微小型机械零件加工工艺研究

顾佳超 徐恒斌 孟凡荣

摘 要：文章分析了微小型机械零件的常规加工方法存在的问题，根据微小型机械零件的结构特征，对零件的加工方法和加工工艺进行研究，旨在保证微小型零件的加工精度及各种功能性要求。

关键词：微小型机械零件；结构特征；工艺研究

微小型机械零件是设备系统中的最小构成单元，其几何形状特征与常规尺寸零件相同，由于目前用于微小型机械零件加工的常规加工方法存在诸多问题，因此为了保证微小型零件的加工精度及各种功能性要求，对微小型机械零件的加工方法与加工工艺的研究变得尤为重要。

1 微小型机械零件的类别

根据微小型机械零件的几何特征，微小型机械零件主要包括微小型轴类零件，微小型三维结构零件，微小型平板类零件及微小型齿轮类零件[1]。各类型微小型零件被广泛应用在不同的场合中。

1.1 微小型轴类零件

微小型轴类零件是微小型加工设备中经常遇到的典型零件之一，微小型轴类零件主要用于支撑微小的传动零部件以及传递扭转力矩和承受外界施加的载荷等场合。从其功用角度出发，微小型轴类零件的加工要求具有高的回转精度以及表面质量，因此对微小型零件的加工研究变得日益重要。当加工的微小型轴类零件具有较大的长径比时，由于加工过程中无法采用顶尖支撑，切削时在径向切削力的作用下极易使被加工的微小型轴类零件发生弯曲变形，造成被加工零件的翘尾现象。若加工的微小型轴类零件除了具有轴类零件所具有的典型特征之外，还具有微平面，微沟槽，微细孔等其他特征时，依靠单一的车削加工是无法完成这类微小型轴类零件加工的，需要配合其他加工方式。

1.2 微小型三维结构零件

微小型三维结构零件的结构特征相对较为复杂，并不是只具有简单的回转类以及平面类特征。由于其结构特征的复杂性以及零件本身所特有的工艺特征，加大了零件加工的难度。加工过程中需要根据零件自身的工艺特点，合理地安排加工工艺，并选择尺寸相对较小，精度高，柔性好的微小型加工设备进行加工[2]。

1.3 微小型平板类零件以及齿轮类零件

微小型板类零件的主要结构特征是平面，除此之外还包括一些其他的结构特征，如台阶面，微型孔，微型槽及不规则的轮廓表面等。与微小型三维结构零件相比，微小型平板类零件的结构相对简单，加工方式相对单一，应用微细铣削和微细钻削加工技术即可满足这类零件的技术要求，完成微小型板类零件的加工。若微小型板类零件的厚度较薄时，加工时需要考虑零件的装夹方式，防止装夹时微型夹具对零件的作用力过大，使零件发生形变。微小型齿轮加工的难点及重点是其齿形的加工，齿形的加工精度直接关系到齿轮之间的啮合精度及装配之后的使用效果。目前，主要有微细成形铣削及微细滚削这两种微细切削加工方法用于微小型齿轮的加工。在应用微细成形铣削的加工方法加工微小型齿轮的过程中，成形刀具本身的制造精度对微小型齿轮的加工精度影响较大，同时由于加工系统的刚性和零件的装夹方式及系统的振动的影响，使加工完成的轮齿齿廓的形状误差较大，齿形明显失真。与微细成形铣削加工相比，微细滚削加工方法是基于范成法的成形工艺，加工过程中，滚削刀具的多个切削刃对工件进行连续切削，在加工效率与加工质量方面都要比微细成形铣削的加工方法高。

2 微小型机械零件的加工方法

微小型零件的加工方法包括基于半导体的制造工艺技术、LIGA及准LIGA技术和应用常规的精密机床对微小型机械零件进行加工的方法以及目前处于重点研究的使用微小型加工设备进行微小型零件加工的微细切削加工等技术。基于半导体的制造工艺技术加工材料较为单一，且加工出的微小型零件的应用领域多为电子领域。LIGA及准LIGA技术加工出的微小型零件结构简单，多为二维或准三维微小型机械零件，且加工设备较昂贵。应用常规的精密机床进行微小型零件的加工存在着占用空间大，加工效率低，能源消耗大，资源浪费严重等问题。使用微小型加工设备进行微小型零件加工的微细切削加工技术加工材料广泛，可加工结构复杂的精密三维微小型机械零件，并能避免上述加工方法存在的问题，是微小型零件加工技术的研究重点[3]。

微细切削加工技术主要有微细车削加工，微细铣削加工，微细磨削加工等。与常规切削加工技术相比，微细切削加工技术的切削用量极小，且由于微小型零件的整体尺寸较小，微细切削加工过程中若依然采用常规尺度零件切削加工工艺，将无法满足加工精度。极小的切削用量要求加工设备要具有极高的的进给精度及定位精度和主轴回转精度。微细车削主要用于微小型轴类零件的圆柱面，端面等表面特征的加工。微细铣削主要用于加工微小型零件的平面，沟槽及复杂的表面等[4]。目前微小型平板類零件加工主要依靠微细铣削的加工技术完成。微细钻削主要用于微小型零件上微细孔的加工，加工孔径受到钻头的制约。微细磨削主要用于表面精度要求极高的微小型零件的加工，是一项重要的微细切削加工技术。

3 微小型机械零件的工艺分析

微小型机械零件的整体尺寸小，加工精度及表面质量要求高，因此微小型机械零件的加工工艺的制定难于常规尺度零件的加工工艺。根据微小型机械零件的几何特征可大致确定其应包含的加工工艺。若零件具有圆柱面、端面等回转类特征，则这类零件应包含车削工艺。若零件具有平面、微沟槽、微细孔等结构特征，则这类零件应包含铣削工艺或钻削工艺。在微小型机械零件的加工过程中，考虑到零件易发生变形，加工精度高及加工效率等方面，微小型机械零件的加工工艺的制定应着重考虑以下几点。

3.1 先粗后精的加工原则

在微小型机械零件的加工过程中，优先安排粗加工工序，待粗加工工序全部完成之后在安排对零件进行半精加工与精加工的工序[5]。粗加工过程中，在保证系统刚度的情况下，尽可能的选择直径较大的微细切削刀具，较大的进给量，背吃刀量及切削速度，减少刀具切削次数，去除大部分加工余量，缩短零件加工时间，提高加工效率。待对零件的粗加工工序完成之后，需要间隔一定的时间再安排零件的精加工工序，这样做的目的是使粗加工工序完成之后零件所发生的变形能够得到一定程度的恢复，进而使零件的加工精度得到一定的提高。

3.2 最少的调用刀具及附件

在微小型机械零件的加工过程中，由于零件几何特征的不同，往往要涉及到车、铣、钻等不同种类的刀具，而工艺路线的优劣在很大程度上受到使用的刀具顺序的影响，因此应尽可能的减少刀具的使用，以减少刀具在安装过程中带来的累积误差，同一把刀具在使用过程中，应用其加工尽可能多的工件表面，并减少其在机床上安装于调整的次数。加工过程中对于附件的使用，也应遵循最少调用的原则，在附件的一次调用中，应使其最大限度的进行加工。

3.3 减少工件装夹次数

由于微小型零件具有不同的几何特征，往往需要对其进行多次的装夹才能最终完成零件的加工。微小型零件的尺寸微小，多的装夹次数费时费力，并且多次的装夹会产生误差，影响零件的加工精度，所以应尽可能地在一次装夹过程中完成工件所有表面的加工，提高工件的加工精度。

4 结束语

文章针对微小型机械零件的常规加工方法存在的诸多问题，根据微小型机械零件的结构特征，对其加工方法和加工工艺进行研究分析，目的是为了保证微小型零件的加工精度及各种功能性要求。

参考文献

[1]石文天.微小型零件的微细切削加工工艺研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010，5.

[2]石文天.基于车铣复合加工的微小型结构件工艺研究[J].制造业自动化，2011，33（8）.

[3]李晓舟，于化东，许金凯，等.微切削加工中切削力的理论与实践[J].光学精密工程，2009，17（5）：1086-1092.

[4]贾宝贤，王振龙，赵万生.适用于微机械制造的常规加工方法[J].新技术新工艺，2003，8：19-22.

[5]王殿学.基于制造特征模型的工艺设计[D].北京化工大学，2008.

作者简介：顾佳超（1988-），男，助教，硕士，主要从事机械设计制造与自动化方面的教学科研工作。