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微細切削技術及微型機床的發展
微細切削技術及微型機床的發展
摘要：微細加工類技術是未來不可或缺的主要技術力量，其中切削技術作為最基本的加工步驟需要不斷的熟悉和掌握。
同時微型機床也應運而生，為微型機械加工行業的進一步發展提供了更多的可能性。
關鍵詞：微細切削、微型機床
隨著微電子學、材料學、信息學和機械學等學科的不斷發展，微細切削技術已迅速發展成為具有多學科交叉的前沿研究領域，成為未來制造技術的發展趨 勢，被列為21世紀重點發展的關鍵技術。
在精密模具、精密儀器、國防、航空航天、生物醫學和家庭等諸多領域有著廣闊的應用前景。
微細切削技術是一種快速低成本的微小零件機械加工方式，不受加工材料的限制，使用CNC加工中心可實現2D、2.5D簡單特征到復雜3D曲面零件的微加工，在多樣化材料和三維幾何形狀的微細加工中具有獨特優勢，成為微米和中間尺度機械制造領域的一項新興技術，使用此法可實現微小模具的批量化生產。
目前微細切削技術主要包括微細車削、微細銑削、微細磨削和微沖壓等。
1.微細切削加工技術的研究現狀
微細切削加工技術是傳統切削加工技術的延伸，主要采用比傳統刀具的刃形尺寸更小、精度更高及硬度更高的刀具，如單顆粒金剛石車刀、微小直徑銑刀及鉆頭，在高速精密加工機床上實現精密零件加工。
隨著工件與刀具的小型化，微細切削不只是刀具尺寸的減小，而且還面臨著加工過程中新的挑戰，即刀具與工件之間的接觸作用、微小尺寸刀具的非標準化、刀具參數優化與刃磨等。
微細切削加工中，超精密車削與微細銑削技術應用最為廣泛。
2.各種微型技術
2.1.微細車削是加工微小型回轉類零件的主要手段，需要微車床以及相應的檢測與控制系統，但其對主軸精度、刀具硬度和微型化有很高的要求。
微型車床是發展微細車削技術的前提及關鍵。
其整體性能是影響微小零件的精度、尺寸極限與尺寸重復精度的關鍵因素。
精密車床往往需要配置高精密主軸、高精度的進給工作臺以及控制系統，這主要包括機床的單元技術和整體性能，單元技術包括精密主軸、進給機構以及CNC控制系統，整機技術包括車床床身、冷卻系統、安全措施及加工環境等。
為了保持微細切削中合理的材料去除率、加工進度以及刀具的強度，主軸往往具有高速轉動功能。
由于電主軸沒有普通主軸的中間傳動環節，傳動系統的轉動慣量減小，主軸系統的剛度高，運行更加平穩，并且能以很高的轉速運行，因此在精密機床中得到廣泛應用。
機床的位脈沖進給精度誤差和CNC控制系統必須低于工件加工要求的誤差范圍。
主要有兩種控制方式：一種是“旋轉伺服電動機+滾珠絲桿”半閉環控制系統，或者加入光柵尺的閉環控制系統。
另一種是直線電動機控制系統，不存在絲桿傳動系統中摩擦和電動機耦合產生的累積誤差和磨損引起的精度丟失以及間隙，且可提供較大的加速度，精度一般可以達到±1um。
2.2.微細銑削加工是一種加工能力強，成形精度高的微小零件機械加工方式。
中間尺度零件微細銑削加工涵蓋了多項關鍵技術，如中間尺度微小零件微細銑削的加工機理、微細銑削設備、微細銑削專用刀具、微小零件的裝卡與操作、加工過程的實時監測及加工后的檢測等。
微沖壓成形技術作為一種新興的加工工藝，是一種重要的介觀尺度下的微成形技術。
由于受到介觀尺度下尺度效應的影響，成熟的傳統沖壓成形理論不能直接應用于微沖壓成形領域。
隨著加工尺度從宏觀到介觀的變化，微沖壓工藝所涉及的材料模型、摩擦模型、工藝仿真方法以及成形設備、模具設計和制造技術等都發生了根本性的改變。
3.微型技術未來的發展
微型工廠是一種微小型生產系統，它具有體積小、節約能源和原材料、減少污染、機動靈活性強、操作穩定和抗干擾等優點。
因此，人們將其視為節省能源和空間、環保型生產模式，以及綠色制造的發展方向之一。
MEL公司于1990年提出微型工廠的概念，并在1999年設計制成了世界上第一套桌面微型工廠樣機。
它由車床、銑床、搬運機械手和裝配用手指機械手組成，占地面積為70cm×50cm，能進行加工和裝配，試運轉成功。
試運轉的產品是外徑為?900um、長度為3mm的樞軸球軸承。
利用車床加工出直徑為?100um和?500um的回轉軸;銑床加工出外徑為?900um、內徑為?700um的軸承套;在沖壓機上加工出厚度為120um的軸承套 罩蓋。
這些零件由有吸盤的機械手搬運到組裝區，在微 型液晶顯示器監控下，通過兩個手指機械手的遠程操作將?200um的滾珠裝入軸承套內，然后壓入回轉軸，裝上罩蓋，完成整個組裝工序。
MEL公司于2000年設計制作了第二臺微型工廠樣機――便攜式微型工廠。
它由車床、銑床、沖壓床、搬運機械手和裝配用雙手指機械手組成，占地面積為20cm×50cm，能進行加工和裝配。
其中微銑床 (119mm×119mm×102mm)主軸電動機使用36W無刷直流伺服電動機，額定轉速為20000r/min，配有刀柄直徑為?3mm的刀具進行銑削和鉆孔;微型沖床 (11lmm×66mm×170mm)使用100W交流伺服電動機，可以產生3kN的壓力;微手臂在靈活的水平鉸鏈和同步鉸鏈的幫助下，能夠以20um的水平精度在直徑為?200mm的圓形范圍內運動;微操作手有兩個針狀手指，每個手指模塊有三個內置的壓電制動器和一個并行鉸鏈機構。
所有部件裝在一個625mm× 490mm×380mm的箱子里，所有設備的重量為34kg，整個系統功耗為60W。
系統中的機床與常規機床相比，尺寸微小，結構簡單，但它能夠加工實際零件，具 有實際應用價值和意義。
4.總結
微細切削加工技術是微細加工工藝的一個重要延伸，其研究與應用將填補基于硅表面微細加工的微電子機械系統技術和傳統精密加工技術之間的缺口。
盡管目前微細切削技術所能加工的零件尺寸不及微細電加工所能達到的程度，但它與激光刻蝕加工等技術一起可在各種各樣的材料上加工任意的空間結構。
總之，微細切削加工技術的成功實現將在未來的制動器、機器人和航天器等具有更高功能性要求的微型產品制造中起到非常重要的作用。
參考文獻
[1] 王紹宗 微細切削技術及微型機床的發展 2010，(2)
[2] 曹自洋 微細切削加工技術 2006，(3)
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