微細(xì)加工方法

1、微細(xì)加工方法微細(xì)銃削加工技術(shù) 王翔（廈門大學(xué) 物理與機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)電系 199201152779）摘要：由于微機(jī)電系統(tǒng) （MicroElectroMechanicalSystem , MEM顯微小 零件加工中存在不足，微細(xì)銃削加工作為一項(xiàng)補(bǔ) 充技術(shù)正在日益受到人們的重視。 本文主要從微 細(xì)銃削的發(fā)展背景；微細(xì)銃削的關(guān)鍵技術(shù)；微細(xì) 銃削的機(jī)床系統(tǒng)和微細(xì)銃削的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)特征尺 寸在10104 m所謂中間尺度微小機(jī)械零件的微細(xì) 銃削技術(shù)進(jìn)行了介紹。使讀者對(duì)微細(xì)銃削技術(shù)有 一定的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：微細(xì)銃削；使能技術(shù)；機(jī)床系統(tǒng)；銃削 的實(shí)驗(yàn)1前言:隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)在 IT、醫(yī)療 器械以及通訊領(lǐng)域

2、，人們對(duì)微小型零件（如：微 型傳感器、微型加速度計(jì)、微透鏡陣列等 ）的需 求日益增加。這種需求的增加促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展在目前的多種微細(xì)加工技術(shù)中，微機(jī)電系統(tǒng) (MicroElectroMechanicalSystem , MEMSy直是 主流技術(shù)之一。由于MEM暇術(shù)衍生于微電子技 術(shù)，它的主要加工對(duì)象被限制在硅基材料上，并且工件的幾何形狀基本上是簡(jiǎn)單的二維形狀，因 而只有在大規(guī)模集成電路的批量制造等方面才 是經(jīng)濟(jì)的。微細(xì)切削加工技術(shù)，特別是微細(xì)銃削 作為MEM聯(lián)術(shù)的補(bǔ)充，由于其幾乎不受加工對(duì) 象材料和幾何形狀的限制而受到研究人員的重 視，正在成為微細(xì)加工技術(shù)中的新生力量。近年來(lái)，采用傳統(tǒng)

3、的機(jī)械加工方法而進(jìn)行微 細(xì)制造的研究越來(lái)越受到人們的重視， 針對(duì)特征 尺寸在10 104 m所謂中間尺度微小機(jī)械零件的微 細(xì)切削制造成為一大研究熱點(diǎn)，其原因是機(jī)加工 具有幾大優(yōu)勢(shì)：1加工精度高；2生產(chǎn)效率高、靈活；3能加工任意三維特征的零件；4能加工包括鋼在內(nèi)的多種材料；2微細(xì)銃削關(guān)鍵使能技術(shù)微細(xì)銃削是一種加工能力強(qiáng)、成形精度高的微小零件機(jī)械加工方式，使用CNCJ口工中心可實(shí)現(xiàn)2D, 215D簡(jiǎn)單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微細(xì)加工. 中間尺度微細(xì)銃削加工涵蓋了多種關(guān)鍵性使能 技術(shù)，如微細(xì)銃削裝備、微細(xì)銃削刀具、計(jì)量、 微小零件的裝夾與操作、中間尺度微細(xì)銃削加工 機(jī)理、表面拋光等，以下逐一分析論述

4、.微細(xì)銃削裝備高性能微細(xì)銃削機(jī)床系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是開(kāi)展微細(xì)銃 削研究的最重要環(huán)節(jié).機(jī)床的性能主要與主軸、 伺服工作臺(tái)和控制系統(tǒng)有關(guān)，微細(xì)銃削所用刀具 的直徑非常小，為了達(dá)到加工所需的理論切削線 速度，微細(xì)銃削機(jī)床主軸應(yīng)同時(shí)具有高回轉(zhuǎn)精度 及高轉(zhuǎn)速，這就需要先進(jìn)的電主軸和空氣軸承作 為技術(shù)設(shè)備支撐.為了獲得高的定位精度，微細(xì) 銃削機(jī)床工作臺(tái)一般采用精密滑臺(tái)加直接驅(qū)動(dòng) 的形式，在保證導(dǎo)軌直線度的同時(shí)消除普通滾珠 絲杠驅(qū)動(dòng)方式具有的間隙誤差.控制上需采用 全閉環(huán)控制方式，配置高精度的光柵尺，機(jī)床工 作臺(tái)的定位精度達(dá)到1m以內(nèi).微細(xì)銃削刀具微細(xì)銃削加工對(duì)刀具提出很高要求，也是制約微 細(xì)銃削技術(shù)應(yīng)用的重要因素

5、.刀具幾何制約加工特征尺寸，刀具受力制約工藝參數(shù)優(yōu)化和加工 效率，刀具磨損和刀具壽命制約微細(xì)銃削加工的 實(shí)用性.因此,要實(shí)現(xiàn)微細(xì)制造技術(shù)的推廣應(yīng)用 必須針對(duì)刀具開(kāi)展研究，綜合考慮刀具幾何、切 削過(guò)程刀具受力、刀具柔性等因素，開(kāi)展刀具制 造、刀具磨損、刀具壽命等研究，這是微細(xì)銃削 研究的關(guān)鍵問(wèn)題.計(jì)量微細(xì)銃削技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中，對(duì)微小零件尺寸 和表面質(zhì)量的測(cè)量技術(shù)必不可少，如光干涉儀測(cè) 量、掃描探針顯微鏡（SPM）、電子束聚焦比較儀 測(cè)量等技術(shù).另外用于過(guò)程反饋和控制的內(nèi)置 傳感技術(shù)也是微細(xì)銃削技術(shù)研究中的一項(xiàng)重要 使能技術(shù)，如微力測(cè)量、內(nèi)置應(yīng)變儀測(cè)量、微變 形測(cè)量等技術(shù).零件的裝夾與操作絕大多

6、數(shù)常規(guī)的夾具和操作方法不適合于中間尺度微小零件的加工、裝配和輸送，這包括零件 在設(shè)備上的定位與夾緊、零件從一個(gè)設(shè)備到其他 設(shè)備之間的搬運(yùn)、零件的收集以及不同零件之間 的連接和裝配.因此，零件的裝夾與操作是關(guān)鍵 的必要條件，應(yīng)盡可能地做到最小化.中間尺度微細(xì)銃削加工機(jī)理微細(xì)銃削加工機(jī)理研究對(duì)于合理選擇切削參數(shù)、 保證微細(xì)銃削加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生 產(chǎn)率意義重大.工件材料力學(xué)性能是開(kāi)展機(jī)理 研究的基礎(chǔ)，建立工件材料本構(gòu)關(guān)系描述尺度的 影響，采用有限元法對(duì)微切削過(guò)程進(jìn)行建模，可揭示尺度效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理.工件材料的微觀結(jié) 構(gòu)對(duì)微細(xì)切削過(guò)程有顯著的影響，這就需要開(kāi)展 對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)與描述以及晶

7、粒力學(xué)性能 建模等方面的研究.表面拋光由于銃削特性限制了零件加工表面光潔度，因此 對(duì)表面質(zhì)量要求高的微小零件需采用去毛刺和 表面拋光技術(shù)，其關(guān)鍵是了解不同的拋光技術(shù)對(duì) 中間尺度微小零件亞表面損傷的影響3微細(xì)銃削機(jī)床系統(tǒng)自行研制的小型數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)微銃床的實(shí)物及 結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖1所示.系統(tǒng)采用立式三 坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，包括水平面上的X, Y二維工作臺(tái)和垂 直的Z向主軸安裝滑臺(tái),本體尺寸為300m降 400m睇 500mm工作空間為 50mm20切削深度小m20每齒進(jìn)給量/PinL 19使用Talor Hobson Form120表面粗糙度輪廓儀 (分辨率015nm測(cè)得表面粗糙度Ra值為215 nm.圖

8、3為根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，利用Matlab繪制的一 段工件表面形貌軌跡曲線，采樣長(zhǎng)度為12以m,測(cè) 量步距2nm,每齒進(jìn)給量214 pm.。圖3平面微細(xì)銃削表面粗糙度軌跡特征曲線微直梢銃削實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榭疾鞕C(jī)床在一維方向上的加工精度 以及對(duì)大深寬比微小零件的加工性能.直槽微 細(xì)銃削加工材料為工業(yè)硬鋁LY12,實(shí)驗(yàn)中采用的 各項(xiàng)工藝參數(shù)如表2所示.表2直槽微細(xì)銃削實(shí)驗(yàn)參數(shù)表參數(shù)取值 TOC o 1-5 h z 刀具直徑(球頭)，mm0.2上軸轉(zhuǎn)速/(IO, r*mm1)4 2進(jìn)給速度，(mm , min 1 )10Z向吃刀星:】10微直槽橫截面結(jié)構(gòu)示意圖及 CCD顯微觀測(cè)實(shí)物 圖如圖4所示.利用顯微分析

9、軟件得到的圖像 測(cè)量結(jié)果顯示，加工尺寸誤差在12以m以內(nèi), 經(jīng)分析誤差成因主要是主軸徑向跳動(dòng)。薄甲跳檢橫岐|航站相小意倒圖4微直槽銃削實(shí)驗(yàn)5結(jié)語(yǔ)利用傳統(tǒng)機(jī)械加工的靈活優(yōu)勢(shì)并結(jié)合微細(xì)加工 的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適于微細(xì)切削的加工設(shè)備已成為微 細(xì)加工領(lǐng)域的一大趨勢(shì).在自主構(gòu)建的小型數(shù) 控銃床上，根據(jù)多種實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，針?duì)不同結(jié)構(gòu)微 小零件進(jìn)行銃削加工，分析結(jié)果充分顯示了該銃 床已經(jīng)具備對(duì)中間尺度三維微小零件微細(xì)銃削 加工能力.今后，將通過(guò)對(duì)微細(xì)切削加工的尺寸 特征、工藝參數(shù)、材料特性及環(huán)境影響等相關(guān)因 素的深入研究，逐漸摸索微細(xì)切削加工新工藝.參考文獻(xiàn)WeckM, FischerS, VosM. Fabrica

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