微细切削技术及微型机床的发展

何应能

摘要：微细加工类技术是未来不可或缺的主要技术力量，其中切削技术作为最基本的加工步骤需要不断的熟悉和掌握。同时微型机床也应运而生，为微型机械加工行业的进一步发展提供了更多的可能性。

关键词：微细切削、微型机床

随着微电子学、材料学、信息学和机械学等学科的不断发展，微细切削技术已迅速发展成为具有多学科交叉的前沿研究领域，成为未来制造技术的发展趋 势，被列为21世纪重点发展的关键技术。在精密模具、精密仪器、国防、航空航天、生物医学和家庭等诸多领域有着广阔的应用前景。微细切削技术是一种快速低成本的微小零件机械加工方式，不受加工材料的限制，使用CNC加工中心可实现2D、2.5D简单特征到复杂3D曲面零件的微加工，在多样化材料和三维几何形状的微细加工中具有独特优势，成为微米和中间尺度机械制造领域的一项新兴技术，使用此法可实现微小模具的批量化生产。目前微细切削技术主要包括微细车削、微细铣削、微细磨削和微冲压等。

1.微细切削加工技术的研究现状

微细切削加工技术是传统切削加工技术的延伸，主要采用比传统刀具的刃形尺寸更小、精度更高及硬度更高的刀具，如单颗粒金刚石车刀、微小直径铣刀及钻头，在高速精密加工机床上实现精密零件加工。随着工件与刀具的小型化，微细切削不只是刀具尺寸的减小，而且还面临着加工过程中新的挑战，即刀具与工件之间的接触作用、微小尺寸刀具的非标准化、刀具参数优化与刃磨等。微细切削加工中，超精密车削与微细铣削技术应用最为广泛。

2.各种微型技术

2.1.微细车削是加工微小型回转类零件的主要手段，需要微车床以及相应的检测与控制系统，但其对主轴精度、刀具硬度和微型化有很高的要求。微型车床是发展微细车削技术的前提及关键。其整体性能是影响微小零件的精度、尺寸极限与尺寸重复精度的关键因素。精密车床往往需要配置高精密主轴、高精度的进给工作台以及控制系统，这主要包括机床的单元技术和整体性能，单元技术包括精密主轴、进给机构以及CNC控制系统，整机技术包括车床床身、冷却系统、安全措施及加工环境等。为了保持微细切削中合理的材料去除率、加工进度以及刀具的强度，主轴往往具有高速转动功能。由于电主轴没有普通主轴的中间传动环节，传动系统的转动惯量减小，主轴系统的刚度高，运行更加平稳，并且能以很高的转速运行，因此在精密机床中得到广泛应用。机床的位脉冲进给精度误差和CNC控制系统必须低于工件加工要求的误差范围。主要有两种控制方式：一种是“旋转伺服电动机+滚珠丝杆”半闭环控制系统，或者加入光栅尺的闭环控制系统。另一种是直线电动机控制系统，不存在丝杆传动系统中摩擦和电动机耦合产生的累积误差和磨损引起的精度丢失以及间隙，且可提供较大的加速度，精度一般可以达到±1um。

2.2.微细铣削加工是一种加工能力强，成形精度高的微小零件机械加工方式。中间尺度零件微细铣削加工涵盖了多项关键技术，如中间尺度微小零件微细铣削的加工机理、微细铣削设备、微细铣削专用刀具、微小零件的装卡与操作、加工过程的实时监测及加工后的检测等。微冲压成形技术作为一种新兴的加工工艺，是一种重要的介观尺度下的微成形技术。由于受到介观尺度下尺度效应的影响，成熟的传统冲压成形理论不能直接应用于微冲压成形领域。随着加工尺度从宏观到介观的变化，微冲压工艺所涉及的材料模型、摩擦模型、工艺仿真方法以及成形设备、模具设计和制造技术等都发生了根本性的改变。

3.微型技术未来的发展

微型工厂是一种微小型生产系统，它具有体积小、节约能源和原材料、减少污染、机动灵活性强、操作稳定和抗干扰等优点。因此，人们将其视为节省能源和空间、环保型生产模式，以及绿色制造的发展方向之一。MEL公司于1990年提出微型工厂的概念，并在1999年设计制成了世界上第一套桌面微型工厂样机。 它由车床、铣床、搬运机械手和装配用手指机械手组成，占地面积为70cm×50cm，能进行加工和装配，试运转成功。试运转的产品是外径为?900um、长度为3mm的枢轴球轴承。利用车床加工出直径为?100um和?500um的回转轴；铣床加工出外径为?900um、内径为?700um的轴承套；在冲压机上加工出厚度为120um的轴承套 罩盖。这些零件由有吸盘的机械手搬运到组装区，在微 型液晶显示器监控下，通过两个手指机械手的远程操作将?200um的滚珠装入轴承套内，然后压入回转轴，装上罩盖，完成整个组装工序。MEL公司于2000年设计制作了第二台微型工厂样机——便携式微型工厂。它由车床、铣床、冲压床、搬运机械手和装配用双手指机械手组成，占地面积为20cm×50cm，能进行加工和装配。其中微铣床 （119mm×119mm×102mm）主轴电动机使用36W无刷直流伺服电动机，额定转速为20000r/min，配有刀柄直径为?3mm的刀具进行铣削和钻孔；微型冲床 （11lmm×66mm×170mm）使用100W交流伺服电动机，可以产生3kN的压力；微手臂在灵活的水平铰链和同步铰链的帮助下，能够以20um的水平精度在直径为?200mm的圆形范围内运动；微操作手有两个针状手指，每个手指模块有三个内置的压电制动器和一个并行铰链机构。所有部件装在一个625mm× 490mm×380mm的箱子里，所有设备的重量为34kg，整个系统功耗为60W。系统中的机床与常规机床相比，尺寸微小，结构简单，但它能够加工实际零件，具 有实际应用价值和意义。

4.总结

微细切削加工技术是微细加工工艺的一个重要延伸，其研究与应用将填补基于硅表面微细加工的微电子机械系统技术和传统精密加工技术之间的缺口。尽管目前微细切削技术所能加工的零件尺寸不及微细电加工所能达到的程度，但它与激光刻蚀加工等技术一起可在各种各样的材料上加工任意的空间结构。总之，微细切削加工技术的成功实现将在未来的制动器、机器人和航天器等具有更高功能性要求的微型产品制造中起到非常重要的作用。

参考文献

[1] 王绍宗 微细切削技术及微型机床的发展 2010，（2）

[2] 曹自洋 微细切削加工技术 2006，（3）