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產業的發達，玻璃作為光學器件的結構材料，其需求量不斷增加。此外，在材料開發、醫療、制藥、環保等各個領域，玻璃作為檢查基板的制作材料，其用量也越來越大。這些構件所需玻璃制品的生產，可大致分為兩類：平面或曲面加工和微細形狀加工。前者通過化學機械研磨（CMP）工序，目前已確立了納米級的高水平表面加工技術。而對于后者，由于玻璃具有易碎、易缺損的特性，以前，用機械方法直接進行加工被認為十分困難，因此一般是利用氫氟酸進行化學去除法加工。近年來，采用激光、等離子等各種加工方法，也可以實現對軟玻璃的微細加工。但是，這些加工方法所使用的設備復雜，所需費用也相當高。大家都寄希望于開發出價格低廉、操作簡單的加工方法。
    基于這種現狀，近年來，利用機械加工方法對玻璃材料進行切削試驗的研究以及技術開發不斷增多。最近，日本的竹內教授等人報告了利用立銑刀對玻璃進行三維形狀加工的研究，其可行性和實用性值得期待。作者著眼于立銑刀的切削機理，對玻璃材料進行了10μm以上的溝槽加工試驗，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用實例。
    立銑刀對玻璃的塑性－脆性混合模式切削
    從刀具軸對應的垂直斷面內的刃口軌跡，以及刃口軌跡與后續刃口軌跡的干涉曲線模式可以看出，立銑刀在旋轉的同時由下向上運動，每旋轉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，其余部分隨后也被切削。如果玻璃的切削厚度在1μm以下，就會與金屬一樣生成切屑，在不發生脆性龜裂的情況下實現材料的去除。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。在實際加工過程中，由于主軸的振動及刀具彎曲的影響，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，加工表面的創建機理也存在同樣的情況。因此，要設定適當的主軸轉速和進給速度，才能實現對玻璃的塑性加工。
    用球頭立銑刀加工時，切削刃軌跡的旋轉半徑隨著刀具軸方向高度的提升而增大。因此，根據上述機理，從溝槽底部到溝槽上部形成加工表面時，即使沿軸向的切深較大，加工表面也不會發生脆性損傷。但是，刃口底部的旋轉半徑過小，切削速度很低。因此，為了提高切削性能，將刀具向進給方向傾斜一定角度，以保持一定的切削速度來進行加工。
    切削特性
    選用光學顯微鏡中觀察標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）進行切削試驗，觀察球頭立銑刀在加工過程中所呈現出的特性。在切削試驗中，為了達到傾斜切削模式，將由無刷電機驅動的精密主軸朝刀具進給方向傾斜45°。在切削試驗中，采用了在加工中心主軸頭上安裝工具系統夾持刀具的慣用方法，并將刀具傾斜。試驗所用切削刀具為直徑4mm、球頭曲率半徑為0.2mm的硬質合金球頭立銑刀，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，在水中進行切削加工。
    在轉速80000rpm、進給速度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玻璃表面情況進行對比。刀具由下方進給至上方，刃口從左側切入，右側切出。結果顯示，干式切削的加工表面質量比濕式切削效果差，在溝槽部可以觀測到脆性損傷，且切削面不完整，溝槽寬度不穩定。與上述試驗所用的玻璃材質不同，對經過磨削加工的石英玻璃干燥后的試驗片和水浸后的試驗片的維氏硬度進行了比較。在韋布爾概率紙上的比較曲線表明，玻璃在附著水分后，與干燥時相比，機械強度有所降低。由此可認為，在水中進行切削時，由于玻璃的機械性強度降低，因而可以提高切削性。
    球頭立銑刀以0°傾角（即未傾斜）和沿進給方向的45°傾角加工光學玻璃后（切削條件：轉速20000rpm，切深0.018mm，進給速度0.48mm/min；濕式切削），二者加工表面質量的對比結果表明，后者可獲得更好的加工效果。球頭立銑刀傾斜切削光學玻璃時（切削條件：轉速80000rpm，切深0.020mm，進給速度0.48mm/min；濕式切削），如果使用雙刃球頭立銑刀進行不傾斜加工，一個刀刃從材料中切出時，另一個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，就會存在切削力為零的情況，即兩個刀刃均未進行加工，材料與刀具沒有接觸，此時刀具就會冷卻。此外，由于實際切削時間較短，因此切削熱傳入刀具的時間也較短。如將刀具傾斜，雖然刃口的切削面積增大，但因切削時間變短，冷卻時間增加，因此仍然能夠抑制刀具溫度上升。
    從主軸轉速對光學玻璃表面加工質量影響的對比結果（切削條件：切深0.018mm，每齒進給量12nm/齒；濕式切削）可知，當轉速增加時，刃口切出（脫離工件材料）部位容易發生脆性損傷，且在40000rpm和80000rpm轉速下還可看到切屑粘著現象。從在各轉速下進行50mm切削加工時刀具磨損情況的比較可知，在40000rpm和80000rpm轉速下，刀具磨損嚴重，刃口形狀發生了變化。而在20000rpm轉速下，刀具磨損較小，刃口形狀穩定。
    從在20000rpm轉速下，切深為20μm時，采用不同進給速度濕切光學玻璃時獲得的加工表面可以看出，當進給速度增加后，溝槽右側的脆性損傷面積擴大。在相同的切削條件下，用FIB切斷順銑一側和逆銑一側的加工表面，觀察到的各自斷面情況可知，在順銑一側，沒有觀察到龜裂現象，加工表面情況良好；而在逆銑一側，表層數微米深度范圍以內，可以看到沿切削方向有擴展的裂紋。因此，用立銑刀對玻璃進行溝槽加工時，采用切削厚度減少的逆銑切削模式容易發生脆性損傷。
    從在各種進給速度下，光學玻璃加工表面粗糙度的變化情況（切削條件：轉速20000rpm，切深0.018mm；濕式切削）可知，進給速度越小，表面粗糙度越好。但是，當進給速度小于0.24mm/min時，加工表面質量則惡化。在進給速度分別為0.06mm/min和0.48mm/min時獲得的加工表面質量對比情況可知，當進給速度為0.06mm/min時，加工表面可以看到大面積的劃痕；也就是說，如進給速度過小，因刀具的彎曲會引起漏切，旋轉的刃口不能一次性切掉材料，需經過數次切削才能不規則地將材料去除。因此，如進給速度過小，加工效果也不好。
    玻璃立銑加工的應用
    在對光學玻璃進行深度為20μm（寬度196μm）的縱溝和深度為15μm（寬度152μm）的橫溝所構成的直角溝槽加工實例中，所用刀具為直徑為0.4mm和0.5mm的球頭立銑刀，主軸轉速20000rpm，進給速度0.48mm/min，濕式切削。制作該產品是為了提高DNA微陣列的檢查精度（相當于溝槽加工后剩余面積的10×10個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理來考慮。因此，要設定適當的切削條件，即使是進行一次切削100μm以上的加工，也可以在不損壞玻璃的情況下實現加工。
    以上介紹了玻璃材料的高效立銑加工實例。與一般的金屬切削相比，加工玻璃采用的切削進給速度相當低。但是，與像劃痕試驗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來說，它確實能夠實現玻璃的高效加工。
    以前沒有考慮過能采用立銑刀、以刃口切入切出方式對玻璃材料進行銑削加工，但是，如本文介紹所表明的，只要正確、靈活地采用切削機理，就可以在不損壞玻璃的前提下實現其切削加工。
    為了提高玻璃立銑加工的實用性和加工效率，需要注意以下兩點：
    （1）合理設計適用于玻璃切削的立銑刀切削刃形狀。
    （2）刀具應沿切削進給方向保持傾斜姿態，靈活地進行各種溝型的加工。
    對于第一點，2006年與日立工具共同開發了8刃球頭立銑刀。對于第二點，在2005－2006年，經濟產業省下屬單位試制了加工機械，證明了其可行性。今后的課題主要是對刀具材料（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施條件，本文介紹的切削方法很容易引入機械加工生產現場，不需要使用其他特殊設備。