面(微通道側(cè)面)的擠壓量大，變形大，因而加工出的微通道寬度尺寸誤差較大。因此，隨著背吃刀量增大，加工出的微通道截面寬度尺寸也不斷增大，即微通道寬度尺寸誤差增大。

2.2.2進(jìn)給速度

實驗切削條件為銑刀直徑0.4 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=18 000 r/min，背吃刀量ap=0.05 mm，進(jìn)給速度vf依次取值5，10，15，20，25，30 mm/min，測得實驗中加工的微通道上邊緣寬度分別為404，410，414，417，421，424 μm。圖5所示的是在進(jìn)給速度為15 mm/min條件下微細(xì)銑刀加工的微通道截面SEM圖，圖6所示的是進(jìn)給速度對微通道截面寬度尺寸影響圖。

圖5　進(jìn)給速度為15 mm/min條件下加工的微通道截面SEM圖Fig.5　SEM of the microchannel fabricated by using micro milling cutter with 15 mm/min feed speed

圖6　進(jìn)給速度對微通道截面寬度尺寸的影響Fig.6　　　Influence of feed speed on the width 　　　size of the microchannel

從圖5和圖6可以看出，隨著進(jìn)給速度的增加，微通道寬度尺寸逐漸增大。當(dāng)選擇較小的進(jìn)給速度時，微通道寬度尺寸與微細(xì)銑刀直徑(400 μm)相差不大；隨著進(jìn)給速度的不斷增大，微通道寬度尺寸不斷變大，當(dāng)進(jìn)給速度增大到vf=25 mm/min時，微通道寬度尺寸約為421 μm；當(dāng)vf=30 mm/min時，微通道寬度尺寸可以達(dá)到424 μm，但銑刀加工過程中容易發(fā)生斷刀情況。原因分析：由于背吃刀量ap相同，進(jìn)給速度不同，導(dǎo)致銑刀單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切屑量不同。進(jìn)給速度小，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切屑量小，排屑所需時間短，切屑對已加工表面(微通道側(cè)面)的擠壓時間短，變形小，因而加工出的微通道寬度尺寸誤差較??；進(jìn)給速度大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切屑量大，排屑所需時間長，切屑對已加工表面(微通道側(cè)面)的擠壓時間長，變形大，因而加工出的微通道寬度尺寸誤差較大；因而，隨著進(jìn)給速度的增大，加工的微通道寬度尺寸誤差增大。由于每刀進(jìn)給產(chǎn)生切屑量是一定的，只是排屑時間稍有區(qū)別，因此相比背吃刀量，進(jìn)給速度對微通道截面寬度尺寸的影響較小。

2.2.3主軸轉(zhuǎn)速

當(dāng)實驗切削條件為銑刀直徑0.4 mm，進(jìn)給速度vf=20 mm/min，背吃刀量ap=0.05 mm，主軸轉(zhuǎn)速的取值范圍在6 000～21 000 r/min之間，對應(yīng)換算切削速度為7.54～26.38 m/min。圖7是在主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min條件下微細(xì)銑刀加工微通道截面的SEM圖，圖8是主軸轉(zhuǎn)速對微通道截面寬度尺寸的影響圖。

圖7　主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min條件下加工的微通道截面SEM圖Fig.7　SEM of the microchannel fabricated by using micro milling cutter with 15 000 r/min spindle speed

圖8　主軸轉(zhuǎn)速與微通道截面寬度尺寸關(guān)系圖 Fig.8　　　Influence of cutting speed on the width 　　　size of the microchannel

從圖8可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在6 000～21 000 r/min變化時，微通道寬度尺寸呈現(xiàn)出隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而略微減小的趨勢，但是整體上主軸轉(zhuǎn)速對微通道截面寬度尺寸影響不大。這主要是由于背吃刀量和進(jìn)給速度相同，每刀進(jìn)給時產(chǎn)生的切屑量和排屑時間相差不大，對已加工表面(微通道側(cè)面)的擠壓量和時間基本一致，盡管主軸速度變化很大但是由于銑刀直徑小，實際上的切削速度變化范圍不大。因此，主軸速度對微通道截面寬度尺寸影響不顯著。

2.3微通道陣列結(jié)構(gòu)

圖9為采用直徑0.4 mm的微細(xì)銑刀進(jìn)行切削參數(shù)對微通道輪廓尺寸影響規(guī)律的實驗而加工出的微通道結(jié)構(gòu)圖和SEM圖。選擇切削參數(shù)：背吃刀量ap=0.05 mm，進(jìn)給速度vf=20 mm/min，主軸轉(zhuǎn)速n=18 000 r/min。因此，通過工藝參數(shù)的對比分析與優(yōu)化，可以利用微細(xì)銑削加工工藝獲得微通道陣列結(jié)構(gòu)。

圖9　0.4 mm微通道陣列結(jié)構(gòu)Fig.9　Microchannel array fabricated by using the micro milling cutter with 0.4 mm diameter

3結(jié)論

利用直徑0.4 mm的微細(xì)銑刀可以在鋁合金板上實現(xiàn)微通道結(jié)構(gòu)的加工，并重點研究了切削加工參數(shù)對微通道寬度及表面形貌的影響。結(jié)果表明：微通道截面寬度尺寸隨著背吃刀量和進(jìn)給速度的增加而增大，且背吃刀量對微通道截面寬度尺寸的影響較大；切削速度對微通道截面寬度尺寸的影響最小。選用直徑0.4 mm的微細(xì)銑刀，在選擇合適切削參數(shù)的條件下，可以實現(xiàn)微通道陣列結(jié)構(gòu)的加工。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]KOLB G. Review: Microstructured reactors for distributed and renewable production of fuels and electrical energy[J]. Chemical Engineering and Processing, 2013,65:1-44.

[2]WORZ O, JACKEL K P, RICHTER T, et al. Microreactors-a new efficient tool for reactor development[J]. Chemical Engineering & Technology, 2001,24(2):1029-1033.

[3]王桂芝,曲家波,魏軍風(fēng),等.國外甲醇制氫微通道反應(yīng)器開發(fā)現(xiàn)狀[J].化學(xué)工業(yè),2011, 29(6):21-26.

WANG Guizhi,QU Jiabo, WEI Junfeng,et al.Current development of micro-channel reactor for hydrogen production from methanol reforming in the world [J]. Chemical Industry,2011,29(6):21-26.

[4]KIWI-MINSKER L, RENKEN A. Microstructured reactors for catalytic reactions[J]. Catalysis Today,2005,110 (1/2): 2-14.

[5]鐘毅,尹建成, 潘晟旻. 微通道換熱器研究進(jìn)展[J].制冷與空調(diào),2009,9(5):1-4.

ZHONG Yi,YIN Jiancheng,PAN Shengmin. Research development of microchannel heat exchanger[J]. Refrigeration and Air-Conditioning,2009,9(5):1-4.

[6]韋廣梅,曾尚紅. 微反應(yīng)器的發(fā)展現(xiàn)狀[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,27(5):45-50.

WEI Guangmei, ZENG Shanghong. State-of-the-art of microreactor[J]. World Science Technology Research & Development,2005,27(5):45-50.

[7]SU Yuanhai, CHEN Guangwen, KENIG E Y. An experimental study on the numbering-up of microchannels for liquid mixing[J]. Lab on a Chip,2015,15(1):179-187.

[8]LOSEY M W, SCHMIDT M A, JENSEN K F. Microfabricated multiphase packed-bed reactors: Characterization of mass transfer and reactions[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2001,40(12):2555-2562.

[9]CHEIN R Y, CHEN Y C, CHANG C M, et al. Experimental study on the performance of hydrogen production from miniature methanol-steam reformer integrated with swiss-roll type combustor for PEMFC[J]. Applied Energy,2013,105:86-98.

[10]MURPHY D M, MANERBINO A, PARKER M, et al. Methane steam reforming in a novel ceramic microchannel reactor[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(21):8741-8750.

[11]MEI Deqing, QIAN Miao, LIU Binhong, et al. A micro-reactor with micro-pin-fin arrays for hydrogen production via methanol steam reforming[J]. Journal of Power Sources,2012,205(5):367-376.

[12]REUSE P, RENKEN A, HASS-SANTO K, et al. Hydrogen production for fuel cell application in an autothermal micro-channel reactor[J]. Chemical Engineering Journal,2004,101(1/2/3):133-141.

[13]GANLEY J C, SEEBAUER E G,MASEL R I. Development of a microreactor for the production of hydrogen from ammonia[J]. Journal of Power Sources,2004, 137(1):53-61.

[14]呂春華,殷學(xué)鋒,劉東元,等.高深寬比SU-8微結(jié)構(gòu)的簡易加工技術(shù)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2006,40(8):1289-1292.

LYU Chunhua, YIN Xuefeng, LIU Dongyuan,et al. Simplified microfabrication technology for producing SU-8 microstructures with high aspect ratio[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2006,40(8):1289-1292.

[15]LORENZ H, DESPONTM, FAHRNI N, et al. High-aspect-ratio, ultrathick, negative-tone near-UV photoresist and its applications for MEMS[J]. Sensors and Actuators A,1998,64(1):33-39.

[16]KUNDU A,PARK J M, AHN J E, et al. Micro-channel reactor for steam reforming of methanol[J]. Fuel, 2007,86(9):1331-1336.

[17]RANGELOW I W. Dry etching-based silicon micro-machining for MEMS[J]. Vacuum,2001,62(2/3):279-291.

[18]GANLEY J C, RIECHMANN K L, SEEBAUER E G, et al. Porous anodic alumina optimized as a catalyst support for microreactors[J]. Journal of Catalysis,2004,227(1):26-32.

[19]LU B,CHEN K, MENG W J, et al. Fabrication, assembly and heat transfer testing of low-profile copper-based microchannel heat exchangers[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2010, 20(11): 115002.

[20]ZHOU Wei, DENG Wenjun, LU Longsheng, et al. Laser micro-milling of microchannel on copper sheet as catalyst support used in microreactor for hydrogen production [J]. International Journal of Hydrogen Energy,2014,39(10):4884-4894.

[21]PEEAL N R,MUBAYI A,KUNZRU D. Steam reforming of ethanol over Rh/CeO2/Al2O3catalysts in a microchannel reactor[J]. Chemical Engineering Journal,2011,167(2/3):578-587.

[22]DENKENA B, HOFFMEISTER H W, REICHSTEIN M, et al. Micro-machining processes for microsystem technology[J]. Microsystem Technology,2006,12(7):659-664.

[23]CRUZA S,SANZA O, POYATOA R, et al. Design and testing of a microchannel reactor for the PROX reaction[J]. Chemical Engineering Journal,2011,167(2/3):634-642.

[24]ALMEIDA L C, SANZ O, D′OLHABERRIAGUE J, et al. Microchannel reactor for Fischer-Tropsch synthesis: Adaptation of a commercial unit for testing microchannel block[J]. Fuel,2013,110:171-177.

[25]ZENG Dehuai, PAN Minqiang, WANG Liming, et al. Fabrication and characteristics of cube-post microreactors for methanol steam reforming[J]. Applied Energy,2012,91(1):208-213.

Experimental study on the milling process of microchannel

XU Yanxiao1， QIU Qingfu2， ZHOU Wei2

(1.Department of Mechanical Engineering, Xiamen Institute of Technology, Xiamen, Fujian 361021, China; 2.Department of Mechanical & Electrical Engineering, Xiamen University, Xiamen, Fujian 361005, China)

Abstract:In order to improve the milling efficiency of microchannels, the micro milling cutter is proposed to fabricate the microchannel array structures on the aluminum alloy sheet. The processing parameters such as back engagement, feed speed and spindle speed are varied to study their influence on the geometry size of microchannels. The result shows that when using the milling cutter with diameter of 0.4 mm, the width of microchannels increases with the increasing of back engagement and feed speed, especially for the back engagement. When the cutting speed is in the range of 6 000～21 000 r/min, the width size of microchannels barely changes with the increasing of spindle speed. So microchannel array structures can be fabricated through selecting optimized processing parameters.

Keywords:cutting technology; microchannel; micromilling; process parameter; geometry size

中圖分類號：TH162

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通訊作者：周偉副教授。E-mail：weizhou@xmu.edu.cn

作者簡介：徐燕小(1987—)，女，江西吉安人，助教，碩士，主要從事微細(xì)加工技術(shù)及工藝優(yōu)化方面的研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51105387)；廈門大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(20720160079)

收稿日期：2015-12-06；修回日期：2016-01-30；責(zé)任編輯：王海云

doi:10.7535/hbkd.2016yx02003

文章編號：1008-1542(2016)02-0124-06

徐燕小，邱清富，周偉.微通道銑削加工工藝的實驗研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(2):124-129.

XU Yanxiao，QIU Qingfu，ZHOU Wei.Experimental study on the milling process of microchannel [J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(2):124-129.