微細加工方法

1、微細加工方法微細銃削加工技術 王翔（廈門大學 物理與機電工程學院 機電系 199201152779）摘要：由于微機電系統(tǒng) （MicroElectroMechanicalSystem , MEM顯微小 零件加工中存在不足，微細銃削加工作為一項補 充技術正在日益受到人們的重視。 本文主要從微 細銃削的發(fā)展背景；微細銃削的關鍵技術；微細 銃削的機床系統(tǒng)和微細銃削的實驗，針對特征尺 寸在10104 m所謂中間尺度微小機械零件的微細 銃削技術進行了介紹。使讀者對微細銃削技術有 一定的認識。關鍵詞：微細銃削；使能技術；機床系統(tǒng)；銃削 的實驗1前言:隨著科學技術的發(fā)展，近年來在 IT、醫(yī)療 器械以及通訊領域

2、，人們對微小型零件（如：微 型傳感器、微型加速度計、微透鏡陣列等 ）的需 求日益增加。這種需求的增加促進了微細加工技術的發(fā)展在目前的多種微細加工技術中，微機電系統(tǒng) (MicroElectroMechanicalSystem , MEMSy直是 主流技術之一。由于MEM暇術衍生于微電子技 術，它的主要加工對象被限制在硅基材料上，并且工件的幾何形狀基本上是簡單的二維形狀，因 而只有在大規(guī)模集成電路的批量制造等方面才 是經濟的。微細切削加工技術，特別是微細銃削 作為MEM聯術的補充，由于其幾乎不受加工對 象材料和幾何形狀的限制而受到研究人員的重 視，正在成為微細加工技術中的新生力量。近年來，采用傳統(tǒng)

3、的機械加工方法而進行微 細制造的研究越來越受到人們的重視， 針對特征 尺寸在10 104 m所謂中間尺度微小機械零件的微 細切削制造成為一大研究熱點，其原因是機加工 具有幾大優(yōu)勢：1加工精度高；2生產效率高、靈活；3能加工任意三維特征的零件；4能加工包括鋼在內的多種材料；2微細銃削關鍵使能技術微細銃削是一種加工能力強、成形精度高的微小零件機械加工方式，使用CNCJ口工中心可實現2D, 215D簡單特征到復雜3D曲面零件的微細加工. 中間尺度微細銃削加工涵蓋了多種關鍵性使能 技術，如微細銃削裝備、微細銃削刀具、計量、 微小零件的裝夾與操作、中間尺度微細銃削加工 機理、表面拋光等，以下逐一分析論述

4、.微細銃削裝備高性能微細銃削機床系統(tǒng)的開發(fā)是開展微細銃 削研究的最重要環(huán)節(jié).機床的性能主要與主軸、 伺服工作臺和控制系統(tǒng)有關，微細銃削所用刀具 的直徑非常小，為了達到加工所需的理論切削線 速度，微細銃削機床主軸應同時具有高回轉精度 及高轉速，這就需要先進的電主軸和空氣軸承作 為技術設備支撐.為了獲得高的定位精度，微細 銃削機床工作臺一般采用精密滑臺加直接驅動 的形式，在保證導軌直線度的同時消除普通滾珠 絲杠驅動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，機床工 作臺的定位精度達到1m以內.微細銃削刀具微細銃削加工對刀具提出很高要求，也是制約微 細銃削技術應用的重要因素

5、.刀具幾何制約加工特征尺寸，刀具受力制約工藝參數優(yōu)化和加工 效率，刀具磨損和刀具壽命制約微細銃削加工的 實用性.因此,要實現微細制造技術的推廣應用 必須針對刀具開展研究，綜合考慮刀具幾何、切 削過程刀具受力、刀具柔性等因素，開展刀具制 造、刀具磨損、刀具壽命等研究，這是微細銃削 研究的關鍵問題.計量微細銃削技術的實現與應用中，對微小零件尺寸 和表面質量的測量技術必不可少，如光干涉儀測 量、掃描探針顯微鏡（SPM）、電子束聚焦比較儀 測量等技術.另外用于過程反饋和控制的內置 傳感技術也是微細銃削技術研究中的一項重要 使能技術，如微力測量、內置應變儀測量、微變 形測量等技術.零件的裝夾與操作絕大多

6、數常規(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 在設備上的定位與夾緊、零件從一個設備到其他 設備之間的搬運、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鍵 的必要條件，應盡可能地做到最小化.中間尺度微細銃削加工機理微細銃削加工機理研究對于合理選擇切削參數、 保證微細銃削加工質量、降低生產成本和提高生 產率意義重大.工件材料力學性能是開展機理 研究的基礎，建立工件材料本構關系描述尺度的 影響，采用有限元法對微切削過程進行建模，可揭示尺度效應產生的機理.工件材料的微觀結 構對微細切削過程有顯著的影響，這就需要開展 對材料微觀結構觀測與描述以及晶

7、粒力學性能 建模等方面的研究.表面拋光由于銃削特性限制了零件加工表面光潔度，因此 對表面質量要求高的微小零件需采用去毛刺和 表面拋光技術，其關鍵是了解不同的拋光技術對 中間尺度微小零件亞表面損傷的影響3微細銃削機床系統(tǒng)自行研制的小型數控三軸聯動微銃床的實物及 結構原理圖分別如圖1所示.系統(tǒng)采用立式三 坐標結構，包括水平面上的X, Y二維工作臺和垂 直的Z向主軸安裝滑臺,本體尺寸為300m降 400m睇 500mm工作空間為 50mm20切削深度小m20每齒進給量/PinL 19使用Talor Hobson Form120表面粗糙度輪廓儀 (分辨率015nm測得表面粗糙度Ra值為215 nm.圖

8、3為根據采樣數據，利用Matlab繪制的一 段工件表面形貌軌跡曲線，采樣長度為12以m,測 量步距2nm,每齒進給量214 pm.。圖3平面微細銃削表面粗糙度軌跡特征曲線微直梢銃削實驗實驗目的為考察機床在一維方向上的加工精度 以及對大深寬比微小零件的加工性能.直槽微 細銃削加工材料為工業(yè)硬鋁LY12,實驗中采用的 各項工藝參數如表2所示.表2直槽微細銃削實驗參數表參數取值 TOC o 1-5 h z 刀具直徑(球頭)，mm0.2上軸轉速/(IO, r*mm1)4 2進給速度，(mm , min 1 )10Z向吃刀星:】10微直槽橫截面結構示意圖及 CCD顯微觀測實物 圖如圖4所示.利用顯微分析

9、軟件得到的圖像 測量結果顯示，加工尺寸誤差在12以m以內, 經分析誤差成因主要是主軸徑向跳動。薄甲跳檢橫岐|航站相小意倒圖4微直槽銃削實驗5結語利用傳統(tǒng)機械加工的靈活優(yōu)勢并結合微細加工 的特點，開發(fā)適于微細切削的加工設備已成為微 細加工領域的一大趨勢.在自主構建的小型數 控銃床上，根據多種實驗目的，針對不同結構微 小零件進行銃削加工，分析結果充分顯示了該銃 床已經具備對中間尺度三維微小零件微細銃削 加工能力.今后，將通過對微細切削加工的尺寸 特征、工藝參數、材料特性及環(huán)境影響等相關因 素的深入研究，逐漸摸索微細切削加工新工藝.參考文獻WeckM, FischerS, VosM. Fabrica

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