微細(xì)加工方法.doc

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1、微細(xì)銑削加工技術(shù)王翔（廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電系199201152779）摘要：由于微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)在微小零件加工中存在不足，微細(xì)銑削加工作為一項(xiàng)補(bǔ)充技術(shù)正在日益受到人們的重視。本文主要從微細(xì)銑削的發(fā)展背景；微細(xì)銑削的關(guān)鍵技術(shù)；微細(xì)銑削的機(jī)床系統(tǒng)和微細(xì)銑削的實(shí)驗(yàn)，針對(duì)特征尺寸在所謂中間尺度微小機(jī)械零件的微細(xì)銑削技術(shù)進(jìn)行了介紹。使讀者對(duì)微細(xì)銑削技術(shù)有一定的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：微細(xì)銑削；使能技術(shù)；機(jī)床系統(tǒng)；銑削的實(shí)驗(yàn)1前言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)在IT、醫(yī)療器械以及通訊領(lǐng)域，人們對(duì)微小型

2、零件(如：微型傳感器、微型加速度計(jì)、微透鏡陣列等)的需求日益增加。這種需求的增加促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展。在目前的多種微細(xì)加工技術(shù)中，微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)一直是主流技術(shù)之一。由于MEMS技術(shù)衍生于微電子技術(shù)，它的主要加工對(duì)象被限制在硅基材料上，并且工件的幾何形狀基本上是簡(jiǎn)單的二維形狀，因而只有在大規(guī)模集成電路的批量制造等方面才是經(jīng)濟(jì)的。微細(xì)切削加工技術(shù)，特別是微細(xì)銑削作為MEMS技術(shù)的補(bǔ)充，由于其幾乎不受加工對(duì)象材料和幾何形狀的限制而受到研究人員的重視，正在成為微細(xì)加工技術(shù)中的新生力量。近年

3、來(lái)，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法而進(jìn)行微細(xì)制造的研究越來(lái)越受到人們的重視，針對(duì)特征尺寸在所謂中間尺度微小機(jī)械零件的微細(xì)切削制造成為一大研究熱點(diǎn)，其原因是機(jī)加工具有幾大優(yōu)勢(shì)：1加工精度高；2生產(chǎn)效率高、靈活；3能加工任意三維特征的零件；4能加工包括鋼在內(nèi)的多種材料；2微細(xì)銑削關(guān)鍵使能技術(shù)微細(xì)銑削是一種加工能力強(qiáng)、成形精度高的微小零件機(jī)械加工方式,使用CNC加工中心可實(shí)現(xiàn)2D,215D簡(jiǎn)單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微細(xì)加工.中間尺度微細(xì)銑削加工涵蓋了多種關(guān)鍵性使能技術(shù),如微細(xì)銑削裝備、微細(xì)銑削刀具、計(jì)量、微小零件的裝夾與操作、中間尺度微細(xì)銑削加工機(jī)理、表面拋光等

4、,以下逐一分析論述.2.1微細(xì)銑削裝備高性能微細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是開(kāi)展微細(xì)銑削研究的最重要環(huán)節(jié).機(jī)床的性能主要與主軸、伺服工作臺(tái)和控制系統(tǒng)有關(guān),微細(xì)銑削所用刀具的直徑非常小,為了達(dá)到加工所需的理論切削線速度,微細(xì)銑削機(jī)床主軸應(yīng)同時(shí)具有高回轉(zhuǎn)精度及高轉(zhuǎn)速,這就需要先進(jìn)的電主軸和空氣軸承作為技術(shù)設(shè)備支撐.為了獲得高的定位精度,微細(xì)銑削機(jī)床工作臺(tái)一般采用精密滑臺(tái)加直接驅(qū)動(dòng)的形式,在保證導(dǎo)軌直線度的同時(shí)消除普通滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式具有的間隙誤差.控制上需采用全閉環(huán)控制方式,配置高精度的光柵尺,機(jī)床工作臺(tái)的定位精度達(dá)到1μm以內(nèi).2.2微細(xì)銑削刀具微細(xì)銑削加工對(duì)

5、刀具提出很高要求,也是制約微細(xì)銑削技術(shù)應(yīng)用的重要因素.刀具幾何制約加工特征尺寸,刀具受力制約工藝參數(shù)優(yōu)化和加工效率,刀具磨損和刀具壽命制約微細(xì)銑削加工的實(shí)用性.因此,要實(shí)現(xiàn)微細(xì)制造技術(shù)的推廣應(yīng)用,必須針對(duì)刀具開(kāi)展研究,綜合考慮刀具幾何、切削過(guò)程刀具受力、刀具柔性等因素,開(kāi)展刀具制造、刀具磨損、刀具壽命等研究,這是微細(xì)銑削研究的關(guān)鍵問(wèn)題.2.3　計(jì)量微細(xì)銑削技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中,對(duì)微小零件尺寸和表面質(zhì)量的測(cè)量技術(shù)必不可少,如光干涉儀測(cè)量、掃描探針顯微鏡(SPM)、電子束聚焦比較儀測(cè)量等技術(shù).另外用于過(guò)程反饋和控制的內(nèi)置傳感技術(shù)也是微細(xì)銑削技術(shù)研究中的一項(xiàng)

6、重要使能技術(shù),如微力測(cè)量、內(nèi)置應(yīng)變儀測(cè)量、微變形測(cè)量等技術(shù).2.4　零件的裝夾與操作絕大多數(shù)常規(guī)的夾具和操作方法不適合于中間尺度微小零件的加工、裝配和輸送,這包括零件在設(shè)備上的定位與夾緊、零件從一個(gè)設(shè)備到其他設(shè)備之間的搬運(yùn)、零件的收集以及不同零件之間的連接和裝配.因此,零件的裝夾與操作是關(guān)鍵的必要條件,應(yīng)盡可能地做到最小化.2.5中間尺度微細(xì)銑削加工機(jī)理微細(xì)銑削加工機(jī)理研究對(duì)于合理選擇切削參數(shù)、保證微細(xì)銑削加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率意義重大.工件材料力學(xué)性能是開(kāi)展機(jī)理研究的基礎(chǔ),建立工件材料本構(gòu)關(guān)系描述尺度的影響,采用有限元法對(duì)微切削過(guò)程進(jìn)行

7、建模,可揭示尺度效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理.工件材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)微細(xì)切削過(guò)程有顯著的影響,這就需要開(kāi)展對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)與描述以及晶粒力學(xué)性能建模等方面的研究.2.6表面拋光由于銑削特性限制了零件加工表面光潔度,因此對(duì)表面質(zhì)量要求高的微小零件需采用去毛刺和表面拋光技術(shù),其關(guān)鍵是了解不同的拋光技術(shù)對(duì)中間尺度微小零件亞表面損傷的影響3微細(xì)銑削機(jī)床系統(tǒng)自行研制的小型數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)微銑床的實(shí)物及結(jié)構(gòu)原理圖分別如圖1所示.系統(tǒng)采用立式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu),包括水平面上的X,Y二維工作臺(tái)和垂直的Z向主軸安裝滑臺(tái),本體尺寸為300mm×400mm×500mm,工作空間為50mm×50mm

8、×40mm.系統(tǒng)工作平臺(tái)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)交叉滾柱支撐導(dǎo)軌的二維滑臺(tái)結(jié)構(gòu),導(dǎo)軌直線度為±0.1μm/25mm;