精密微小型制造理

精密微小型制造理论、技术及其应用1 精密微小型数控高转速多轴复合加工技术:1.1 技术发展目前国际上精密微小型机械加工技术发展主要有以下几个特点：(1) 高转速数控微切削加工技术，主要解决微小型结构件切削速度问题。

如德国卡尔斯鲁厄大学(WBK)研制的用于微小型制造的微米级精度铣床，三轴联动主轴的最高转速为1.6×105 r/min；WBK 还和Kugler 公司共同研制的亚微米级微加工铣床，其光栅尺分辨率为50 nm，主轴转速为1.6×105 r/min。

国内哈尔滨工业大学在超精密微切削理论和技术研究方面取得了多项成果。

(2) 可重构多种工艺复合加工设备与工艺技术。

可重构机床技术是在可重构这种全新制造模式下发展起来的制造技术。

通过提高机床自身的变化能力，它使研发和生产单位对快速多变的产品需求具有快速的响应能力，如德国INDEX 公司开发的可重配置机床通过配置不同的加工单元，能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削和激光热处理等多种工艺的加工。

(3) 多种工艺复合的完整加工技术。

完整加工[6]是指在1 台机床上经过一次装夹能加工完1 零件的所有工序，有时也可能需要2 台机床，所以也称为综合加工或复合加工。

这是微小型结构件加工技术发展的主要方向。

1.2 高转速数控精密微小型车铣复合加工技术车铣加工是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现回转体工件的切削加工任务，达到常规的“车削”目的，使工件在形状精度、位置精度、已加工表面完整性等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。

1.2.1 微小型车铣加工切削速度分析车铣加工技术不是车削与铣削的简单结合，而是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种新的切削理论和切削技术。

近几年来，国际上车铣复合加工技术发展很快，针对大中型结构件加工的车铣复合加工设备已经面市。

北京理工大学通过研究微小型引信结构件加工技术，提出高转速精密微小型车铣复合加工技术，从理论上和实践上说明该项技术是精密微小型结构件加工的主流技术，并研制成国际上首台高转速数控车铣复合加工中心。

高转速微小型车铣能在工件低速旋转的情况下，实现微小型零件的正常速度或高速加工。

由于车铣加工中切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此，只要铣刀具有足够高的转速就可实现较高速度切削，而工件则只需低速回转。

即使不考虑车削主轴转速只考虑铣削，切削速度的表达式为v c = R mωm = πD m n m (1)式中ωm、D m、R m、n m 分别表示端面立铣刀的角速度、直径、半径和转速。

1.2.2 微小型车铣切削力分析切削力大小。

在微小型车铣切削过程中，单齿瞬时切削力在整个切削过程中都是一个变化量，圆周刃是其主切削刃，其切削力决定主切削力的最大值，且切削力与铣车转速比、铣刀齿数有关。

1.2.3 微小型零件的完整加工由于车铣加工中心的结构特点——具有x、y、z、c 四轴或五轴(增加b 轴)，且一般3～5 轴可联动，故在一台车铣加工中心上可实现车、铣、钻和镗等多工序一次装夹的完整加工。

完整加工可降低因频繁更换机床、夹具等而带来的高成本，并缩短加工的生产周期，提高加工精度和效率。

对于微小型零件来说，若频繁更换机床及夹具，则会因其体积小而很容易造成丢失和损坏，且因功能面小而产生重新定位夹紧不可靠、易变形的结果，所以完整加工尤显重要。

由于微小型零件的完整加工时，在一台机床上使用很多加工方法，从而涉及很多加工工序，其中某些工序可能有严格的先后关系，或某些工序的排序可以进行优化从而在保证精度前提下降低成本。

所以在研究微小型零件完整加工工艺时必须要进行工艺优化的研究。

1.3 应用在微小型车铣加工中心上进行了微细、异型轴类，三维复杂结构件，薄板、壳体等微小型零件等的加工试验，为航空航天领域及其他领域中机械部件的微小型化的发展提供了技术支持。

2 高频/超高频群脉冲微细电化学加工技术2.1 技术发展脉冲电化学加工(PECM)技术是20 世纪80 年代发展起来的一种新的电化学加工技术，其后又出现了高频群脉冲电化学加工(HGPECM)的概念和超高频电化学加工技术的研究。

较为系统全面的主要集中在美国尼布拉斯加·林肯(Nebraska-Lincoln)大学的RAJURKAR、波兰华沙工业大学的KOZAK 和英国爱丁堡(Edinburgh)大学的GEOUGH 和MOUNTA等学者。

KOZAK 和RAJURKAR 较为完整地研究了PECM 的间隙流场特性及其与加工工艺间的关系。

脉冲频率增加和极间间隙的不断减小，是加工尺寸精度进一步提高的保证。

KOCK 则在试验中发现超短脉冲可以使电化学微制造可以得到更高精度，加工微型机械的精度可达到几个微米。

日本大阪大学的学者YUZO MORI等发现用特定的催化剂将纯水中的氢氧基分离出来用以加工微小型零件的平面，成功地在纳米尺度上去除金属材料，得到超平坦和超光滑的平面。

20 世纪80 年代初，南京航空航天大学电加工专家余承业教授首先关观察到了PECM 中阴阳极间隙的压力波和反向电流现象，并全面阐述了其生成原因和对工艺的影响作用。

北京理工大学在脉冲电化学加工理论的基础上提出并实现了大功率的高频、群脉冲电化学微细加工技术。

即在大幅度提高主脉冲频率的同时，对主脉冲信号进行了调制。

其主要作用是在两极之间形成具有瞬态作用的压力波和反向电流，改善极间流场分布状态、减弱阳极钝化作用，从而可达到减小极间间隙、提高工质量的作用。

2.2 基本理论2.2.1 基本原理HGPECM 加工用电源电压信号如图12 所示，其中T on、T off 分别表示主脉冲信号的脉宽和脉间，t on、t off 分别表示调制脉冲信号的脉宽和脉间。

2.2.2 极间间隙极间间隙的大小直接影响着加工零件的形状和尺寸精度，极间间隙越小，加工精度越高。

对HGPECM 加工而言，发现主频率f 与极间间隙δ有如下关系：f= v /(y +δ−A/v )(4)式中v ——阴极进给速度y ——工件的电解量A ——一个电解常数，为电导率、体积电化学当量和极间电压之积从上式可以看到，主脉冲频率越高、极间间隙越小。

2.2.2 HGPECM 的压力波在脉冲电化学加工中，阴极有氢气析出，阳极除了金属的溶解外，也会发生氢气、氧气和氯气等气体析出的副反应。

产生的气体逐渐增多并聚集，因此要求加工间隙中的电解液流出让空间。

气泡在长大过程中压力增大，而在液流的作用下，气泡表现出弹性，于是液流的惯性和气体的弹性构成了一个振荡系统。

而在脉冲下降沿，突然停止产生气体，气泡压力增加也突然停止，而液流惯性未变，这两方面的作用造成气泡压力和液流惯性间的平衡被打破，于是气泡破裂产生强烈的冲击波和高速的微射流，形成的压力波对电解液起到强烈的搅拌作用。

在气泡所蕴含的一定能量中，脉冲频率越高，脉冲的下降沿越迅速，表示其作用时间越短，其释放的冲击力也越大，压力波的搅拌作用也越充分。

压力波现象有利于防止空穴现象和涡流区、死水区的产生；有利于改善极间流场的物理化学性质，从而获得良好的加工条件，提高了电化学加工精度。

对加工间隙中流过的气液两相流，假设：电解质液流温度恒定，产生的氢气符合理想气体绝热方程。

那么把气泡内的氢气看作可压缩性流体，气泡内的气体振动可以用波动方程来描述。

3 计算机显微检测技术3.1 技术的发展从20 世纪80 年代以来，计算机显微检测技术获得了蓬勃发展，新方法不断涌现，在各个方面得到了广泛的应用。

1997 年，LIAO 等将CCD 摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate measuring machine，CMM)上，实现了三维坐标的自动测量。

日本在计算机显微检测方面处于领先地位。

从20 世纪90 年代初日本开始投入大量资金和人力，以工业技术研究院、东京大学为首，联合多所大学、公司和研究所，在微小型检测技术的研究开发方面取得了显著的成果和应用。

日本三丰公司开发的QUICK VISION 系列检测机，检测精度可达2 μm。

意大利LTF S.P.A.公司的研制的显微检测系统，检测精度可达2.5 μm。

美国OGP 公司研制的智能检测系统精度可达2 μm。

国内的视觉检测研究近几年有了很大的发展。

以天津大学和清华大学等高校为代表，在显微图像的测量和识别方面取得了一定的成果。

3.2 几个关键技术的研究3.2.1 计算机显微检测中的工艺匹配原则上述计算机显微检测技术研究成果在用于微小型结构件检测时存在一个共同的问题即不同工艺方法所加工得到的结构件边缘的光学特征是不同的、而且其各自的光学特征与零件边缘的映射关系也不同，进一步讲，边缘光学特征识别以及边缘点准确提取、微小型零件上下边缘以及边缘毛刺的识别、微小型结构件的几何形状识别等问题，必须与具体的工艺方法及其过程相结合。

3.2.2 微小型零件边缘毛刺的识别微小型零件边缘图像是由具有明显统计特征的微小型零件本体边缘和不具统计特征的微小型零件边缘毛刺、凸起等微观随机边缘两部分组成。

微小型零件图像上零件的本体部分边缘为圆弧、直线等规则曲线，毛刺、凸起和缺陷等微观随机边缘为不规则曲线。

由于微小型零件检测系统都采用显微镜作为成像的光学元件，显微镜的放大倍数大、景深小，所以通过采用自动逐点对焦的和轮廓曲线差分的方法识别毛刺。

同时，须通过大量工艺试验和计算，建立针对不同工艺、材料的毛刺描述的数学模型和边缘快速识别方法。

3.2.3 具有统计特征的微小型零件边缘检测方法运用基于分形理论的宏观图像处理方法，先根据分形特征确定出图像中的边缘区域，然后根据边缘区域中垂直于边缘方向灰度值的分布规律，利用差值的方法进行局部边缘检测。

最后将识别出的边缘点进行最小二乘拟合，得到微小型零件的边缘。

这种宏观检测和微观检测相结合的方法能够准确识别出具有统计特征的微小型零件的边缘。

检测结果。

3.3 计算机显微检测技术的应用计算机显微检测技术的应用如下。

(1) 三维测量。

计算机显微测量只能测量微小型零件的二维尺寸，采用接触式和非接触式综合测量的方法，能够准确地测量出微小型零件的三维尺寸。

平面方向上采用图像测量的方法，厚度方向用十万分之一表接触式测量，精度可以达到0.1 μm，能够满足测量精度的要求。

(2) 宏微结合的大范围测量。

计算机显微检测系统为了使测量精度尽可能高，一般都采用显微镜成像，视场小、测量范围小。

采用机械式和光学测量相结合的方法，兼顾了测量范围和精度，对于在视场范围内的零件，光学测量。

超出视场的零件，自动移动固定零件的工作台，并用高分辨率光栅尺记录工作台的坐标位置，将光学测量得到的数据和光栅尺反馈的数据融合，最终得到零件的尺寸。