論銑車復(fù)合加工的微小結(jié)構(gòu)件工藝線路研究

論銑車復(fù)合加工的微小結(jié)構(gòu)件工藝線路研究※作者簡介：遲堯林，男，1971-11，山東濰坊人，本科畢業(yè)，碩士學(xué)位，山東科技職業(yè)學(xué)院講師，研究方向：機械設(shè)計與制造。

遲堯林

（山東科技職業(yè)學(xué)院山東濰坊市261053）

OnMill-processingofmicro-structuralprocesslines

ChiYaoLin

(ShandongVocationalCollegeofScience&TechnologyWeifangCityofShandong261053)

摘要：隨著科技高速發(fā)展，銑車復(fù)合加工也遇到了新機遇與新挑戰(zhàn)。在這種形勢下，銑車復(fù)合加工必須要探索新的工藝路線。相比之下，微小型的結(jié)構(gòu)件加工尤為困難，目前使用微細(xì)切削加工工藝表現(xiàn)出較好的成本優(yōu)勢與工藝優(yōu)勢。較多相關(guān)人士都在研究微小結(jié)構(gòu)件的工藝路線，且取得了不同程度的成績。本文對上述幾類結(jié)構(gòu)件的加工過程和工藝特征進行分析，總結(jié)出了在加工過程中工具的選用方法，并進行了銑車復(fù)合加工論述。

關(guān)鍵詞：精密微細(xì)切削；加工工藝；微小結(jié)構(gòu)件；復(fù)合加工

0引言

對于微型的機械結(jié)構(gòu)或者機電系統(tǒng)，其整體尺寸多數(shù)保持在厘米級別。因此需要采用微小結(jié)構(gòu)件裝配組合。如今，小型系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用快速推進，加大了微小結(jié)構(gòu)件需求，產(chǎn)品量、材料種類的多樣性也在持續(xù)增加，其中更是提出了復(fù)雜、異形和高強度的加工要求，對于起源于半導(dǎo)體集成電路加工工藝的制作技術(shù)，在這些要求面前，顯得力不從心。而微細(xì)切削技術(shù)，則延續(xù)了傳統(tǒng)的加工工藝，具備更好的工藝和成本優(yōu)勢。

在加工微小型結(jié)構(gòu)件之時工，大多數(shù)采取了數(shù)控機床實施操作。由于其尺寸要求與常規(guī)零部件相比更加微小，如果不對常規(guī)工藝進行改良，甚至無法保證部件的尺寸要求。在這種形勢下，就需要進一步研究微小型的結(jié)構(gòu)件加工工藝，探析其工藝特征并進行分析與總結(jié)，然后根據(jù)這些要求來選用刀具與機床。

1微小結(jié)構(gòu)件的工藝特征分析

對于微小型的結(jié)構(gòu)件而言，它的整體尺度都十分小，普遍都屬于毫米級別；其次，許多微小結(jié)構(gòu)件的自身結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，經(jīng)常在局部存在異形。一般情況下，都要按照對加工工藝提出的要求特征進行分類，大體上可以分為軸類零件、三維結(jié)構(gòu)件、齒輪以及板類。事實上，不同分類都具有自己獨特工藝特征以及獨自的加工方式。

對于三維結(jié)構(gòu)件，它通常需要作為微小產(chǎn)品的基礎(chǔ)，在其上進行其它微小零件的安裝，因此它的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，加工難度大。具備較大的深寬比，有多種臺階、薄壁和微孔，對于位置精度要求也極高。所以當(dāng)加工中需要用刀微小型的數(shù)控機床，同時最好使用完整的加工工藝。典型的三維結(jié)構(gòu)件如下圖所示：

圖1三維微小型的結(jié)構(gòu)件

對于軸類零件，在車削加工時，由于徑向力的作用，常常產(chǎn)生變形和翹尾，難以滿足產(chǎn)品需求。對此，采用由車削和銑削主軸共同作用的微細(xì)車銑加工可以解決這個問題。這種加工方式由于采用了多刃切削，其徑向力更小，可以加工更長的微細(xì)軸。下圖中，將車削與車銑加工所得的產(chǎn)品進行了比對，可以明顯看出，車削加工的產(chǎn)品產(chǎn)生了翹尾。

（b）微細(xì)車削加工的細(xì)長軸

（a）車削細(xì)長軸的翹尾現(xiàn)象

圖2車削和車銑細(xì)長軸之間的對比

微小齒輪和板類構(gòu)件相對而言較為簡單，其中板類構(gòu)件以平面為主，可能具備臺階面和微孔等細(xì)節(jié)，通常鉆削和銑削足以滿足其加工要求；而對于齒輪部件，直接關(guān)系到裝配和咬合的齒形部分，是加工的重點和難點。在這里，銑削由于震動和夾裝方式的問題，容易導(dǎo)致齒形失真；而滾削方式則在這方面具有更好的適應(yīng)性。下圖中，就是通過兩種不同加工方法得出實物圖，進行對比展示。

（b）滾削加工的齒輪

（a）微細(xì)銑削加工的齒輪

圖4微小齒輪

1.1加工設(shè)備

基于以上多種部件加工的要求，采用了微小型車銑復(fù)合加工中心。它同時具備了車銑復(fù)合加工，以及鉆、磨、車、銑的加工能力，足以滿足諸多小型零結(jié)構(gòu)件的加工要求，可以實現(xiàn)大多數(shù)微小結(jié)構(gòu)件的完整加工。需要加工中心具備安裝車刀刀座的空間，這樣在使用時，刀具和主軸可以通過進行合理的配置，節(jié)省對刀和換刀的輔助時間。

加工微小結(jié)構(gòu)件的機床，一般自身的尺寸也較小，整體要求剛性好，工作平穩(wěn)且加工精度高。在較大負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速下，也能滿足高可靠性的要求；同時，要求操作系統(tǒng)響應(yīng)快，給進機構(gòu)精確度足夠高，可以精確控制加工過程。

在本文中，以哈工大所研制的三軸微小型立式銑床為例進行說明。該加工中心的主軸轉(zhuǎn)速可達到160000rpm，驅(qū)動系統(tǒng)重定位精度達到0.25微米，采用全閉環(huán)控制，如下圖所示。

圖5哈工大立式銑床和附屬設(shè)備

1.2加工刀具及工藝參數(shù)

對于刀具的材料，不能隨意選擇，需要依照加工工件自身的材料來選擇，才具有實現(xiàn)加工的效果。一般情況下，在進行微小型結(jié)構(gòu)件加工之時，比較常用道具材料有金剛石、硬質(zhì)合金、陶瓷刀、高速工具鋼等等。刀具的尺寸也需要根據(jù)實際情況進行合理的選擇，需要考慮到裝夾方便和加工的要求；安裝的時候，一定要滿足于精工能力，這是前提條件，然后要盡可能的縮減沒有必要的懸伸量。

以材料牌號標(biāo)注為KW10的硬質(zhì)合金刀為例，該材料相當(dāng)于國產(chǎn)牌號中的YG6。刀尖的圓弧半徑根據(jù)零件精度和結(jié)構(gòu)的要求，可以選擇0.03mm、0.1mm和0.2mm的刀具。對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖如下。

（a）微細(xì)車刀結(jié)構(gòu)示意圖

（b）微細(xì)車刀參數(shù)

圖6KW10硬質(zhì)合金車刀結(jié)構(gòu)和參數(shù)

根據(jù)刀具和加工材料，可以計算得到最佳的參數(shù)。該合金車刀的切削速度范圍在100~200m/min，背吃刀量在0.05~0.5mm，進給速度的取值范圍可在0.02～0.2mm/rev。

微細(xì)鉆頭和銑刀可以選擇W18Cr4V的整體高速鋼刀具，根據(jù)實際條件從0.1~1.0mm直徑的刀具中作出適當(dāng)?shù)娜∩帷?/p>

在微細(xì)切削中，經(jīng)過切斷刀的加工，直接獲得微細(xì)槽；而在小型零件切斷后，也將直接作為加工的表面。所以，切斷刀的精度要求極高。

2微小結(jié)構(gòu)的加工

下圖展示了一個取自鐘表機構(gòu)的微小結(jié)構(gòu)件?？梢钥闯?，這個結(jié)構(gòu)件具備明顯的三位特征和復(fù)雜外形，存在多個臺階面方便裝配其它的微小零部件。該結(jié)構(gòu)件上存在若干不同直徑的孔，這些孔之間的相對位置要求可以達到極高的精度。為了與其它部件的銜接，需要在孔內(nèi)加工出螺紋。

圖7鐘表的微小結(jié)構(gòu)件

對于微小型結(jié)構(gòu)件，其加工工藝的基本要求是提高加工精度。為此，需要保證盡量少的刀具種類，盡量減少裝夾的次數(shù)，通過合理安排工序，優(yōu)化刀具的運動路徑等方式來避免和減少機床驅(qū)動部分的誤差累積。主要的加工工序分為備料、車料、銑臺階、鉆孔、檢驗、銑外形、檢驗和理化，各工序均有一定的工藝要求，如下表所示。

表一：加工工藝表

序號

工序

工藝要求

1

備料

28×100料一根

2

車料

棱邊倒鈍

3

銑臺階

鉆定位孔07和08，以此定位正面各臺階；鉆0、2、3、4各孔中心，以7、8孔定位，銑R2.2臺階；鉆1、5號孔中心

4

鉆孔

鉆孔及兩沉頭孔。絞孔，攻絲。倒鈍孔邊

5

檢驗

檢驗孔徑和位置等

6

銑外形

使用7、8定位孔，定位并銑外形

7

檢驗

使用0、5孔作為基準(zhǔn)，投影放大十倍，檢驗外形和尺寸

8

理化

鈍化處理

圖8加工所得的成品

圖8展示了依照上述過程加工完成后得到的成品。從上述路線可以看出，這個微小型結(jié)構(gòu)件可以作為一個典型，充分利用了加工中心的各種加工功能，經(jīng)過了一次裝夾之后，就能夠做完絕大部分加工的工序，進而來實現(xiàn)整個加工，就能夠節(jié)省出大量輔助時間，才能夠提高加工效率與精度。在實際運作中，可以根據(jù)零件的不同，通過更換刀具能夠快速實現(xiàn)工藝路線的調(diào)整和改變，完成小量多品種的加工工作。

3微小結(jié)構(gòu)件切削加工的工藝應(yīng)用

當(dāng)下，微型化和精密化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件廣泛應(yīng)用，這些產(chǎn)品都需要通過微細(xì)加工的方法來完成，而其中最經(jīng)濟和最實用的加工方法則是微細(xì)切削加工。這種方法主要運用在金屬零件的加工過程中。

3.1微小結(jié)構(gòu)件切削加工實驗設(shè)備及刀具

如前文提到的，微小結(jié)構(gòu)件的加工設(shè)備依然沿用了哈工大所研制的三軸微小型立式銑床。為了保證工作的精度，在同一臺機床上，平行和垂直于車削主軸方向都配置了銑削和鉆削主軸。

3.2微小結(jié)構(gòu)件的加工工藝特點

微小型結(jié)構(gòu)件，其加工過程特點是工序高度集約化。為了保證精度，減少累計誤差，完整加工是必然的選擇。對于同一個零件，其加工工序盡量在同一臺機床上使用盡量少的次數(shù)完成。通過減少重定位和重裝夾，不僅減少了工序轉(zhuǎn)換所占用的輔助時間，更減少了中間輔助環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)鏈，極大地提高了生產(chǎn)效率；也降低了設(shè)備和工作場地的需求，提升設(shè)備的利用率，從而減少成本。最重要的是，采用這種方法，對于加工質(zhì)量也是一種保障。

3.2.1微小結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征

精密微細(xì)切削，這種工藝主要應(yīng)用于細(xì)微結(jié)構(gòu)的零部件，高精度是最基礎(chǔ)的要求。因此，需要對所加工零件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行相應(yīng)的了解。與大尺寸零件相比，微小結(jié)構(gòu)件在材質(zhì)和應(yīng)用等方面都有自己的特點。

首先，微小結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)一般強度和硬度更高，機械性能更好。主要由金屬、合金等材料組成，具有一定的耐腐蝕或耐磨等能力，在惡劣的條件下亦能正常工作。

第二，結(jié)構(gòu)上，三維立體結(jié)構(gòu)是主要的結(jié)構(gòu)特征，長徑比或者深寬比明顯大于大尺寸部件。

第三，廣泛應(yīng)用于微小型機構(gòu)和系統(tǒng)，需求量極大，批量高效生產(chǎn)極有必要。因此，在加工精度要求之下，還有批量化的問題。

第四，尺寸極小。微小型結(jié)構(gòu)件的整體尺寸在毫米或者厘米級，最細(xì)微的部分甚至要求有微米級。且這些零件，使用常規(guī)方法難以加工。

第五，空間和結(jié)構(gòu)要求高。各部件之間常常存在互相作用的關(guān)系。因此對位置和形狀的精度要求極高。但是，表面的粗糙度要求不一定高。

下表展示了微小結(jié)構(gòu)件的特征指標(biāo)。

表2微小結(jié)構(gòu)件的特征

結(jié)構(gòu)類型

軸、基座、薄片、薄壁結(jié)構(gòu)

幾何形式

回轉(zhuǎn)體、平面、凸臺、孔

零件材料

復(fù)合材料、金屬材料、陶瓷材料

整體尺寸

≤1mm、1~10mm、cm

特種尺寸

最小槽寬、長徑比

零件關(guān)系

裝配、傳動

加工精度

形狀精度、表面精細(xì)度、位置精度

特殊要求

耐磨、高抗過載、耐高低溫

生產(chǎn)量

單件、少量、大批量

3.2.2微小結(jié)構(gòu)件的微細(xì)切削工藝要求

相對常規(guī)的工藝設(shè)計，微小結(jié)構(gòu)件在工藝上還要求考慮到諸多問題。

控制加工余量。在普通機床上進行預(yù)切割，減小加工余量。

合理選擇刀具和加工方法。經(jīng)過了科學(xué)合理選擇之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)最好的效果。

集中使用刀具。工作臺上的空間有限，能夠同時安裝的刀座有限。但是同時，結(jié)構(gòu)件的加工過程中又涉及到多種刀具。因此，需要更好地規(guī)劃加工路線，遵循刀具集中應(yīng)用的原則減少刀具的使用數(shù)量。

根據(jù)具體的零件確定走刀路線。不同的結(jié)構(gòu)件，都有各自的特點，不能一概而論。不合理的走刀路線，不僅難以保障加工的精度，更可能引發(fā)加工狀態(tài)的突變。

保證加工精度。在開始加工之前，應(yīng)當(dāng)通過工藝試驗得到工序中的工藝參數(shù)，從而保證工藝能力。

3.3微小結(jié)構(gòu)件的加工

工件材料、工藝參數(shù)和加工方式（裝夾、定位等），都會對微小結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。具體而言，對于較大的零件坯料，容易產(chǎn)生加工系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的問題；而對于較小的結(jié)構(gòu)件，本身將會導(dǎo)致安裝剛性不足的問題。同時，不合理的切削速度會影響表面質(zhì)量。工件材質(zhì)中的雜質(zhì)，進給量和切削厚度過小都會引發(fā)振動，減少刀具壽命且影響生產(chǎn)質(zhì)量。

4結(jié)論

總而言之，對于微小型結(jié)構(gòu)件進行加工，和常規(guī)尺寸的部件無論是在工工藝特征、加工工藝、定位以及刀具和機床選用等各個方面都有其不同之處，因此這就需要依據(jù)各自的工藝特征選擇相對應(yīng)機床以及裝夾方式。在實際的加工過程中，由于工件小，且受到機床空間的局限，加工方式也會有一定的限制。對于小尺寸結(jié)構(gòu)件，加工時可能存在安裝剛性不足的弱點，會影響加工的質(zhì)量和精度。不同的加工工藝參數(shù)，和工件材料的性能都會對加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響?？傮w而言，選用車銑加工中心，可以提高加工的精度和效率。通過調(diào)整加工工藝和走刀路線，對于加工的結(jié)果也會產(chǎn)生影響。

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