精密超精密加工論文

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1、微切削加工技術(shù)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀李勇1（1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004）摘要：微型化、精密化已成為目前全球制造技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，高效率、高精度化的微細(xì)加工方法顯得越來(lái)越重要。精密微細(xì)切削加工是在傳統(tǒng)的金屬切削理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，面向微小型系統(tǒng)中各種材料結(jié)構(gòu)件的加工需求而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)微細(xì)加工方法。關(guān)鍵詞：精密微細(xì)切削；切削機(jī)理；0引言：當(dāng)今，現(xiàn)代制造技術(shù)正向著兩個(gè)趨勢(shì)發(fā)展，一方面向著自動(dòng)化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，使制造技術(shù)形成一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、工藝、和生產(chǎn)管理的集成，統(tǒng)稱為制造系統(tǒng)自動(dòng)化；另一方面

2、尋求固有制造技術(shù)的自身微細(xì)加工的極限，即在現(xiàn)代制造技術(shù)中，能夠加工微小零件的微細(xì)尺寸極限是多少，所以微細(xì)加工技術(shù)是指制造微小尺寸零件的加工技術(shù)[1]精密加工和微細(xì)加工有著密切的聯(lián)系，它們都是現(xiàn)在制造技術(shù)的前沿，微細(xì)加工是屬于精密加工范疇的?，F(xiàn)在制造技術(shù)發(fā)展很快，不僅出現(xiàn)了微細(xì)加工技術(shù)，而且還出現(xiàn)了超微細(xì)加工技術(shù)，所謂超微細(xì)加工技術(shù)就是指制造超微小尺寸零件的加工技術(shù)。1微切削加工技術(shù)　　微切削是一種快速且低成本的微小零件機(jī)械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC加工中心可實(shí)現(xiàn)2D、215D簡(jiǎn)單特征到復(fù)雜3D曲面零件的微加工(見(jiàn)圖

3、1)，通過(guò)使用此法加工出的微小模具可達(dá)到批量生產(chǎn)的目的。隨著微機(jī)電系統(tǒng)和微機(jī)械的多樣化發(fā)展，對(duì)擁有不同機(jī)械性能與電子特性的微元件的需求也顯得越來(lái)越迫切。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為全球增長(zhǎng)最快的工業(yè)之一，需要制造極小的高精密零件的工業(yè)，例如生物、醫(yī)療裝備、光學(xué)以及微電子(包括移動(dòng)通信和電腦組件)等都有大量的需求。然而，并非每種應(yīng)用在微機(jī)電系統(tǒng)或微機(jī)械上的微元件都能利用集成電路技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)，因此新的材料和新的微制造技術(shù)以及微切削技術(shù)陸續(xù)被研究發(fā)展出來(lái)以下主要介紹微切削裝備、刀具、切削機(jī)理。圖1　微切削加工的零件1.1微切削加工技工尺度　

4、對(duì)于尺度的劃分，不同的研究機(jī)構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見(jiàn)解。材料學(xué)專(zhuān)家認(rèn)為：10-12m～10-9m之間的尺度屬于量子力學(xué)研究范疇；1-9m～10-6m之間的尺度屬于納觀力學(xué)研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀力學(xué)研究范疇；1-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀力學(xué)研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀力學(xué)研究范疇。而機(jī)械加工學(xué)科常常以10-6m(1μm)為加工誤差尺度，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來(lái)衡量(1絲=10μm)，精密加工的誤差尺度可達(dá)到微米級(jí)。由此可見(jiàn)：材料學(xué)以研究對(duì)象的特征長(zhǎng)度作為尺度劃分的依

5、據(jù)，機(jī)械加工領(lǐng)域以研究對(duì)象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)，從而把機(jī)械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒(méi)有涉及到工件加工特征尺度的大小。　1.2　微切削裝備　　零件的尺寸和加工質(zhì)量(加工精度、表面粗糙度、重復(fù)精度)與其加工機(jī)床的性能(如精度、動(dòng)態(tài)特性等)密切相關(guān)。機(jī)床的性能主要與主軸、工作臺(tái)和控制系統(tǒng)有關(guān)，微切削所用刀具的直徑非常小，為了提高加工效率，微切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速非常快。為滿足扭矩要求，通常采用電主軸和混合角接觸軸承，這種軸承由于摩擦生熱造成熱膨脹，最高轉(zhuǎn)速一般不超過(guò)6萬(wàn)rPmin。當(dāng)轉(zhuǎn)速更高時(shí)，應(yīng)采用空氣軸承，

6、但空氣軸承提供的扭矩較小，目前空氣軸承主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20萬(wàn)rPmin。為了獲得較高的切削速度，主軸的錐度與高速切削刀柄的錐度一致。微切削精密機(jī)床的工作臺(tái)一般是由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，與普通驅(qū)動(dòng)如滾珠絲杠相比，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有摩擦和電磁耦合產(chǎn)生的累積誤差，也沒(méi)有由于磨損造成的精度損失，不存在間隙，而且能提供較大的加速度，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度可達(dá)±1μm。微切削精密機(jī)床的剛度好，振動(dòng)小，而且大都帶有各種傳感器和執(zhí)行器。但是由于其尺寸較大，對(duì)周?chē)h(huán)境的控制要求較嚴(yán)格，使得加工微小零件的成本較高。微細(xì)切削加工對(duì)所用的加工設(shè)備要求很高

7、，其所用的加工設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：（1）高精度。包括高的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度，其主要的性能指標(biāo)有幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度（定位精度、重復(fù)定位精度）和分辨力等，如主軸的回轉(zhuǎn)精度、導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度，分度精度等。當(dāng)前，高水平的超精密機(jī)床其主軸的回轉(zhuǎn)精度大多在0.02~0.03μm，導(dǎo)軌的直線度在0.025/100000內(nèi)，定位精度為0.013μm，重復(fù)定位精度在0.006μm左右，進(jìn)給分辨力在0.003μm，分度精度在0.5秒內(nèi)，現(xiàn)在的精密微細(xì)機(jī)床大多采用液體靜壓軸承或空氣靜壓軸承的主軸和導(dǎo)軌，精密滾珠絲杠傳動(dòng)，并配有微動(dòng)工作臺(tái)、誤差補(bǔ)償裝置、實(shí)

8、現(xiàn)微位移。對(duì)于高速回轉(zhuǎn)的零件、部件都應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)平衡。（2）高剛度。其中包括靜剛度和動(dòng)剛度，除零部件本身的剛度外，還應(yīng)該注意接觸剛度，同時(shí)應(yīng)考慮由工件、機(jī)床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)的剛度。精密機(jī)床雖然受到的切削力并不大，但是機(jī)床的受力變形將會(huì)造成精度上的很大影