（机械制造及其自动化专业论文）微型高速车削单元研制与实验研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文微型高速车削单元研制与实验研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成粜。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明；本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名 长春理工大学学位论文版权使用授权书 上! 乜年三月丝日 本学位论文作者及指导敦师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版允许论文被查阅和借阔。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名缈睇j卯j l 年j 月阳日 导师签g ：堑丝2 生也年王月z 尘日 摘要 本文的主要研究目标是设计与开发微型高速车削单元，为进一步研究微小型轴类 零件高速车削加工及构建桌面工厂奠定基础。并通过车削加工实验，探索提高微小型 轴类零件加工质量的手段。 本文主要完成了以下工作：首先完成了微型高速车削单元的各部件的选型与设 计，并建了三维实体模型。其次利用a n s y s 软件对所设计的微型高速车削单元进行 静、动态分析，确定其薄弱环节并对其进行结构优化。最后，从分析微小型轴类零 件的车削加工时影呵司加工精度及表面粗糙度的因素出发，建立微细车削时的切削力模 型与表面粗糙度理论模型，并通过仿真实验与切削加工实验分别分析切削过程中刀具 参数、切削用量对切削力及表面粗糙度的影响为微小型轴类零件的高质量加工提供 理论依据。 关键词：微型车床性能分析 微小型轴类零件表面粗糙度 a b s t r a c t i no r d e rt of l 】r t h e rn u d 、h i g h s p e e dt u r n i n go f m i c r os h a f ta n dc o n s t r 【l c td e s k t o pf a c t o r ： o n em i c r oh i g h s p e e dt u r n i n gu n i ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d i h em a i nw o r kc o m p l e t e di nt h i sr e s e a r c hi n v o l v e s ：f i r s t l yt h es e l e c t i o na n dd e s i g no f o fe a c hp a r t so fm i c r oh i g h s p e e dt u r n i n gu n i th a sb e e nd o n e a n d3 - dm o d e li sb u i l tu p s e c o n d l 3 t h ew e a k n e s s e so fm i c r oh i g h s p e e dt u r n i n gu n i th a v eb e e nd e t e r m i n e db ys t a t i c a n dd y n a m i ca n a l y s i sw i t ha n s y s a n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nh a sb e e nd o n ef o rt h o s e w e a k n e s s e s f i n a l ) t h et h e o r e f t c a jm o d e lo ft h ee m t i n gf o r c ea n ds u r f a c er o u g h n e s si s e s t a b l i s h e da f t e rt h ea n a l y s i sf o ri n f l u e n c ef a c t o ro fm a c h i n i n ga c c u r a c ) a n ds u r f a c e r o u g h n e s si nm i c r os h a f tp a r t st a m i n ga n di no r d e rt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eh i g h q u a l i t 3p r o c e s s i n go fm i c r os h a f tp a r t s ，as e r i e so fs i m u l m i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n ef o ra n a l 3s i st h ei n f l u e n c eo f t o o la n dc u r i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gf o r c ea n ds u r f a c e r o u g h n e s s k e yw o r d s ：m i c r ol a t h e p e r f o r m a n c ea n a l s i s m i c r os h a f tp a r t ss u r f a e er o u g h n e s s 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1i 课题背景 12 课题研究的目的和意义 3 崮内外研究现状 2 l4 本课题的研宄内容 7 l5 本章小节 7 第二章微型高速车削单元结构设计8 2】微细车削加工要求8 22微型高速车削单元总体方案8 2 3 主轴子系统 1 3 2 4 进给子系统 1 5 2 5 辅助予系统 1 8 2 6 微型高速车削单元结构设计 1 9 27 本章小结 2 0 第三章微型高速车削单元性能分析及优化 2 1 3l 徽型高速车削单元的有限元模型 2 l 31 静力学分析 2 i 33 模态分析 1 2 34 谐响应分析 2 4 35 微型高速车削单元结构优化 2 5 3 6 优化后系统的动态特性 2 9 37 本章小结 3 1 第四章微小型轴类零件车削加工分析 3 2 4l 微小型轴类零件车削加工特点 3 2 42 微小型轴类零件车削加工切削力分析 3 4 43 微小型轴类零件表面粗糙度影响因素分析 4 4 4 4 本章小结 4 8 第五章总结与展望 4 9 5 l 包结 4 9 52 展望 4 9 致谢 5 0 参考文献 5 1 第一章绪论 11 课题背景 二十世纪9 0 年代咀来随若微细加工及超精密加工技术的快速发展微小型零件进 入实用化与商品化阶段。微小型零件以其体积小、重量轻、能耗低、灵敏性高以及易 于实现整个系统的小型化和智能化等优点已经在医疗、生物工程、通讯、光学、航 空航天、半导体工业、军事、汽车等领域得到成功应用如图i i 所示。微机械作为军 民两崩的高科技产品，受到世界各国政府的高度重视美国、德国和日本每年都投入 大量资金进行微机械研究我国也有多所研究所及大学开展了微机械领域的研究口j ， 囹- 昏 1 6 口8 咽融 ；盔暖妊灞 亨豳潞mk 斟 图ii 微小型零件的主婴应用领域 1 2 课题研究的目的和意义 随着各行业的快速发展现有的加工设备及加工技术无法满足各行业对微小型零 件的需求如何实现不同材料、具有复杂三维特征的微小型零件的高质量及高效率的 加工成为零件小型化技术的关键”。、j 。 面对微小型零件加工的要求微细加工技术得到了大力的发展，它将传统的机械 加工技术与小型化技术结合即采用微型加工系统来加工微小型零件1 6 1 。一方面缩小了 加工设备的体积大大提高了对空间的利用率，同时降低了加工设备移动部件的移动 惯性，更容易实现高速加工与高精度的运动控制p l 。另一方面可通过常规加工中积累的 技术与经验对微型加工设备进行合理的配置，咀实现微小型零件的大批量生产| 8 j 。 本课题针对微小型轴类零件的车削加工，设计开发微型高速车削单元。分析微小 型轴类车削加工特点及影响其加工精度及表面质量的因素，为微小型轴类零件的高质 量及高效率加工提供理论指导。同时针对微型高速车削单元进行性能分析，探索提高 微型高速车削加工系统的整体性能的手段为进一步研究机床微型化及微细车削工艺 做准备为桌面式工厂的措建奠定基础。 13 国内外研究现状 1 31 国内外微小型加工设备研究现状 微小型加工设备是在传统的精密、超精密加工机床的基础j 二，结合微型化的需要 而拄屣起来的一种专用机床。世界各国都在微小型加工设备研究方面有很大的投入 并取得较大的研究成果。 日本是较早开始进行微小型加工设备研制的国家，通产省工业技术研宄院于1 9 9 8 年研制成功的微型车床是世界上第一台微型化车床| 9 。，如图】2 a 所示，外形尺寸仅 为3 2 m m 2 5 m m x 3 05 m m ，总体重量仅为l o o g 最小可实现直径5 0 微米、长度6 0 0 微 米的微型轴的加_ ：【= 。由压电驱动器驱动工作台，可实现04 m m s 的平稳进给：主轴由 直流电机驱动，其额定功率仅为】5 w ，展高转速可选j o 0 0 0 r j m i n 。通过黄铜轴类零件 的车削实验( 圈i2 b ) ，该车床可加工出具有15 “m 的表面粗糙度与：5 岬的圆柱度的 微小型轴：并且在达到最大材料去除率o0 8 l l 盯“s 时微型车床的功耗仅为08 w 。这台 微型车床的成功研制证明了加工设备微型化的可行性与低功耗的优点。 图12 微小型车床厦加工工件 第一台微型车床的成功研制极大的激发了学者在机床微型化方面的兴趣与信心。 随后日本金泽大学的l u 和y o n e y a m a 成功研制了一台长约2 0 0 m m 的微型车床l ，如 图12 c 所示，屯轴电机的功率仅为o5 w ，通过联轴器驱动主轴可实现主轴在3 0 0 0 r r a i n 至1 50 0 0 r m i n 范围内的无级变速。主轴的径向跳动量小于l g m 工作台的进给分辨率 可达4 n m 。在对黄铜工件进行车削时可获得】g m 毗f 的表面粗糙度。在这台车床上成 功的加工出赢径1 2 0 9 m 、螺距1 25 9 m 的丝杠，证宴了尺寸特征为微米级别的微型零件 可以通过切削加工的方式加工出来。 为了评价微小型化加工设备在实际生产中的性能，日本的n a n o 株式会社于2 0 0 5 年成功研制出超小型精密数控加工机床，如13 a 所示可实现微米级的加工精度1 。 圈l3 微型数控加工机床 1 9 9 9 年咀微小型机械制造为主题的专题讨论会在美国密歇根大学、伊利诺伊斯 大学和西北大学的组织下召开| li 旨在通过对微小型制造系统的研究来实现微米尺度 的微小型零件的批量生产。 2 0 0 2 年一台外形尺寸为2 5 0 m m 1 5 0 m m 2 5 0 m m 的微型加工试验台由伊利诺伊 斯大学研制成功| l “如图13 b 所示，该试验台工作台采用音圈电机驱动并且装有分 辨率为1 m a 的直线编码器，主轴采用展高转速可达l5 00 0 0 r m i n 的空气涡轮主轴。加 工实验表明，该试验台可l l 用于微细铣削的研究； 在美国国家科学基金会支持下，西北大学成功的研制出微型车削单元| 1 4 1 ( 图1 4 a ) ， 该设备的进给系统可实现最小05 p m 的进给分辨率采用最高转速为2 0 0 0 0 0 r m i n 的 主轱解决了微小型轴类零件车削加工时因直径较小而造成的线速度过小的问题。 螭薷 图i4 微小型加工设备 2 0 0 4 年，y u i c h io k a z a k i 曦功研制出体积为4 8 0 m m 4 8 0 m m x 4 8 0 m m 的三轴精密做 型立式数控铣削系统+ 丰轴的最高转速可达到3 0 0 0 0 0 f f m i n 由直线电机驱动的x - 、 双向l 作台来实现工件的进给运动z 轴由无刷交流直线电机驱动实现主轴的进给通 过安装的o 0 5 p m 的光栅尺反馈工作台的位置信息来提高工作台的定位精度 位于德国的卡尔斯鲁厄大学的 4 0 0 r a m l5 0 m m x 2 2 0 m m 的微小型铣床州， 一个研究所搭建r 一台几何尺寸为 图14 b 所示，该设备进给系统的定位精度 小于ll i i l l 可加工工件的最大几何尺寸为5 0 m m x 2 0 m m x 3 0 m m 所使用的陶瓷球混合 轴承电主轴最高转速为1 6 00 0 0 r m i n ，实现了微型加工系统加工微小型零件的高速铣削 加工。 韩国的机械材科研究院成功研制出一台外形尺寸为2 0 0 m m x 3 0 0 m m 2 0 0 m m 的桌 面式三轴微型铣削单元【”i ，可加工工件尺寸为2 0 r a mx 2 0 m m x 2 0 m m ：采用具有磁性预 紧作用的空气静压轴承电主轴最高转速可达1 6 00 0 0 f f m i n ：由音圈电机驱动的垂直布 置的x - y 双向工作台来实现工件的进给运动，z 轴方向由直线电机驱动来实现主轴的进 给运动：并且为监控切削过程中切削力的变化在工作台下安装一个三维力传感器。 国内的多所大学与研究所也相继开展了加工机床微型化的研究工作井取得了多 项卓有成效的成粜。 哈尔滨工业大学精密研宄所己成功研制出两台微小型精密数控铣削试验台i i s - 9 分别采用卧式及立式主轴结构布局如图l5 所示，其中卧式铣削试验台外形r 寸为 3 0 0 m i n x l 5 0 m m x l 6 5 m m ，可加工工件最大尺寸为2 5 m m x 3 0 m m 3 0 m m 主轴采甩小型 气动涡轮主轴最高转速可选1 4 0 0 0 0 d m i n 径向跳动量小于2 u m ：立式铣削试验台外形 尺寸为3 0 0 m m x 3 0 0 m m x 2 9 0 m m 所采用的小型气动涡轮主轴最高转速可选 1 6 0 0 0 0 d m i n 径f 句跳动量小于】微米进给系统的重复定位精度可达o2 5 u m 可加工 工件最大尺寸为6 0 m m x 6 0 m m x 3 0 m m 。 圈15 微小型数控铣削试验台 匕海交通大学与密歇根大学合作成功研制出用于微型复杂零件铣削研亢的微型铣 削加工单元 2 【l j 如图16 a 所示该单元外形尺寸为2 7 0 m m x l 9 0 m m x 2 2 0 m m ，可加l ： 零件的最大几何尺寸为3 0 m m x 3 0 m m 3 0 m m 工作台采用滚珠丝杠驱动定位精度可达 0 5 i t m ，气动主轴的最高转速可选1 2 0 0 0 0 “m i n 径向跳动量在1 胂以内； 图l6 国内微型加工设备 北京理工大学研发的微小型精密车铣复合加工中心口”如图16 b 所示，为国际上 首台微型高速车铣加工设备，车削主轴的最高转速为8 0 0 0 r m i n 在与车削主轴平行和 垂直f 1 勺方向上分别配置两个最高转速可达6 0 0 0 0 r m i n 的电主轴工作台重复定位精度 达到国际同类水品该设备可实现一演装夹定位完成车削、铣削及车削复台加工。 南京航空航天大学己成功研制出两台微型三轴铣削试验台如图17 所示，分别采 用龙门式及立柱式结构布局方式，其中龙门式微型铣削试验台可加工零件的最大几何 尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m i5 0 m m 【8 】主轴采用空气静压轴承电主轴最高转速可达 1 2 0 0 0 0 f f m i n 采用精密滚珠丝杠驱动方式来实现主轴的进给运动，由直线电机驱动的 x - y 双向工作台来实现工件的进给运动井安装激光位移传感器测量工作台位置以实现 高精度的进给控制：立柱式微型铣削试验台的外形尺寸为3 0 0 m m x 4 0 0 m m x 5 0 0 m m i 川， 主轴采用最高转速为9 0 0 0 0 一m i n 的气浮主轴电主轴，径向跳动量仅为o2 “m 水平布 置的积同工作台由直线电机驱动并配有c c d 摄像机以实现加工过程的实时监控。 长春理工久学成功研制出两台用于研究微细切削加工技术的微型试验台：微摩擦 磨损测试仪与桌面式微型铣削试验台其中可使实现微细切削柏微摩擦磨损测试仪的 主轴转速为6 0 0 0 r m i n 吼进给精度达到l m ，如图18 ( a ) 所示；桌面式微型铣削试验 台外形r 寸为4 0 0 r a m x 4 0 0 r a m 3 5 0 m m t 2 ”进给系统采用精密滚珠丝杠副主轴采用高 速混合陶瓷球轴承电主轴，如图18 f b ) 所示。 图l8 微型加1 设备 132 微细切削加工研究现状 虽然加工设备微型化有很多的优点，但随着设备尺寸的减小，在设计、制造及切 削加工工艺等方面带来了许多的困难与挑战。并且由于零件尺寸的碱小许多应用于 常规切削加工的物理规律及现象己不再适用。 l k a w a 通过降低切削时的切削厚度的实验发现m i ：当切削厚度低于某一值时刀具只 在工件表面发生耕犁现象而无法形成切削，并得出最小切削厚度可能为切削刀刃口 半径的0 l 倍的结论。 l u c c a 通过高速精密车削实验分析了丁具几何因素对切削的影响】实验表明：在切 削厚度的数量级与切削刀刃口半径的数量级接近时实际切削前角对切削力的影响非 常太：此外还发现在切削厚度小于切削刀刃口半径时，切削力在径向的分力要大于在 切削速度方向的分力并且刀具的磨损状态对切削力的影响较为明显。 s h i m a d a 采用金刚石车刀车削铜来进行切削实验口q ，在假设切削过程中川具无磨 损的前提下，得出理论上最小切削厚度可咀达到纳米级别且其大小最小可达到刀具 切削刃刃口半径的1 2 0 ：此外还得出工件以加工表面的表面粗糙度随着切削刃刃口半 径的增大而增大。 z i n a n 等人在微型车削单元上进行了微小型轴粪零件车削加工实验l 实验结果表 明随着加工工件直径的减小工件的刚度也随之下降，并且随着切削线速度的提高 切削力有降低的趋势：并采用金刚石刀具加工出外径为1 2 0 岬螺距为1 25 m 。螺旋 角为6 0 。的微小型螺纹。 哈尔滨工业大学的孙雅洲通过微细铣削实验分析最小切削厚度的影响凶素p ”，发 现最小切削厚度受到周期性切削力的频率与切削用量的影响并据此推算最小切削厚 度的预捌模型。 上海交通大学的李红涛在考虑刀具切削刀刃口半径、工件材料接触摩擦特性及 材料失效的前提下1 2 “建立了正交切削的有限元模型井得出材料力学性能的变化是 产生微细切削尺度效应的主要原因，7 具的切削刃刃口半径与切削厚度是产生最小切 削厚度的主要原因，切削时的刀具的实际切削前角对最小切削厚度有着较大的影响e 14 本课题的研究内容 本文主要分为5 章进行叙述，每章的主要内容如下： 1 第一章：通过查询相关文献对国内外微型加工设备的发展现状及撇细切削机 理的研究成果进行了综述，并制定本文的研究内容。 ：第二章：通过对微细车削加工要求的分析，制定微型高速车削单元的总体设计 方案与精度分配方案。在此基础上完成主轴的选型及支撑结构的设计、进给系统的选 型以技辅助部件的设计及选型工作并最终完成微型高速车削单元的机构设计。 3 第三章：完成微型高速车削单元的静、动态分析并据此分析微型高速车削单 元的薄弱环节提出结构优化方案并对优化前后的部件的性能进行分析：对优化后 的微型高速车削单兀进行动态性能分析，井将分析结果与原方案进行对比，验证了新 方案的可行性。 4 第四章：从分析微小型轴类零件车削加工时影响尺寸精度及表面粗糙度的因素 出发。建立微细车削时的切削力模型及表面粗糙度理论模型并通过仿真实验与微小 型轴类零件的车削加工实验分析切削过程中刀具参数及、切削用量对切削力及表面粗 糙度的影啊为微小型轴类零件的高质量加工提供理论依据。 5 第五章：总结本文的所做的工作，并指出不足之处。 15 本章小节 本章所做的主要内容有： 通过查阅相关文献对国内外微型加工设备的发展现状及微细切削机理的研究成果 进行综述并制定本文的主要研究内容。 第二章微型高速车削单元结构设计 21 微细车削加工要求 微细车削加工技术的研究是为了实现微小型轴类零件的高精度、低成本加工t 同 时对 敏细车削技术的研宄叉对微型车削加工系统提出了更加严格的要求。首先，在 满足微小型轴类零件加工成形的基础上，需要更高的进给精度以及重复定位精度以 满足对微细车削过程中各要素建模及微细车削加工工艺的要求：其次对微细车削机 理的研究需要对切削过程中的切削力、表面粗糙度和刀具磨损等因素进行研究，这要 求测量系统具有更高的精度。f 面对开发微型高速车削单元的要求进行分析，为系统 设计提供依据。 1为实现微小型轴类零件的车削加工及加工系统的微型化，要求单元的外形尺寸 小于3 5 0 m m x 2 5 0 m m x l 5 0 m m ，可加工工件外形尺寸为长度：05 - - 4 0 r a m 直径： 05 5 m m 。 2 微小型轴类零件直径较小为实现微细车削加工，需要达到一定的线速度，因 此要求微型高速车削加工系统的主轴具有较高的回转速度： 3 微型高速车削单元的精度主要由进给系统的运动精度与定位精度组成为实现 微型高速车削单元的稳定、高速、高精度定位一方面要求进给系统具有较高 的运动精度，另一方面要求控制系统具有较高的控制精度。 4 切削力能清晰的反应切屑去除过程中的动态变化是评价切削过程的重要参 数。微细车削加工过程中切削力很小但主轴的高转速使得切削力的波动频 率较高因此实现高频三维切削力的准确测量，是开展微细车削机理研究的关 键。 5 微细车削过程中刀具一工件工艺系统的振动对微小型轴类零件的表面质量有 着较大的影响因此对系统振动的分析与优化是提高微小型轴类零件加工质量 的关键。 22 微型高速车削单元总体方案 综合上面对微细车削加工要求的分析进行微型高速车削单元的结构设计与部件 选型。微型高速车削单元可以分为三个子系统：主轴子系统、进给子系统和辅助子系 统如图2 】所示。微型高速车削单元的总体设计参数指标如表2 1 所示。系统的重复 定位精度在3 l l l t l 以内承载能力强、系统刚度高。f 面对系统的总体布局方式与部件 的选型进行详细的说明。 陌三 | 亏赢司 | | 零鹏蓍忙 l ；二二e 五i 耋 圈2l 、j 敖型高速车削单元系统组成示意图 表2l 微型高速车制单元技术指标 指标参数 总体尺寸 加工范围 主轴电机功率 主轴最高转速 导轨直线度 重复定位精度 加工材料 工作精度 工件加工表面粗糙度 3 5 0 m m o2 5o m m 1 ，o m m 直径：05 - 5 m m 长度：05 4 0 r a m 0 5 k w 6 00 0 0 r m in 15um 5 0 咖 4 5 钢 r a l6 22 1 结构布局方式 开发微型高速车削单元时整体结构布局非常关键，对单元性能与精度的好坏有 着决定性的作用。微型高速车削单元的加工方式与普通车床类似，工件表面的成形运 动由主运动( 工件的旋转运动) 与进给运动( 刀具相对于工件的进给运动) 实现这 些运动的实现需要相应的执行部件以及必要的辅助运动部件柬完成。因此在进行 微型高速车削单元的总体结构布局设计时，需要综台考虑到各方面的问题口。首先t 要从车削加工原理( 系统各部件的相对运动关系) 与工件的几何形状特点等因素来 确定各部分之间的相互关系。其次还要考虑人与设备之间的关系，例如操作、外观、 制造工艺性与设备重量等问题对系统总体布局的要求。在加工功能和运动要求相同的 条件f 机床的总体布局方式有很多种但主要的评价指标是机床的刚度、抗振性和 热稳定性等。 目前常用的微型车床的结构布局主要有以下几种”： 1 形布局 这种结构布局方式为现在最常见的微型车削加工设备结构布局方式，采用纵、横 运动分离的方式，即工件作旋转运动与纵进给运动，刀具做横向运动，导轨直接安装 在床身上形成t 形布局结构。这种结构布局方式工作台的运动误差相互之间没有干 扰，有利于提高机床的装配精度，并且用于检测工作台位置的测量系统可以安装在固 定不动的床身上。这种结构布局方式不仅使测量设备的安装更加方便简单，而且有利 于提高了测量精度。同时，这种布局使得机床重心较低整体刚度得到提高控制也 相对简单。 2 十字滑座结构 这种结构布局方式类似于传统的车床其主轴部件仅实现工件的旋转运动，刀具 由积同工作台带动实现进给运动。这种结构布局方式要求上下两条导轨具有很高的直 线度、相互垂直度否则下方工作台的运动误差将与上方工作台的运动误差相互叠加。 同时用于测量工作台运动位置的测量仪，必须有一个安装在移动的工作台上势必 会增加测量误差。 3r 口布局 这种布局方式中装有刀架的单向滑台安装在回转工作台上通过改变刀架位置r 及转台的转角日可加工平面及非球面。这种布局的机床结构较为复杂并且加工中的 坐标系采用极坐标计算在实际加工中应用较少； 4 本系统布局结构的确定 图2 2 系统结构布局示意囤 车刀：2 床身：3 主轴：4 z 向进给工作台：5 工件：6 x 向进蛤工作台7 刀架 根据设计要求，微型高速车削单元主要用于4 5 钢车削加工要求能达到微米级加 工精宦 ! 件晟大r 寸为直径5 m m 长度4 0 r a m 的棒料；由于在车削加工过程中： 作台的运动精度厦振动对切削过程影响较大，并且为了便于车削加工过程中个要素的 检测因此微型高速车削单元结构采用t 型布局即主轴做纵向运动刀架做横向向 进给运动，这种布局有利于提高各部件的安装精度及运动精度，并且便于安装测量系 统如图22 所示。 系统整体布局确定后，需要对系统主要组成部分进行精度分配，然后在此基础上 对部件进行选型与设计 222 系统精度分配 精度是微型加工设备的一项重要技术指标”j ，随着科学技术的发展，对微型加工 设备的装配精度提出了越来越高的要求但无论机床的设计精度有多高，总是存在着 误差对加工设备进行精度分配的目的是为了合理的选择设计方案、设计部件结构、 确定形状公差和设置误差补偿方式，从而使得微型加工设备可咀在保证经济性的前提 下达到较高的精度。 微型轴类零件的加工精度主要由加工系统本身的设计精度及控制精度综合决定， 零件牢削加工后的精度为4 岬以内，因此在具有误差补偿的条件下，微型高速车削 单元的设计精度应高于4 岬。如何将其合理的分配到系统各子系统及其配件上t 将直 接影响系统的车削加工精度。目前对于这个问题采用的方式一般是根据设计经验、 工艺的可实现性以及经济性进行各部件的精度的分配。 微型高速车削单元主要用于加工微小型轴类零件根据轴粪零件的几何特征与加 工特点影响微小型轴类零件车削加工尺寸精度及表面质量的因素主要有： 1 主轴的回转精度 2 进给工作台的定位精度 3 导轨的直线度 4 两导轨间的垂直度 由于系统各部件功能不同，系统的总体设计精度不能平均分配到各关键部件上。 根据工艺的可实现性咀及经济性考虑到加工需要，系统的主轴的回转精度应达到1 岬 甚至更高：纵、横方向工作台采用位置测量器反馈位置信息实现闭环控制其重复定 位精度应达到l 岍甚至更高：导轨的直线度应达到l5 岬5 0 m m ；为保证加工的精度， 导轨间的垂直度不应超过ll 帅。 据以上所述可以得出各子系统的精度分配方案如表2 ! 所示。 表2 2 ，系统精度分配万案 223 车削过程中切削力估算 在进行微型车削加工单元各部件的设计与选型前需要计算切削过程中产生的切 削力及切削功率作为部件设计与选型的依据； 微型高速车削单元在车削加工时，作用在车刀上的切削力有两个主要来源：一个 是切削过程中工件材料的弹塑性变形所产生的抗力：另一个是刀具一工件、刀具一切 唇之间的摩擦阻力。上述力的综合作用下在车刀上合成切削力f 为了便于分析与测量， 通常将切削合力分解为两两垂直的三个切削力如图2 3 所示p “； 图2 3 切削力台力与舒力 切削力计算公式是通过对大量实验获得的数据的处理而获得的，在进行加工系统 设计时可通过这些公式获得切削力的数值，如下所示。 主切削力：f = ? d ，4 ，2 怫7 k h 径向切削力：f = c 。“，o r 肌k 。 轴向切削力：f = c 。日，机f 。一“k ，。 通过上述公式计算切削时产生的切削力按照硬质台金刀具切削4 5 钢粗加工切 削过程中的所采用的切削用量及刀具参数如表2 3 所示， 袁2 - 3 切制用量琏月具参数 切削用量刀县参数 切削时各因素的修正系数可通过查机械加工一【艺手册得出如表裘2 - 4 及表 ! 一5 所示 表2 - 4 切削手敷表 表2 5 修正糸敷 其中，口= 6 0 0 m p a k ，口= 09 2 3 x 1 0 7 o8 5 x l17 = 1 l 5 6 k n = 0 8 9 7 x 0 5 x l0 x 0 7 5 = 0 3 3 6 k l a = 0 9 4 2 ) ( 08 9 1 0 x l0 = 08 4 其中n 值分别为：日。= 10 ：n 、= 13 5 ：日、= 07 5 将上述各参数带入到车削力的计算公式中，可得到切削过程中所产生的最大切削 力为f = 99 7 n ：r = 20 5 n ；f = 50 2 n 。切削功率p = o 0 3 3 k u 一。 23 主轴子系统 微型高速车削单元的主轴在加工过程中直接提供工件回转运动，它是微细切削车 床的圆度基准也是保证系统加工精度的核心p io 对于微小型轴类零件的车削加工 由于1 件的几何特征尺寸较小且对精度要求较高因而对主轴的要求也就根高。一方 面要求主轴具有较高的转速，以提高切削线速度l l 及刀具的使用寿命：另一方面要求 主轴具有较高的静态刚度与动态回转精度，咀保证加工工件的表面质量。此外还需要 刚度较高的主轴支撑夹持部件，以保证工件的加工质量。 231 主轴轴承种类 微型高速车削单元的主轴部件是保证微小型轴类零件加工精度的核心因而通过 对微型高速车削单元主轴回转精度及工作特性可l l 评价其加工性能。而主轴要实现平 稳、高速的旋转，其关键就在于主轴所采用的支撑轴承。目前常用的主轴轴承种类有”“： 1 超精密级的滚动轴承主轴 这种主轴采用易于安装及维修的超精密的滚动轴承，但高精度的滚动轴承主轴 加工制造较为困难成本较高并且进一步提升主轴精度更加的困难。 2 液体静压轴承主轴 液体静压轴承主轴具有刚度大、精度高、抗震性好阻及摩擦阻尼小等优点，主要 用于速度变化大的超精密加工设各中。但在运转过程中保持一定的油温较难并且易 受到空气的影响造成液体静压轴承的刚度及动态特性的变化 3 空气静压轴承主轴 空气静压轴承可实现具有很高回转精度的高速运转，并且温度变化幅值较小同 时在气膜的支撑下轴与轴套不发生接触因而在工作时的磨损及摩擦阻尼非常小，但 空气静压轴承主轴存在着刚度及承载能力较低的缺点，因此多用于微细切削及超精密 切削的加工设备中。 232 主轴驱动方式 主轴的驱动方式关系着其回转精度以及加工设备的结构布局方式因此在进行 机床设计时必须充分考虑其对加工系统的影响。目前在加工设备中常用的主轴驱动 方式主要有以下几种： l 带传动方式 早期的超精密机床较多的采用这种驱动方式，电机多采用可以无级调速的电动机 消除使用齿轮调速时引入的振动并且将电机从加工设各中独立出来单独安装，避 免了电机振动对加工设备的影响。 2 通过弹性联轴器直接驱动 这种驱动方式把电机与主轴安装在同一轴线上，通过弹性联轴器传动转动这种 结构较带传动方式紧凑但主轴部件的轴向过长从而使得整个机床尺寸较大。 3 电主轴 这种驱动方式是把电机轴做成加工醴备的主轴，即在主轴上固定安装上电机转子， 同时将定子装在主轴箱内这种驱动方式有利于提高了主轴的回转精度咀及缩小主轴 部件的尺寸并且提高了主轴部件的可移动性。 233 主轴的选择 微型高速车削单元需要达到较高的主轴回转速度，并且要求部件尺寸体积较小 因此在微型高速车削单元中采用电主轴。参考上文计算出切削过程中产生的切削力及 切削功率，以及对主轴回转精度及精度保持性的要求系统采用j f i g e r 混合陶瓷球轴承 电主轴型号为z 4 2 m 1 6 02 0s 5 径向跳动量小于i g m ，具有高速与高精度等特点 其具体参数及尺寸如表2 - 6 与图2 4 所示，其功率一扭矩一速度关系如图2 5 所示。此外 基于单元剐度特性的需要，采用4 5 号钢加工主轴支撑部件。 查! ：! 兰圭兰兰竺查兰 最高转速 功率电流频率 夹具夹持直径m ax 重量 【r m in )( k w ) ( a )( h z ) l 删) ( k g ) 图2 4 电主轴外观及结构尺寸图 ， 巨互互二互j e 互三至互 二互三囫 图2 5 电主轴功率扭矩速度关系 24 进给子系统 进给子系统是用来完成微小型轴类零件加工的成形运动，即刀具工件的进给运 动，因此进给子系统的定位精度及运动精度直接影响着工件的加工精度是实现高精 度加工的基础。进给予系统主要由直线导轨机构与进给驱动机构组成其组成部件的 如图2 6 所示。 力矩电机 直线电机 步进电机 音圈电机 滑动丝杠与螺母 壤珠丝杠与螺母 摩擦杆与摩擦轴 压电元件 图2 6 进给于系统组成部件 滑动导轨 滚动导轨 空气静压导轨 液体静压导轨 24 1 直线导轨机构 导轨是系统中用来承担和引导运动部件运动的结构因此导轨对系统的精度有很 大的影响。导轨的材料及带0 造精度直接关系着工作台的运动精度及其保持性，并且导 轨的摩擦特性影响着工作台的低速进给时的稳定性。 目前常用的直线导轨的优缺点如表2 7 所示。 表2 7 直线导轨种类厦优缺点 242 进给驱动机构 进给驱动结构是实现工作台的运动及定位的结构，是系统的重要组成部分，其运 动精度与定位精度直接关系到系统的加工精度。为了实现高精度加工，要求进给驱动 结构具有较好的系统稳定性、较高的定位精度与重复定位精度、快速的指令信号响应 以及良好的静态与动态刚度。此外进给驱动系统还要满足频繁快速的启停、维护方便 咀及低成本等要求。 目前常采用的进给驱动方式如表2 - 8 所示 表2 8 精密进给驱动方式优缺点比较 243 进给子系统部件选型 考虑到进给系统结构尺寸较小、工作台行程较小、精度要求较高以及切削时的工 作台的运动情况本系统选择直线滚动导轨与滚珠丝杠副伺服屯机的支撑与驱动方 式t 具有高精度、高刚度、承载能力高、控制简单及成本较低等优点。 根据工件的加工要求及工作台负载情况，选用中央精机的a l s 9 0 4 h 】p b 直线进给 模块如图2 7 所示，具体参数如表2 - 9 所示可以很好的满足加工要求。 圈17 a l s 9 0 4 h l p b 表2 - 9i 作台具体参敷 2 5 辅助于系统 2 51 检测系统 1 工作台位置检测 为了检测工作台位置信息以实现进给系统的闭环控制微型高速车削单元采用 h e i d e n h a i n l f 4 8 1 光栅尺检测工作台位置，测量步距为01 岬精度等级为3 “r n 允许最大速度为3 0 m m i n ，为微型高速车削单元的精密进给提供了保障。 2 切削力检测 为了检测切削过程中的切削力变化微型高速车削单元采用k i s t l e r 9 2 5 6 c i 三维力 传感器( 图28 ) x y 向量程为o2 5 k n ，灵敏度为一2 6 p c n z 向量程为02 5 k n 灵 敏度1 3 p c n ，x 向固有频率5i k h z ) 向固有频率5 5 k h z z 向固有频率5 6 k h z 。 为准确测量微细车削过程中产生的切削力提供了保障。 臣 i i l 心一一 曼璧7 图28 卜 一- 舒量切削j 】测量系统 此外为了实现刀具的快速精确定位、零件几何特征尺寸的测量以及切削过程的 实时监控在基座上安装一个高分辨率的c c d 摄像机e 252 床身材料的选择 微型高速车削单元床身的结构及材料对单元的整体性能有着很大的影啊，为了更 好的满足微细车削加工的高精度及高刚度的要求对床身提出，以下几点的要求”“： 较高的精度保持性、足够高的静、动刚度以及较好的热稳定性及孽擦特性。 在本设计中，为了实现较高的刚度一质量比、床身结构的布置与加工以及为了后 续的桌面式工厂的组装，床身材料选用铸铁，具有耐磨性好、热变形小、振动衰减能 力强等优点。 253 振动隔离方案 切削过程中振动会导致刀具与工件之间发生相对移动，严重影响着工件己加工 表面的表面租糙度。微型高速车削单元在加工过程中所产生的振动有两种：一种是证 迫振动，它主要来源于主轴部件的动态不平衡力、进给系统的换向冲击等：另一种是 自激振动也称颤振是由切削过程中切削力的周期性变化引起的工艺系统的振动。 为了提高系统的加工质量兢要抑制切削过程中产生的振动最基本的方法就是采 用隔振垫等措施。橡胶垫片对高频振动的隔离性非常好，可咀用于降低车削过程中出 现微振的情况，特别适合微型高速加工设备的防振。因此在微型高速车削单元上采用 加橡胶垫片的岢式来降低振动以及隔离振动。 26 微型高速车削单元结构设计 围2 9 微型高速车削单元 在微型高速车削单元各部件确定后根据设计要求硬各部件r 寸完成整体结构设 计。所设计的微型高速车削单元如图2 9 所示，其外形尺寸为3 2 0 r a m x 2 2 0 r a m “1 3 0 r a m ， 可加工零件直径o5 5 m m 长度0 5 2 o n u n 。具有结构紧凑、承i ! i i i i i i i i i l i i ! i i i i 点。 27 本章小结 本章所做的主要工作有： 1 根据微细车削加工特点在分析微细车削加工的成形条件及加工要求的基础上， 提出微型高速车削单元的技术指标以及总体设计方案e ! 完成了微型高速车削单元的主轴子系统、进给子系统及辅助系统的设计与部件 的琏型。 3 完成了微型高速车型单元的结构设计，并建立了三维实体模型为微细车削加 工的研究提供了实验平台与研究对象。 第三章微型高速车削单元性能分析及优化 31 微型高速车削单元的有限元模型 对微型高速车削单元进行静、动态分析的基础是建立微型高速车削单元结构简化 的有限元模型系统结构简化的基本原则是i = i l | 度等效原则| 3 在简化过程中将不发 生相对运动的部件固连为一体如导轨与床身、主轴及主轴支架与糈台滑块、车刀与 刀架，同时将一些不影响分析结果的倒角及倒圆去掉。其中主轴为装配组件，但在进 行建模时将主轴视为密度均匀的结构。 微型高速车削单元的主要部件多为实体结构，并且材料均匀。对各部件的材料属 性进行贼值，然后进行网格划分，得到微型高速车削单元的有限元网格模型如图3l 所示。 图3i 微型高速车削单元的有限元模型 32 静力学分析 静力学分析主要用来分析零件或装配体在静志外载荷作异j 下产生的变形及应力。 微型高速车削单元在切削过程中主要受到切削力的影响，因此静力学分析主要分析微 型高速车削单元在切削力作用下所发生的变形和应力。 在床身底部施加固定约束，将第二章求得的切削力分力分别加裁到车刀刀尖及工 件上来模拟实际加工工时系统受到的静态切削力的。对微型高速车削单元进行静力 分析，得到其在三个方向的静力载荷作用下的结构变形图如图3 2 所示。 。鼍- ! 图3 2 系统的静态变形 33 模态分析 33 1 模态分析理论基础 机床在运行时振动会引起结构的共振或疲劳，进而破坏结构，同时结构的振动 会影口自若工件的加工质量因此在设计过程中需要考虑振动对机床结构以及加工质量 的影响- 对提高系统的可靠性具有重要的意义。 模态是机械结构固有的振动特性i ”】。每一阶模态都对应着特定的固有频率及振型， 而进行的模态分析就是求解出结构特有的固有频率及振型以避免外载荷的频率同结 构的固有频率接近或相同以降低共振现象的发生。 因此模态分析是对微型高速车型单元进行整体动态特性分析和结构优化改进设计 的关键。 在对微型高速车削单元进行模态分析时，可以将其看成是具有多个自由度的线性 振动系统其受迫运动方程为i ”i ： 阻腑 + p k + k ) _ ，( t ) ( 31 ) 式中： m i 一系统的质量矩阵； ( c 系统的阻尼矩阵： k i 一系统的刚度矩阵； q 一位移向量： 扩( ，) 一激励向量。 微型高速车削单元的模态是由其组成部件的结构形状及材料的特性决定的与外 _ | |譬轩 =鞴瓣器 t_妻a日hhhh 部载荷无关。并且结构阻尼对对系统的固有频率的影响很小 可以简化为n 自由度的无阻尼振动方程： 【m 括 + 医k ) = o 设* = 扣j c o s ( o ) , t ) 式中： 口一振型t 特征向量) ： 以一简谐振动的频率。 可以忽略。因此式( 3 t 3 2 ) ( 3 3 ) 将式( 3 3 ) 带入到式( 32 ) 中，可得到一个特征值方程： k 一m ? 时】 n = 0 ( 34 j 式l3 4 ) 有非零解的充要条件是它的行列式为零，因此展开行列式可以得到一 个关于砰的n 披多项式，由此可解出结构的n 个固有频率，其大小由系统的刚度和质 量确定。对于某一固有频率将其带入式( 34 ) 可求得的特征向量即为系统结构在 该固有频率f 的撮型。 332 微型高速车削单元模态分析