微细加工方法
微细铣削加工技术
王翔
（厦门大学物理与机电工程学院机电系
199201152779）
摘要：由于微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)在微小零件加工中存在不足，微细铣削加工作为一项补充技术正在日益受到人们的重视。
本文主要从微细铣削的发展背景；微细铣削的关键技术；微细铣削的机床系统和微细铣削的实验，针对特征尺寸在4
所谓中间尺度微小机械零件的微细10~10m
铣削技术进行了介绍。
使读者对微细铣削技术有一定的认识。
关键词：微细铣削；使能技术；机床系统；铣削的实验
1前言：
随着科学技术的发展，近年来在IT、医疗器械以及通讯领域，人们对微小型零件(如：微型传感器、微型加速度计、微透镜阵列等)的需求日益增加。
这种需求的增加促进了微细加工技
术的发展。
在目前的多种微细加工技术中，微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)一直是主流技术之一。
由于MEMS技术衍生于微电子技术，它的主要加工对象被限制在硅基材料上，并且工件的几何形状基本上是简单的二维形状，因而只有在大规模集成电路的批量制造等方面才是经济的。
微细切削加工技术，特别是微细铣削作为MEMS技术的补充，由于其几乎不受加工对象材料和几何形状的限制而受到研究人员的重视，正在成为微细加工技术中的新生力量。
近年来，采用传统的机械加工方法而进行微细制造的研究越来越受到人们的重视，针对特征尺寸在4
所谓中间尺度微小机械零件的微10~10m
细切削制造成为一大研究热点，其原因是机加工具有几大优势：
1加工精度高；
2生产效率高、灵活；
3能加工任意三维特征的零件；
4能加工包括钢在内的多种材料；
2微细铣削关键使能技术
微细铣削是一种加工能力强、成形精度高的微小
零件机械加工方式,使用CNC加工中心可实现2D, 215D简单特征到复杂3D曲面零件的微细加工. 中间尺度微细铣削加工涵盖了多种关键性使能技术,如微细铣削装备、微细铣削刀具、计量、微小零件的装夹与操作、中间尺度微细铣削加工机理、表面抛光等,以下逐一分析论述.
2.1微细铣削装备
高性能微细铣削机床系统的开发是开展微细铣削研究的最重要环节. 机床的性能主要与主轴、伺服工作台和控制系统有关,微细铣削所用刀具的直径非常小,为了达到加工所需的理论切削线速度,微细铣削机床主轴应同时具有高回转精度及高转速,这就需要先进的电主轴和空气轴承作为技术设备支撑. 为了获得高的定位精度,微细铣削机床工作台一般采用精密滑台加直接驱动的形式,在保证导轨直线度的同时消除普通滚珠丝杠驱动方式具有的间隙误差. 控制上需采用全闭环控制方式,配置高精度的光栅尺,机床工作台的定位精度达到1μm以内.
2.2微细铣削刀具
微细铣削加工对刀具提出很高要求,也是制约微细铣削技术应用的重要因素. 刀具几何制约加
工特征尺寸,刀具受力制约工艺参数优化和加工效率,刀具磨损和刀具寿命制约微细铣削加工的实用性. 因此,要实现微细制造技术的推广应用,必须针对刀具开展研究,综合考虑刀具几何、切削过程刀具受力、刀具柔性等因素,开展刀具制造、刀具磨损、刀具寿命等研究,这是微细铣削研究的关键问题.
2.3 计量
微细铣削技术的实现与应用中,对微小零件尺寸和表面质量的测量技术必不可少,如光干涉仪测量、扫描探针显微镜(SPM)、电子束聚焦比较仪测量等技术. 另外用于过程反馈和控制的内置传感技术也是微细铣削技术研究中的一项重要使能技术,如微力测量、内置应变仪测量、微变形测量等技术.
2.4 零件的装夹与操作
绝大多数常规的夹具和操作方法不适合于中间尺度微小零件的加工、装配和输送,这包括零件在设备上的定位与夹紧、零件从一个设备到其他设备之间的搬运、零件的收集以及不同零件之间的连接和装配. 因此,零件的装夹与操作是关键的必要条件,应尽可能地做到最小化.
2.5中间尺度微细铣削加工机理
微细铣削加工机理研究对于合理选择切削参数、保证微细铣削加工质量、降低生产成本和提高生产率意义重大. 工件材料力学性能是开展机理研究的基础,建立工件材料本构关系描述尺度的影响,采用有限元法对微切削过程进行建模,可揭示尺度效应产生的机理. 工件材料的微观结构对微细切削过程有显著的影响,这就需要开展对材料微观结构观测与描述以及晶粒力学性能建模等方面的研究.
2.6表面抛光
由于铣削特性限制了零件加工表面光洁度,因此对表面质量要求高的微小零件需采用去毛刺和表面抛光技术,其关键是了解不同的抛光技术对中间尺度微小零件亚表面损伤的影响
3微细铣削机床系统
自行研制的小型数控三轴联动微铣床的实物及结构原理图分别如图1所示. 系统采用立式三坐标结构,包括水平面上的X, Y二维工作台和垂直的Z向主轴安装滑台,本体尺寸为300mm×400mm×500mm,工作空间为50mm×50mm×40mm. 系统工作平台采用直线电机驱动交叉滚柱支撑
导轨的二维滑台结构,导轨直线度为±0.1μm/25mm;主轴为空气静压电主轴,其最高转速可达r/min,径向跳动量小于0.5μm;同时,采用基于DSP的高性能运动控制卡作为控制器,由分辨率为0.05μm的精密光栅尺构成全闭环反馈,使系统具有结构紧凑、定位精度高和系统刚性高等优点. 经实测,机床定位精度可达1.53μm。
图1 小型三轴数控微铣床
微细铣削系统主要由5个子模块构成,见图2,包括主轴及驱动模块、三轴定位模块、运动控制模块、微径铣刀模块和基于CCD的在线监测模块。
图2 微细铣削系统构成示意图
4微细铣削实验
4.1平面微细铣削实验
实验目的为通过测量铣削平面的表面粗糙度评价机床的加工精度. 对表面粗糙度要求高的大尺寸零件来说,通常在铣削之后还需进行一系列改善表面粗糙度的后处理工艺. 然而,对于中间尺度特征的微小零件来说,难以通过后处理工艺改善表面粗糙度. 作为微细铣削加工工艺,如何确保零件的表面粗糙度达标尤为重要. 平面微细铣削加工材料为工业硬铝LY12,实验中采用的各项工艺参数如表1所示.
使用Talor Hobson Form120表面粗糙度轮廓仪(分辨率015nm)测得表面粗糙度Ra 值为215 nm. 图3为根据采样数据,利用Matlab绘制的一段工件表面形貌轨迹曲线,采样长度为12μm,测量步距2nm,每齿进给量214μm.。
4.2微直槽铣削实验
实验目的为考察机床在一维方向上的加工精度
以及对大深宽比微小零件的加工性能. 直槽微细铣削加工材料为工业硬铝LY12,实验中采用的各项工艺参数如表2所示.
微直槽横截面结构示意图及CCD显微观测实物图如图4所示. 利用显微分析软件得到的图像测量结果显示,加工尺寸误差在1～2μm以内,经分析误差成因主要是主轴径向跳动。
图4 微直槽铣削实验
5 结语
利用传统机械加工的灵活优势并结合微细加工的特点,开发适于微细切削的加工设备已成为微细加工领域的一大趋势. 在自主构建的小型数控铣床上,根据多种实验目的,针对不同结构微
小零件进行铣削加工,分析结果充分显示了该铣床已经具备对中间尺度三维微小零件微细铣削加工能力. 今后,将通过对微细切削加工的尺寸特征、工艺参数、材料特性及环境影响等相关因素的深入研究,逐渐摸索微细切削加工新工艺.
参考文献
[1] WeckM, FischerS, VosM. Fabricationofmicrocom2ponents usingultra precisionmachine tools [J]. Nano2technology, 1997, 8(3) : 1452148. [2] LangW. Reflexions onthe future ofmicrosystems [J].Sensor andActuators, 1999, 72(1): 1215.
[3] 孙雅州, 梁迎春, 程凯. 微米和中间尺度机械制造[J]. 机械工程学报, 2004, 40(5) : 126.SunYazhou,LiangYingchun,ChengKai.Micr
o2scaleandmeso2scalemechanicalmanufacturi ng [J]. ChineseJournal ofMechanical Engineering, 2004, 40(5) : 126.(inChinese) [4] 刘克非, 张之敬, 周敏,等. 微细轴切削加工特性分析[J]. 中国机械工程, 2005, 16(22) : 198721990.LiuKefei, ZhangZhijing, ZhouMin, et al. Analysisof machiningcharacteristics of micro2shafts [J]. Chi2neseMechanical Engineering, 2005, 16(22): 198721990. (inChinese)
[5] 李红涛, 来新民, 李成锋,等. 介观尺度微
型铣床开发及性能实验[J]. 机械工程学报, 2006, 42 (11) :1622167.Li Hongtao, Lai Xinmin, Li Chengfeng, et al. Devel2 opment of meso2scalemillingmachine tool and itsper2formance analysis [J]. Chines Journal ofMechanicalEngineering, 2006, 42(11): 1622167. ( inChinese)
[6] 张霖, 赵东标, 张建明,等. 微细切削用小型数控铣床的研制[J]. 东南大学学报:自然科学版, 2007, 37(1): 26229.。