复杂曲面微细零件切削加工研究
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( 1) 当刀尖圆弧半径为 0时: Rm ax = f / ( cotkr + cotkr ) ( 2) 当刀尖有圆弧半径 r 时: Rm ax = f 2 / 8r 式中: f 为刀具每转的进给量, m / r;
刻 设备还 要高许多 , 一般 实验 室 负担 不 起。 相比 较 而 言, 微 细切削加 工具有 加工 范 围广 、设 备 成本 相 对 较低、 加工效 率 高、 相 关 技 术 研 究 成 熟 等 特 点。
而 且, 相 对 L IGA 技 术而 言, 微 细 切 削加 工 能 加 工 出 小尺寸 的真正 的 3维结 构工 件。 因此 , 开 展微 细 零 件切削 加工研究 , 将 对微 型机 械技 术 的发 展产 生 强 有力的 推动作用 。
K eyword s: Com plex shape m icrom iniature part; M icro-m ach in ing
随着科 学技 术特 别 是电 子与 光学 技 术的 迅猛 发
展, 微型机械将在未来的国防军事、航空航天以及信 息等诸多领域发挥越来越重要的作用, 比如微小侦察 飞机、微小卫 星、微陀 螺、微传 感器、微 机器人 等, 各种微型机械及相关技术的研究和应用日益受到各国
小而急剧增大, 因此, 运用微型制造系统来进行微细 切削加工的效果还有待进一步研究。常规尺寸的微小
零件加工机床可以利用现有的超精密加工技术的发展
成果, 研制 成 本较 小, 用 于微 细切 削 加工 的 效 果较 好, 因此, 国内外常规尺寸的微小零件加工机床取得
了长足的发展。
图 2是作 者自行
研 制的 微 小 零 件 加 工
并可以保持机床加工过程中的对称结构。
机床总体结构为龙门式加转台形式。采用这种对
称式龙门 框 架结 构, 其 驱动 都采 用 精密 滚珠 丝 杠驱 动。受机床的空间限制, 伺服转台与其伺服电机平行 放置, 利用同步带驱动。 3个直线轴的 位置检 测采用
用分 辨 率 为 1 m 的 光 栅 尺, 伺 服 电 机 采 用 日 本 Sanyo D enk i公司 生 产的 交流 伺服 电 机, 伺服 转 台利
WANG Jianp ing ( Chang sha A eronaut ica l Vocat iona l and T echn ica l Co llege, Changsha H unan 410124, China)
Abstrac t: M icro e lectrom echanical sy stem (M EM S) is a kind of h igh techno logy w ith wh ich people understand and change the ob jective wor ld from m icroscopic v iew. T oM EM S, the im po rtant ro le is the m anufacture and process ofm icro-parts. Through study ing the precision m ach in ing technics abou t comp lex shape m icrom in ia ture parts, the equipm ent, processing techno logy, processing pr inc-i p le, surface contro l we re deep ly stud ied.
因为微型制造 系统具 有能耗 少、体积 小的 特点, 在特定的环境下运用有其一定的优点, 例如在机动性 要求高的战地环境中。但是也有其自身的缺点, 如微 型制造系统技术 还不 成熟、研制 成本 比较高。 而且, 由微细切削加工特点可知, 微细零件加工并不是普通
零件加工的简单缩小, 单位切削力随着切削深度的减
关键词: 复杂曲面微细零 件; 微细 切削 中图分类号: T P391 73 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3881 ( 2011) 10- 049- 3
S tudy on M ach in ing Techn ics of Com p lex Shape M icrom in iature Parts
图 4 偏刀形状
偏刀刀尖偏 离旋转 轴心 5 ~ 20 m, 这样 可以 避 免零切削速度, 同时更容易走屑。针对复杂型面零件 的加工, 将切削刃设计成 小于 90 圆 锥度的形 式, 这 样当刀具旋转时, 形成一个圆锥形的切削面。 4 加工参数的选择及加工结果
微细切削加工 中的吃 刀深度、 刀具的 刀尖 形状、 刀具半径及切削用量等, 对被加工零件的表面粗糙度 有直接影响。在理想的切削条件下, 刀具相对工件作 进给运动时, 在工件表面遗留下的残余面积生成了理 想的表 面粗 糙 度。其 最大 高 度 Rmax与刀 具 的几 何 形 状、进给量 f 的几何关系为:
收稿日期: 2010- 04- 22 作者简介: 王建 平 ( 1970 ), 工学 硕士, 副 教授, 研 究方 向为数 控技 术与应 用。电话: 15973185108, E - m a i:l jpw lx@
163 com。
50
机床与液压
第 39卷
另外, 微细切削加工与普通切削加工中的刀具所 受的切 削 力也 有 明 显差 别。 当吃 刀 深 度为 1 m 以 下、磨削软 钢时, 刀具 单位 面 积所 受 的切 削 阻力 极 大, 约为 1 3 104 M Pa, 如图 1所示, 接近了软钢的 理论剪切强度 1 4 104 M P a; 当吃刀深度为 50 m 左 右的微量铣削加工时, 刀具单位面积的切削阻力下降 为 1 0 103 M Pa左右; 当吃刀深度为 0 1 mm 的普通 切削加工时, 刀具单位面积的 切削阻力 下降为 200~ 300 M P a。因此, 微细切 削加工 的单 位从数 微米 到亚 微米级时, 刀刃会受到很大的应力作用, 使单位面积 上会产生很大的 热量, 导 致局部 极高 的温升。 因此, 微细切削加工从设备角度看, 要求刚度高、精度高和 微小进给, 刀具要求采用耐热性高、耐磨性强、高温 度和高强度的材料, 基本和超精密加工技术有相同的 要求。
微型机械是极其微小而精巧的机电合一的装置其特征之一是微机械元件的尺寸一般都比常规机械元件的尺寸小许多且构成这些微型机械的零件是各种各样而且纷繁复杂的要想使微型机械的性能真正地过关并达到实用的程度必须要尽快地提高微型机械的制造工艺与设备的水平
2011年 5月 第 39卷 第 10期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
政府的重视。微型机械是极其微小而精巧的机电合一
的装置, 其特征之一是微机械元件的尺寸一般都比常 规机械元件的尺寸小许多, 且构成这些微型机械的零 件是各种各样而且纷繁复杂的, 要想使微型机械的性 能真正地过关并达到实用的程度, 必须要尽快地提高 微型机械的制造工艺与设备的水平。
目前微型机械零件的制造工艺较多运用微电子工
用同步感应器进行位置检测, 并组成全闭环伺服控制 系统。机床的床身与导轨材料采用泰山青花岗岩, 铣
头 采 用 日 本 NSK 的 气 动 高 速 铣 头, 其 转 速 可 达 20 000 r /m in。车削主轴 是北 京兴 航精 密主 轴部 件厂
生产的 液 体 静 压 主 轴, 其 轴 向 与 径 向 刚 度 都 达 到 200 N / m, 回转精度 轴向与径 向都达 到 0 1 m。机
图 1 加工软钢材料时吃刀深 度与 单位面积的剪切阻力关 系
2 微细切削加工机床 针对微细零件总体尺寸都 在数毫米 甚至 1 mm 以
下的特点, 国内外学 者提出了 微型 制造系 统的 概念。 微型制造系统是由低能耗的微型机床组成的集成制造 系统。 1991年日 本通 产省 工业科 技局 制 定的 一项 微 机械技术发 展 10 年 规划 中提 出了 微 型工 厂 的概 念。 到 1997年, 日 本机械技 术研究 所的北原 时雄发 布了 他所研制的微型 机床, 体积 为 32 mm 25 mm 30 5 mm, 质量为 100 g, 能加 工工 件长 度为 2 mm、最 小 直径为 60 m, 加工 工件圆 度为 2 5 m。 1998年 金 泽工业大学的米山 猛教授发 布了他 研制的 微型 机床, 其体积大约 30 mm 30 mm 50 mm, 可 加工 最小 直 径为 15 m, 而且这台微型机床上, 安装了复 合式刀 架, 可以实现 3个方向微细切削力的测量。
床底座使用空气减振器, 以隔离来自地面的振动和吸 收机床本身发生的振动, 使静态振幅衰减到纳米级。
3 超精密微切削刀具
对复杂的三维曲面进行加工时, 常常选用球头铣 刀, 刀具形状如图 3所示。
图 3 球头铣刀形状
第 10期
由于球头铣刀形状决定了其尺寸不可能做到足够 小, 因此可以用球头铣刀对尺寸相对较大的零件进行 加工或对尺寸很小的零件进行粗加工, 而对微细零件 的精加工时则选用偏刀, 其形状如图 4所示。
以组成 R- 型车床, 可以进行非球 面车削。机床 x 和 y向导轨的运动分辨率为 1 m, C 轴旋转工作台转动
分辨率为 2。在 铣削 加工 时 C 轴可 以作 为分 度 台使 用, 这样, C 轴既可在铣削时作为分度 转台使用, 又
可在车削时实现球面和非球面加工。另外, 利用伺服 转台机构还可以 充分利 用其高 精度、高 频响的 优点,
机 床 结 构 示 意 图。 该
机 床 具 备 铣、 车、 钻
和 镗等 超 精 密 微 细 切
削 加 工 能 力, 机 床 共 有 x、 y、 z 和 C 四 轴,
可 实 现 四 轴 联 动。 同 时 为机 床 配 上 车 削 主 轴 后, x 轴 与 C 轴 可
图 2 微细零件加工机 床结构示意图
业的制造技术, 其中最为成熟的技术是硅各向异性刻 蚀 和 L IGA ( L ithograph ic S tructuring and G aivan ic Rep roduction ) 技术, 许多经 典 的 微型 机 械零 件 制造 的 成果, 基本上都是采用硅 各向异性 刻蚀或 LIGA 技术 完成的。 L IGA 技术存 在着许 多局限, 主要是 加工 材 料受 到很大 的限制; 其较 适合 二 维结 构和 小深 宽 比 的 三维结构 , 一般 加工 厚度 至多 只 有几 十微 米; 采 用牺 牲层刻 蚀技术 , 虽 然可 以实 现 准三 维加 工, 但 易使 材料产 生内应 力, 影响 最终 的 机械 性能 ; 设 备 造 价非常 昂 贵, L IGA 技术 利 用 高 准 直 度 的 X 射 线 光 源, 一般 要通过 同步 辐射 加速 器 得到, 造价 比 光
M ay 2011 V ol 39 No 10
DO I: 10. 3969 / j issn 1001 - 3881 2011 10 012
复杂曲面微细零件切削加工研究
王建平
(长沙航空职业技术学院, 湖南长沙 410124)
摘要: 微机电系统已成为 人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高 新技术。对于 微机电系统 , 更重要的是 微细零 件的制造和加工。通过对复杂曲面微细 零件的切削加工研究, 对微细零件加 工设备、加工 工艺、加工机 理及表面控 制等关 键技术进行了深入研 究。
作者将对超精密切削加工的机理、刀具选择、超 精密加工系统和超精密切削用量选择等微小零件的超
精密加工工艺进行较深入的分析和研究。
1 微细切削加工的特点 微细切削加工与普通切削加工比较, 由于切削时
切屑厚度的不同, 切削加工机理有很大的区别。假如 要用软钢切 削一 根直 径为 0 1 mm、精度 为 0 01 mm 的微细轴零件。加工中, 对于给定的要求, 只允许产 生 0 01 mm 切屑 的吃 刀深 度, 而 最后 精 加工 时, 吃 刀深度 要 小至 0 5 m。软 钢是 由 很多 晶 粒 组成 的, 晶粒大小为数微米, 这就意味着微细切削是在晶粒内 部进行的, 这时就要把晶粒作为一个一个的不连续体 来进行切削了。而对于普通切削加工, 吃刀深度大于 晶粒线度, 切削不必在晶粒中进行, 可以把被加工体 看成连续体。这就反映了微细切削加工与普通切削加 工的微观机理的截然不同。
刻 设备还 要高许多 , 一般 实验 室 负担 不 起。 相比 较 而 言, 微 细切削加 工具有 加工 范 围广 、设 备 成本 相 对 较低、 加工效 率 高、 相 关 技 术 研 究 成 熟 等 特 点。
而 且, 相 对 L IGA 技 术而 言, 微 细 切 削加 工 能 加 工 出 小尺寸 的真正 的 3维结 构工 件。 因此 , 开 展微 细 零 件切削 加工研究 , 将 对微 型机 械技 术 的发 展产 生 强 有力的 推动作用 。
K eyword s: Com plex shape m icrom iniature part; M icro-m ach in ing
随着科 学技 术特 别 是电 子与 光学 技 术的 迅猛 发
展, 微型机械将在未来的国防军事、航空航天以及信 息等诸多领域发挥越来越重要的作用, 比如微小侦察 飞机、微小卫 星、微陀 螺、微传 感器、微 机器人 等, 各种微型机械及相关技术的研究和应用日益受到各国
小而急剧增大, 因此, 运用微型制造系统来进行微细 切削加工的效果还有待进一步研究。常规尺寸的微小
零件加工机床可以利用现有的超精密加工技术的发展
成果, 研制 成 本较 小, 用 于微 细切 削 加工 的 效 果较 好, 因此, 国内外常规尺寸的微小零件加工机床取得
了长足的发展。
图 2是作 者自行
研 制的 微 小 零 件 加 工
并可以保持机床加工过程中的对称结构。
机床总体结构为龙门式加转台形式。采用这种对
称式龙门 框 架结 构, 其 驱动 都采 用 精密 滚珠 丝 杠驱 动。受机床的空间限制, 伺服转台与其伺服电机平行 放置, 利用同步带驱动。 3个直线轴的 位置检 测采用
用分 辨 率 为 1 m 的 光 栅 尺, 伺 服 电 机 采 用 日 本 Sanyo D enk i公司 生 产的 交流 伺服 电 机, 伺服 转 台利
WANG Jianp ing ( Chang sha A eronaut ica l Vocat iona l and T echn ica l Co llege, Changsha H unan 410124, China)
Abstrac t: M icro e lectrom echanical sy stem (M EM S) is a kind of h igh techno logy w ith wh ich people understand and change the ob jective wor ld from m icroscopic v iew. T oM EM S, the im po rtant ro le is the m anufacture and process ofm icro-parts. Through study ing the precision m ach in ing technics abou t comp lex shape m icrom in ia ture parts, the equipm ent, processing techno logy, processing pr inc-i p le, surface contro l we re deep ly stud ied.
因为微型制造 系统具 有能耗 少、体积 小的 特点, 在特定的环境下运用有其一定的优点, 例如在机动性 要求高的战地环境中。但是也有其自身的缺点, 如微 型制造系统技术 还不 成熟、研制 成本 比较高。 而且, 由微细切削加工特点可知, 微细零件加工并不是普通
零件加工的简单缩小, 单位切削力随着切削深度的减
关键词: 复杂曲面微细零 件; 微细 切削 中图分类号: T P391 73 文献标识码: A 文章编号: 1001- 3881 ( 2011) 10- 049- 3
S tudy on M ach in ing Techn ics of Com p lex Shape M icrom in iature Parts
图 4 偏刀形状
偏刀刀尖偏 离旋转 轴心 5 ~ 20 m, 这样 可以 避 免零切削速度, 同时更容易走屑。针对复杂型面零件 的加工, 将切削刃设计成 小于 90 圆 锥度的形 式, 这 样当刀具旋转时, 形成一个圆锥形的切削面。 4 加工参数的选择及加工结果
微细切削加工 中的吃 刀深度、 刀具的 刀尖 形状、 刀具半径及切削用量等, 对被加工零件的表面粗糙度 有直接影响。在理想的切削条件下, 刀具相对工件作 进给运动时, 在工件表面遗留下的残余面积生成了理 想的表 面粗 糙 度。其 最大 高 度 Rmax与刀 具 的几 何 形 状、进给量 f 的几何关系为:
收稿日期: 2010- 04- 22 作者简介: 王建 平 ( 1970 ), 工学 硕士, 副 教授, 研 究方 向为数 控技 术与应 用。电话: 15973185108, E - m a i:l jpw lx@
163 com。
50
机床与液压
第 39卷
另外, 微细切削加工与普通切削加工中的刀具所 受的切 削 力也 有 明 显差 别。 当吃 刀 深 度为 1 m 以 下、磨削软 钢时, 刀具 单位 面 积所 受 的切 削 阻力 极 大, 约为 1 3 104 M Pa, 如图 1所示, 接近了软钢的 理论剪切强度 1 4 104 M P a; 当吃刀深度为 50 m 左 右的微量铣削加工时, 刀具单位面积的切削阻力下降 为 1 0 103 M Pa左右; 当吃刀深度为 0 1 mm 的普通 切削加工时, 刀具单位面积的 切削阻力 下降为 200~ 300 M P a。因此, 微细切 削加工 的单 位从数 微米 到亚 微米级时, 刀刃会受到很大的应力作用, 使单位面积 上会产生很大的 热量, 导 致局部 极高 的温升。 因此, 微细切削加工从设备角度看, 要求刚度高、精度高和 微小进给, 刀具要求采用耐热性高、耐磨性强、高温 度和高强度的材料, 基本和超精密加工技术有相同的 要求。
微型机械是极其微小而精巧的机电合一的装置其特征之一是微机械元件的尺寸一般都比常规机械元件的尺寸小许多且构成这些微型机械的零件是各种各样而且纷繁复杂的要想使微型机械的性能真正地过关并达到实用的程度必须要尽快地提高微型机械的制造工艺与设备的水平
2011年 5月 第 39卷 第 10期
机床与液压
MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS
政府的重视。微型机械是极其微小而精巧的机电合一
的装置, 其特征之一是微机械元件的尺寸一般都比常 规机械元件的尺寸小许多, 且构成这些微型机械的零 件是各种各样而且纷繁复杂的, 要想使微型机械的性 能真正地过关并达到实用的程度, 必须要尽快地提高 微型机械的制造工艺与设备的水平。
目前微型机械零件的制造工艺较多运用微电子工
用同步感应器进行位置检测, 并组成全闭环伺服控制 系统。机床的床身与导轨材料采用泰山青花岗岩, 铣
头 采 用 日 本 NSK 的 气 动 高 速 铣 头, 其 转 速 可 达 20 000 r /m in。车削主轴 是北 京兴 航精 密主 轴部 件厂
生产的 液 体 静 压 主 轴, 其 轴 向 与 径 向 刚 度 都 达 到 200 N / m, 回转精度 轴向与径 向都达 到 0 1 m。机
图 1 加工软钢材料时吃刀深 度与 单位面积的剪切阻力关 系
2 微细切削加工机床 针对微细零件总体尺寸都 在数毫米 甚至 1 mm 以
下的特点, 国内外学 者提出了 微型 制造系 统的 概念。 微型制造系统是由低能耗的微型机床组成的集成制造 系统。 1991年日 本通 产省 工业科 技局 制 定的 一项 微 机械技术发 展 10 年 规划 中提 出了 微 型工 厂 的概 念。 到 1997年, 日 本机械技 术研究 所的北原 时雄发 布了 他所研制的微型 机床, 体积 为 32 mm 25 mm 30 5 mm, 质量为 100 g, 能加 工工 件长 度为 2 mm、最 小 直径为 60 m, 加工 工件圆 度为 2 5 m。 1998年 金 泽工业大学的米山 猛教授发 布了他 研制的 微型 机床, 其体积大约 30 mm 30 mm 50 mm, 可 加工 最小 直 径为 15 m, 而且这台微型机床上, 安装了复 合式刀 架, 可以实现 3个方向微细切削力的测量。
床底座使用空气减振器, 以隔离来自地面的振动和吸 收机床本身发生的振动, 使静态振幅衰减到纳米级。
3 超精密微切削刀具
对复杂的三维曲面进行加工时, 常常选用球头铣 刀, 刀具形状如图 3所示。
图 3 球头铣刀形状
第 10期
由于球头铣刀形状决定了其尺寸不可能做到足够 小, 因此可以用球头铣刀对尺寸相对较大的零件进行 加工或对尺寸很小的零件进行粗加工, 而对微细零件 的精加工时则选用偏刀, 其形状如图 4所示。
以组成 R- 型车床, 可以进行非球 面车削。机床 x 和 y向导轨的运动分辨率为 1 m, C 轴旋转工作台转动
分辨率为 2。在 铣削 加工 时 C 轴可 以作 为分 度 台使 用, 这样, C 轴既可在铣削时作为分度 转台使用, 又
可在车削时实现球面和非球面加工。另外, 利用伺服 转台机构还可以 充分利 用其高 精度、高 频响的 优点,
机 床 结 构 示 意 图。 该
机 床 具 备 铣、 车、 钻
和 镗等 超 精 密 微 细 切
削 加 工 能 力, 机 床 共 有 x、 y、 z 和 C 四 轴,
可 实 现 四 轴 联 动。 同 时 为机 床 配 上 车 削 主 轴 后, x 轴 与 C 轴 可
图 2 微细零件加工机 床结构示意图
业的制造技术, 其中最为成熟的技术是硅各向异性刻 蚀 和 L IGA ( L ithograph ic S tructuring and G aivan ic Rep roduction ) 技术, 许多经 典 的 微型 机 械零 件 制造 的 成果, 基本上都是采用硅 各向异性 刻蚀或 LIGA 技术 完成的。 L IGA 技术存 在着许 多局限, 主要是 加工 材 料受 到很大 的限制; 其较 适合 二 维结 构和 小深 宽 比 的 三维结构 , 一般 加工 厚度 至多 只 有几 十微 米; 采 用牺 牲层刻 蚀技术 , 虽 然可 以实 现 准三 维加 工, 但 易使 材料产 生内应 力, 影响 最终 的 机械 性能 ; 设 备 造 价非常 昂 贵, L IGA 技术 利 用 高 准 直 度 的 X 射 线 光 源, 一般 要通过 同步 辐射 加速 器 得到, 造价 比 光
M ay 2011 V ol 39 No 10
DO I: 10. 3969 / j issn 1001 - 3881 2011 10 012
复杂曲面微细零件切削加工研究
王建平
(长沙航空职业技术学院, 湖南长沙 410124)
摘要: 微机电系统已成为 人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高 新技术。对于 微机电系统 , 更重要的是 微细零 件的制造和加工。通过对复杂曲面微细 零件的切削加工研究, 对微细零件加 工设备、加工 工艺、加工机 理及表面控 制等关 键技术进行了深入研 究。
作者将对超精密切削加工的机理、刀具选择、超 精密加工系统和超精密切削用量选择等微小零件的超
精密加工工艺进行较深入的分析和研究。
1 微细切削加工的特点 微细切削加工与普通切削加工比较, 由于切削时
切屑厚度的不同, 切削加工机理有很大的区别。假如 要用软钢切 削一 根直 径为 0 1 mm、精度 为 0 01 mm 的微细轴零件。加工中, 对于给定的要求, 只允许产 生 0 01 mm 切屑 的吃 刀深 度, 而 最后 精 加工 时, 吃 刀深度 要 小至 0 5 m。软 钢是 由 很多 晶 粒 组成 的, 晶粒大小为数微米, 这就意味着微细切削是在晶粒内 部进行的, 这时就要把晶粒作为一个一个的不连续体 来进行切削了。而对于普通切削加工, 吃刀深度大于 晶粒线度, 切削不必在晶粒中进行, 可以把被加工体 看成连续体。这就反映了微细切削加工与普通切削加 工的微观机理的截然不同。