微細(xì)切削技術(shù)及微型機床的發(fā)展

何應(yīng)能

摘要：微細(xì)加工類技術(shù)是未來不可或缺的主要技術(shù)力量，其中切削技術(shù)作為最基本的加工步驟需要不斷的熟悉和掌握。同時微型機床也應(yīng)運而生，為微型機械加工行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供了更多的可能性。

關(guān)鍵詞：微細(xì)切削、微型機床

隨著微電子學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)和機械學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，微細(xì)切削技術(shù)已迅速發(fā)展成為具有多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，成為未來制造技術(shù)的發(fā)展趨 勢，被列為21世紀(jì)重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在精密模具、精密儀器、國防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)和家庭等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。微細(xì)切削技術(shù)是一種快速低成本的微小零件機械加工方式，不受加工材料的限制，使用CNC加工中心可實現(xiàn)2D、2.5D簡單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微加工，在多樣化材料和三維幾何形狀的微細(xì)加工中具有獨特優(yōu)勢，成為微米和中間尺度機械制造領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，使用此法可實現(xiàn)微小模具的批量化生產(chǎn)。目前微細(xì)切削技術(shù)主要包括微細(xì)車削、微細(xì)銑削、微細(xì)磨削和微沖壓等。

1.微細(xì)切削加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀

微細(xì)切削加工技術(shù)是傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的延伸，主要采用比傳統(tǒng)刀具的刃形尺寸更小、精度更高及硬度更高的刀具，如單顆粒金剛石車刀、微小直徑銑刀及鉆頭，在高速精密加工機床上實現(xiàn)精密零件加工。隨著工件與刀具的小型化，微細(xì)切削不只是刀具尺寸的減小，而且還面臨著加工過程中新的挑戰(zhàn)，即刀具與工件之間的接觸作用、微小尺寸刀具的非標(biāo)準(zhǔn)化、刀具參數(shù)優(yōu)化與刃磨等。微細(xì)切削加工中，超精密車削與微細(xì)銑削技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

2.各種微型技術(shù)

2.1.微細(xì)車削是加工微小型回轉(zhuǎn)類零件的主要手段，需要微車床以及相應(yīng)的檢測與控制系統(tǒng)，但其對主軸精度、刀具硬度和微型化有很高的要求。微型車床是發(fā)展微細(xì)車削技術(shù)的前提及關(guān)鍵。其整體性能是影響微小零件的精度、尺寸極限與尺寸重復(fù)精度的關(guān)鍵因素。精密車床往往需要配置高精密主軸、高精度的進(jìn)給工作臺以及控制系統(tǒng)，這主要包括機床的單元技術(shù)和整體性能，單元技術(shù)包括精密主軸、進(jìn)給機構(gòu)以及CNC控制系統(tǒng)，整機技術(shù)包括車床床身、冷卻系統(tǒng)、安全措施及加工環(huán)境等。為了保持微細(xì)切削中合理的材料去除率、加工進(jìn)度以及刀具的強度，主軸往往具有高速轉(zhuǎn)動功能。由于電主軸沒有普通主軸的中間傳動環(huán)節(jié)，傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量減小，主軸系統(tǒng)的剛度高，運行更加平穩(wěn)，并且能以很高的轉(zhuǎn)速運行，因此在精密機床中得到廣泛應(yīng)用。機床的位脈沖進(jìn)給精度誤差和CNC控制系統(tǒng)必須低于工件加工要求的誤差范圍。主要有兩種控制方式：一種是“旋轉(zhuǎn)伺服電動機+滾珠絲桿”半閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者加入光柵尺的閉環(huán)控制系統(tǒng)。另一種是直線電動機控制系統(tǒng)，不存在絲桿傳動系統(tǒng)中摩擦和電動機耦合產(chǎn)生的累積誤差和磨損引起的精度丟失以及間隙，且可提供較大的加速度，精度一般可以達(dá)到±1um。

2.2.微細(xì)銑削加工是一種加工能力強，成形精度高的微小零件機械加工方式。中間尺度零件微細(xì)銑削加工涵蓋了多項關(guān)鍵技術(shù)，如中間尺度微小零件微細(xì)銑削的加工機理、微細(xì)銑削設(shè)備、微細(xì)銑削專用刀具、微小零件的裝卡與操作、加工過程的實時監(jiān)測及加工后的檢測等。微沖壓成形技術(shù)作為一種新興的加工工藝，是一種重要的介觀尺度下的微成形技術(shù)。由于受到介觀尺度下尺度效應(yīng)的影響，成熟的傳統(tǒng)沖壓成形理論不能直接應(yīng)用于微沖壓成形領(lǐng)域。隨著加工尺度從宏觀到介觀的變化，微沖壓工藝所涉及的材料模型、摩擦模型、工藝仿真方法以及成形設(shè)備、模具設(shè)計和制造技術(shù)等都發(fā)生了根本性的改變。

3.微型技術(shù)未來的發(fā)展

微型工廠是一種微小型生產(chǎn)系統(tǒng)，它具有體積小、節(jié)約能源和原材料、減少污染、機動靈活性強、操作穩(wěn)定和抗干擾等優(yōu)點。因此，人們將其視為節(jié)省能源和空間、環(huán)保型生產(chǎn)模式，以及綠色制造的發(fā)展方向之一。MEL公司于1990年提出微型工廠的概念，并在1999年設(shè)計制成了世界上第一套桌面微型工廠樣機。 它由車床、銑床、搬運機械手和裝配用手指機械手組成，占地面積為70cm×50cm，能進(jìn)行加工和裝配，試運轉(zhuǎn)成功。試運轉(zhuǎn)的產(chǎn)品是外徑為?900um、長度為3mm的樞軸球軸承。利用車床加工出直徑為?100um和?500um的回轉(zhuǎn)軸；銑床加工出外徑為?900um、內(nèi)徑為?700um的軸承套；在沖壓機上加工出厚度為120um的軸承套 罩蓋。這些零件由有吸盤的機械手搬運到組裝區(qū)，在微 型液晶顯示器監(jiān)控下，通過兩個手指機械手的遠(yuǎn)程操作將?200um的滾珠裝入軸承套內(nèi)，然后壓入回轉(zhuǎn)軸，裝上罩蓋，完成整個組裝工序。MEL公司于2000年設(shè)計制作了第二臺微型工廠樣機——便攜式微型工廠。它由車床、銑床、沖壓床、搬運機械手和裝配用雙手指機械手組成，占地面積為20cm×50cm，能進(jìn)行加工和裝配。其中微銑床 （119mm×119mm×102mm）主軸電動機使用36W無刷直流伺服電動機，額定轉(zhuǎn)速為20000r/min，配有刀柄直徑為?3mm的刀具進(jìn)行銑削和鉆孔；微型沖床 （11lmm×66mm×170mm）使用100W交流伺服電動機，可以產(chǎn)生3kN的壓力；微手臂在靈活的水平鉸鏈和同步鉸鏈的幫助下，能夠以20um的水平精度在直徑為?200mm的圓形范圍內(nèi)運動；微操作手有兩個針狀手指，每個手指模塊有三個內(nèi)置的壓電制動器和一個并行鉸鏈機構(gòu)。所有部件裝在一個625mm× 490mm×380mm的箱子里，所有設(shè)備的重量為34kg，整個系統(tǒng)功耗為60W。系統(tǒng)中的機床與常規(guī)機床相比，尺寸微小，結(jié)構(gòu)簡單，但它能夠加工實際零件，具 有實際應(yīng)用價值和意義。

4.總結(jié)

微細(xì)切削加工技術(shù)是微細(xì)加工工藝的一個重要延伸，其研究與應(yīng)用將填補基于硅表面微細(xì)加工的微電子機械系統(tǒng)技術(shù)和傳統(tǒng)精密加工技術(shù)之間的缺口。盡管目前微細(xì)切削技術(shù)所能加工的零件尺寸不及微細(xì)電加工所能達(dá)到的程度，但它與激光刻蝕加工等技術(shù)一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結(jié)構(gòu)?？傊?，微細(xì)切削加工技術(shù)的成功實現(xiàn)將在未來的制動器、機器人和航天器等具有更高功能性要求的微型產(chǎn)品制造中起到非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王紹宗 微細(xì)切削技術(shù)及微型機床的發(fā)展 2010，（2）

[2] 曹自洋 微細(xì)切削加工技術(shù) 2006，（3）