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微細(xì)切削技術(shù)及微型機(jī)床的發(fā)展
微細(xì)切削技術(shù)及微型機(jī)床的發(fā)展
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(shí)微型機(jī)床也應(yīng)運(yùn)而生，為微型機(jī)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(jī)床
隨著微電子學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)和機(jī)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(shì)，被列為21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
在精密模具、精密儀器、國(guó)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(jī)械加工方式，不受加工材料的限制，使用CNC加工中心可實(shí)現(xiàn)2D、2.5D簡(jiǎn)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為微米和中間尺度機(jī)械制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，使用此法可實(shí)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(jī)床上實(shí)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(cè)與控制系統(tǒng)，但其對(duì)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(tái)以及控制系統(tǒng)，這主要包括機(jī)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(jī)構(gòu)以及CNC控制系統(tǒng)，整機(jī)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(qiáng)度，主軸往往具有高速轉(zhuǎn)動(dòng)功能。
由于電主軸沒有普通主軸的中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，主軸系統(tǒng)的剛度高，運(yùn)行更加平穩(wěn)，并且能以很高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此在精密機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。
機(jī)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(dòng)機(jī)+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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，不存在絲桿傳動(dòng)系統(tǒng)中摩擦和電動(dòng)機(jī)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(qiáng)，成形精度高的微小零件機(jī)械加工方式。
中間尺度零件微細(xì)銑削加工涵蓋了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如中間尺度微小零件微細(xì)銑削的加工機(jī)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及加工后的檢測(cè)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(jì)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(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)、操作穩(wěn)定和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。
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(jì)制成了世界上第一套桌面微型工廠樣機(jī)。
它由車床、銑床、搬運(yùn)機(jī)械手和裝配用手指機(jī)械手組成，占地面積為70cm×50cm，能進(jìn)行加工和裝配，試運(yùn)轉(zhuǎn)成功。
試運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)品是外徑為?900um、長(zhǎng)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(jī)上加工出厚度為120um的軸承套 罩蓋。
這些零件由有吸盤的機(jī)械手搬運(yùn)到組裝區(qū)，在微 型液晶顯示器監(jiān)控下，通過兩個(gè)手指機(jī)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(gè)組裝工序。
MEL公司于2000年設(shè)計(jì)制作了第二臺(tái)微型工廠樣機(jī)――便攜式微型工廠。
它由車床、銑床、沖壓床、搬運(yùn)機(jī)械手和裝配用雙手指機(jī)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(dòng)機(jī)使用36W無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)，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(yùn)動(dòng);微操作手有兩個(gè)針狀手指，每個(gè)手指模塊有三個(gè)內(nèi)置的壓電制動(dòng)器和一個(gè)并行鉸鏈機(jī)構(gòu)。
所有部件裝在一個(gè)625mm× 490mm×380mm的箱子里，所有設(shè)備的重量為34kg，整個(gè)系統(tǒng)功耗為60W。
系統(tǒng)中的機(jī)床與常規(guī)機(jī)床相比，尺寸微小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它能夠加工實(shí)際零件，具 有實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(gè)重要延伸，其研究與應(yīng)用將填補(bǔ)基于硅表面微細(xì)加工的微電子機(jī)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)。
總之，微細(xì)切削加工技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)將在未來的制動(dòng)器、機(jī)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(jī)床的發(fā)展 2010，(2)
[2] 曹自洋 微細(xì)切削加工技術(shù) 2006，(3)
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