高強寬比微小型構件的研究

高強寬比微小型構件的研究

1微細加工技術微小型組件是指連接并支持微小型系統(tǒng)的功能部件、負荷、執(zhí)行運動和輸出動力的純機械或機電一體化產品。隨著各類微小型系統(tǒng)的發(fā)展及其應用領域的擴大,對于微小型結構件的需求種類和數(shù)量逐年增加,但目前比較成熟的硅微工藝在這方面的加工能力嚴重不足,因此面向微小型結構件的微細加工技術將是今后微制造領域的主要研究方向之一。根據(jù)目前的技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,適用于微小型結構件的微細加工技術主要有:LIGA及準LIGA工藝、能束加工、準分子激光加工、超聲加工、微細電火花加工、微細電化學加工、微細鑄造、微細磨削、微細沖壓等。與上述技術相比,以直接去除材料為主要特征的微細切削技術在三維加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面體現(xiàn)出了一定的綜合優(yōu)勢,對于微小型結構件的研制與生產具有廣闊的應用前景。本文將結合微小型結構件的特點和加工需求,介紹微細切削的主要形式、適用范圍和技術研究體系,從不同角度分析微細切削的技術優(yōu)勢與局限,并對微細切削技術的應用方向和發(fā)展前景加以展望。2微機械非硅材料微小型系統(tǒng)是微小尺度范圍內光、機、電、液、磁等高度集成的一類系統(tǒng)。微小型結構件主要承擔其中“機”的功能,與傳感和信號處理等功能部件相比,在構件材料、結構形式和加工工藝等方面具有以下特點。(1)特指最小特征尺度在微米級(即1μm~999μm)的微型結構件,也包括整體尺度在毫米級、利用常規(guī)方法很難加工的小型結構件。如模數(shù)為0.05、直徑為2mm的漸開線齒輪。(2)主要由金屬、合金和復合材料等非硅材料組成,強度硬度高,機械特性好,具有一定的抗過載、耐磨損、耐腐蝕或耐高溫能力,能夠服役于惡劣工況條件。(3)結構形式以三維或準三維的立體結構為主,深寬比高或長徑比大。(4)廣泛存在于各類微小型系統(tǒng)中,涉及框架、腔體、壁、槽、軸、孔、輪系等多種結構形式,需求量大,應在滿足加工精度要求的前提下,解決變批量生產的成本和周期問題。(5)空間緊湊,結構復雜,結構件之間存在確定的傳動、連接或裝配協(xié)調關系,形狀精度和位置精度要求高。但對表面粗糙度的要求相對較低,不一定需要納米級的超精密表面。3微細車銑復合加工微細切削是一種在精密及超精密的切削機床上,借助高分辨率的實體刀具,利用機械力的作用對工件材料進行微量去除的工藝方法。根據(jù)微小型結構件的加工要求,適用于微細切削的刀具或工件直徑應小于1mm,最小加工特征尺度應在亞微米至數(shù)十微米之間。按照刀具類型和切削方式進行區(qū)分,微細切削主要由微細車削、微細立銑削、微細飛切、微細鉆削和微細車銑復合加工等形式組成。微細車削適合于加工微細圓柱軸、端面、臺階軸、螺紋、螺旋槽等回轉體,應用成型車刀還可以加工各種微小型異型結構。微細立銑削可以加工微小型框架、溝槽、薄壁、腔體、柱體、陣列和平面二維圖案,通過采用球頭立銑刀或多軸聯(lián)動,還可加工球面和三維自由曲面,加工能力很強,是目前微細切削最主要的一種應用方式。微細飛切是利用安裝在飛切刀盤上的成型飛刀的加工,在本質上屬于銑削范疇。與螺旋槽立銑刀相比,具有刀具切削部分形式多樣,回轉半徑大,對銑削主軸轉速要求低,工作角度調整方便,切屑排除順暢等優(yōu)點,適合于多種類型的微小型槽和自由曲面的成型加工。微細鉆削主要用于鐘表零件、印刷電路板、噴嘴等零件上孔徑小于0.5mm的微小孔的機械式鉆削成形,加工出的孔與鉆頭尺寸比較吻合,適合于大批量孔的自動化加工。微細車銑復合加工是一種全新理念的微細加工方法。利用微小型車銑加工中心,一次裝夾即可完成多個工序的組合加工,避免了裝夾誤差的累加,體現(xiàn)了加工柔性、效率與精度的統(tǒng)一。采用極坐標插補和圓柱插補,還可加工復雜形狀端面和輪廓。這種加工方式最主要的技術優(yōu)勢是,通過車銑聯(lián)動,利用銑削主軸的高轉速解決車削微細軸時線速度不足的難題,能夠顯著提高微細軸的加工表面質量,這一點與常規(guī)的車銑復合加工也有所區(qū)別。4微細切削機理研究微細切削是一項高度集成的綜合性技術,按照研究內容可以分為基本原理、支撐技術和綜合應用3個層次,技術體系如圖1所示?；驹戆ɑA理論和加工機理研究。其中,基礎理論主要針對微米及亞微米級切削條件下的尺度效應,重點研究加工精度、相對加工精度和制造公差的產生,為微細切削的制造特性分析提供理論依據(jù)。加工機理研究采用基礎試驗和理論建模相結合的方法,通過對材料去除和表面形成等內容的研究,目的在于揭示微細切削的本質特征。支撐技術包括機床技術、刀具技術和輔助系統(tǒng)技術研究。通過廣泛采用高速電主軸、SKI刀柄、聚焦離子束濺射工藝等其它領域的最新技術成果,實現(xiàn)極高的主軸轉速、納米級的機床定位精度和小至數(shù)微米的刀具特征尺度,為微細切削提供必要的技術支撐。綜合應用包括工藝技術和應用基礎技術研究。通過工藝優(yōu)化、CAD/CAM、切削狀態(tài)在線監(jiān)控等單項技術的集成解決具有一定形狀和精度要求的結構件的加工問題,推動微細切削應用水平的提高。在此基礎上,使微細切削的技術成果實用化,形成工業(yè)級產品的批量化生產能力。5種新型的精密加工技術微細切削對于微型產品的需求有極強的適應能力,為非硅材料高深寬比微小型結構件的精密加工提供了一種全新的技術途徑。同時在應用過程中也暴露出了一些問題,需要從微細切削的基礎理論、刀具應用技術、加工工藝等多個方面加以改進。5.1微切割技術的優(yōu)勢(1)微細切削技術隨著超精密切削機床與刀具系統(tǒng)等相關技術的成熟,微細切削的加工對象范圍不斷擴大,正逐步走向工程化,在民用和軍事領域都有廣泛應用。從最初的手表和精密儀器零件、印刷電路板上的多層微小型孔,到目前的微型注塑模具、噴墨打印機上的微噴嘴、微細電火花加工中的工具電極、光刻工藝中的X射線掩膜,以及衍射光柵中的V形槽等,都是微細切削技術的應用實例。微機電引信和制導兵器中的微機械陀螺、微慣性器件等兵器微小型系統(tǒng)迫切需要各類能承受極高發(fā)射過載的微小型結構件,是微細切削技術的重點應用領域。微小型飛行器、微小型機器人、微小型水下無人航行器和微小型航天器等微小型無人系統(tǒng)是微小型結構件比較集中的場合,將成為微細切削技術的主要應用方向。(2)微細切削表面微細切削的材料去除機理是:微米及亞微米級尺度的切削層在刀具施加的機械力的作用下產生切削變形,以切屑的形式從工件表面脫離。從理論上說,只要刀具材料的強度和硬度足夠,刀具與工件之間不發(fā)生熱化學反應,金屬、合金、塑料、復合材料、石墨、陶瓷、玻璃和硅等都可進行微細切削,加工材料范圍廣泛。微細切削的這一特征,對由黃銅、鋁合金、中碳鋼、不銹鋼、淬硬鋼、鈦合金、鎢合金、鎳基合金等構成的具有高耐磨或高承載要求的微小型結構件的加工比較有利。(3)微細立銑刀或鉆頭加工微細切削是傳統(tǒng)的切削工藝在微觀加工尺度的延伸。不僅能在橫向上加工平面圖案和輪廓,通過采用大長徑比的微細立銑刀或鉆頭,合理規(guī)劃加工策略和刀具路徑,能夠沿結構件的縱深方向進行較大范圍的加工,具有很強的三維加工能力,適合于制作高深寬比或長徑比的微小型結構件。據(jù)報道,Bang在黃銅上銑削出了厚度為25μm,高度為650μm的薄壁結構,深寬比達26。(4)微細加工加工能力微細加工的尺度很小,加工精度用去除材料的大小來表示,為此引入了加工單位的概念,表示一個最基本的加工操作能夠去除材料的大小,這是評價微細加工能力的一項重要指標。隨著機床定位精度水平的提高和刀具最小特征尺度的減小,微細切削的加工單位不斷向更小的尺度推進,目前已達數(shù)十納米,可以滿足結構件特征尺度持續(xù)微小型化的要求。(5)相對運動法:將刀具特征復復到表面粗糙度微細切削大多在超精密機床上,利用刃口極其鋒利的刀具,通過刀具與工件之間確定關系的相對運動,將刀具特征精確地復映到工件表面,能夠穩(wěn)定獲得亞微米級的形狀精度和數(shù)十納米級的表面粗糙度。由于直接去除材料,工藝鏈短,減少了加工誤差的累積和傳遞,公差波動范圍小,具有較高的相對加工精度和重復加工精度,適合一定批量的加工要求。(6)微織構加工方式微細切削是一種直接去除材料的工藝,材料去除率約為1~100μm3/s,雖遠遠低于常規(guī)尺度切削,但顯著高于微細電火花加工、微細電化學加工和準分子激光加工等方式。通過控制進給量和切削深度等參數(shù),微細切削的加工時間可控,構件的加工可以在數(shù)分鐘至數(shù)小時內完成,具有較高的加工效率,能夠實現(xiàn)微小型結構件的快速研制和生產。(7)臨界切削厚度根據(jù)脆性材料在超微量切削條件下的脆塑轉變機制,當切削厚度小于臨界切削厚度時,材料是以塑性變形的方式去除的,切屑形態(tài)呈連續(xù)帶狀。此時能夠避免脆性材料加工表層的裂紋和微觀缺陷,獲得完整性好的加工表面?？赏麑崿F(xiàn)陶瓷、玻璃、單晶硅等脆性材料的延性域加工。5.2微切割的原理與技術的難度(1)精密微細機床主軸轉速微細切削機床的設計通常采用高速電主軸技術,以獲得盡可能高的回轉速度,這是衡量機床性能的一項重要指標。如德國卡爾斯魯厄大學開發(fā)的精密微細銑床的主軸最高轉速達160,000r/min,遠遠高于工業(yè)領域高速加工中心的主軸轉速。但是微細切削的回轉刀具或工件的直徑很小,實際所能達到的切削線速度遠遠低于常規(guī)值,如采用直徑為0.1mm的平頭立銑刀,當主軸轉速為60,000r/min時,線速度僅為18.8m/min,不利于工件材料的去除及獲得良好的加工表面質量。(2)微細切削條件切削狀態(tài)監(jiān)控將是實施微細切削的技術難點之一。常規(guī)尺度切削下比較明顯的切削振動、沖擊、噪聲等物理現(xiàn)象在微細切削條件下將變得很微弱,反映切削狀態(tài)的有用信號的幅值小、信噪比低,不利于特征參數(shù)的辨識與提取。為了深入了解微細切削的動態(tài)特性,對于切削力、切削振動等特征信息的監(jiān)控檢測顯得尤其重要,必須借助高靈敏度的測量儀器,建立可靠性高的實時監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)切削狀態(tài)的在線監(jiān)控。(3)微細磨削工藝具有極小特征尺度的微細切削刀具是實現(xiàn)微米級切削的必要條件之一,刀具制備技術的滯后制約了微細切削應用水平的提高。根據(jù)分子動力學的仿真結果,要實現(xiàn)具有一定實用價值的加工單位為0.1μm的微細切削,刀具刃口半徑應小于1μm,而目前的細晶粒硬質合金還達不到這一水平。在專用刃磨機上應用微細磨削工藝能夠實現(xiàn)微細刀具的批量化生產,但由于磨削力的作用,刀具幾何參數(shù)的一致性很難保證,成品率低,并且刀具最小直徑受限。目前商品化供應的微細立銑刀的最小直徑為0.05mm,微細鉆頭的最小直徑為0.03mm,仍不能滿足微細切削的加工需求。聚焦離子束濺射工藝(FIB)和微細電火花線電極磨削工藝(WEDG)是目前最先進的微細刀具制備技術。FIB工藝能夠制備亞微米級分辨率的形狀和切削參數(shù)復雜的微細刀具,但對設備的要求高,成型效率低,費用昂貴。WEDG工藝成型效率高,主要用于微細鉆頭和立銑刀的在線制備,但隨后的微細切削需要在制作刀具的微細電火花機床上進行,工藝的應用范圍受限。(4)微細切削刀具破損問題微細切削時,刀具的磨損形態(tài)和特征不規(guī)則,不能用常規(guī)的方法進行評價。尤其是加工鋼等硬材料時,刀具在嚴重磨損以前即可能發(fā)生早期破損,很難獲得穩(wěn)定的磨損耐用度。目前還缺乏適用于微細切削的磨鈍標準體系。與磨損相比,微細切削刀具的破損問題更加突出,主要表現(xiàn)為整體折斷。這是因為:微細刀具的制造誤差不能隨刀具特征尺度的下降而成比例的下降,制造缺陷相對嚴重,刀具可靠性低;微細回轉刀具的直徑小,長徑比或深徑比大,懸伸量大,整體強度和剛性不足;微細銑刀和鉆頭的容屑槽空間有限,實際切削前角會由于切屑的堵塞而減小,容易引起切削力的成倍增大而使刀具在短時間內迅速折斷。(5)微細車削調整由于使用刀具與產生切削力的原因,曾經(jīng)認為切削的方法不適合于微細加工。目前這一問題已得到部分解決,但需要不斷提高加工能力和精度。微細刀具方面,刀具制造過程的刃磨工藝容易造成刀面劃痕和刃口缺陷,將直接影響加工表面的精度水平。微細刀具磨損以后,刀具實際切削尺寸發(fā)生變化,不能保證加工幾何精度和表面粗糙度水平,并且加工表面容易產生毛刺,需要安排附加的表面精整工序。由于使用實體刀具,對于凹狀零件的加工能力不足,如微細立銑削不能加工鋒利的內拐角;微細鉆削出的孔徑由鉆頭直徑?jīng)Q定,不能鉆削圓孔以外的異型微小孔。切削力方面,由于切削力直接作用于刀具和工件,彈性變形不可避免,將直接影響加工精度和極限加工尺度。通常工件的剛性小于同等尺度刀具的剛性,彈性變形更加嚴重,因此微細車削比微細銑削難于實現(xiàn)。當切削深度與刃口半徑處于同數(shù)量級時,刀具的有效切削前角小于標注前角,甚至以負前角進行切削,將導致切削力的增大,不利于獲得精密表面。(6)生產輔助時間長微細切削技術體現(xiàn)出了很高的柔性,適合于微小型結構件的多品種中小批量生產,但是工藝過程的自動化程度不高,目前還不能完全滿足大批量生產的需求。這是因為:微細切削的工裝夾具等生產準備系統(tǒng)復雜,生產輔