（机械电子工程专业论文）多功能微细加工数控平台研究.pdf

多功能微细，j n - r 数控平台研究 孙德旭( 机械电子工程) 指导教师：刘永红教授李丈卓副教授 摘要 随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高， 各种微细加工也得到了广泛的应用。本文通过对微细电火花加工、微细电 解加工和微细切削加工进行分析研究，针对各种加工无法满足不同材料、 不同结构加工要求的弊端，创新性地提出了将微细电火花加工、微细电解 加工和微细切削加工综合于一个平台的多功能微细加工平台方案。 在多功能微细加工平台的整体设计方案中，主要对微细电火花加工平 台进行了详细的设计与研究。机械部分主要由立式旋转主轴、步进电机及 压电陶瓷伺服进给装置、制作微细工具的反拷系统和x y 双轴联动工作台 构成。电气部分则采用p c 机控制下的单片机核心控制系统。 研制了用于微细加工的关键技术一宏微复合伺服进给机构，该机构选 用步进电机作为宏进给驱动，用压电陶瓷作为微进给驱动，并且步进电机 和压电陶瓷采用双闭环复合伺服进给的方案。针对微细电火花n i 研制了 用模块化方法设计的可实现电极振动式进给的控制系统，针对微细切削加 工研制了以p c 6 3 1 3 作为核心控制机的两轴联动控制系统。 用v i s u a lc + + 编写了基于w i n d o w s 系统的用户界面，并在微细加工机 床上进行了加工实验。用微细电火花3 h i 得到5 0 p m 的微细孔，用微细钻削 加工得到1 0 0 1 a m 的微细孔，用微细铣削加工得到最小宽度为1 5 0 9 m 的沟槽， 并取得了不错的加工表面质量。 关键词：微细加工，宏微复合伺服系统，微进给机构 r e s e a r c ho nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i - f u n c t i o n m i c r o - m a c h i n i n gt o o l s u nd e x u ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i uy o n g - - h o n ga n dv i c ep r o f e s s o rl iw e n z h u o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to f p r o d u c t s m i n i a t u r i z a t i o na n dp r e c i s i o ni sm o r ea n dm o r e a c c o r d i n gt op r e s e n t s i t u a t i o n ，e a c hm i c r om a c h i n i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d i no r d e rt ou s et h e i r a d v a n t a g e st h o r o u g h l y ，w ep u tt h em i c r o - e d m ，m i c r o - e c ma n dm i c r o c u t t i n g i n t oo n e p l a t f o r m s ot h e n u m e r i c a lc o n t r o lo fm u l t i f u n c t i o nm i c r o m a c h i n i n gt o o li sp r o p o s e d i nt h i sw a y , s o m ed i f f e r e n tm a t e r i a l sc a nb ee a s i l y p r o c e s s e d d u r i n gt h ed e s i g n i n go f t h ew h o l ep l a t f o r m ，w ep u to u re f f o r tt od e s i g n i n g a n dr e s e a r c h i n gt h ee d mt 0 0 1 i nt h ee d mt o o l ，t h em e c h a n i c a lp a r ti sc o n s i s t o fs t a n d i n ga x i sa n ds t e pm o t o ra n dp i e z o e l e c t r i cc e r a m i cs e r v os y s t e ma n ds o o n t h ec o r eo f t h es y s t e mi sas c mc o n t r o l l e db yp c w er e s e a r c ht h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yf o rm i c r om a c h i n i n g ，t h e m a c r o m i c r oc o m p o s i t es e r v os y s t e m i nt h i ss y s t e m ，t h es t e p p e rm o t o rp l a yt h e r o l eo fm a c r od r i v i n gp o w e r , t h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci sp l a yt h er o l eo fm i c r o d r i v i n gs y s t e m f o rt h ee d m ，w er e s e a r c ht h ep r o g r a mw h i c hc a l lm a k et h e e l e c t r o d em o v ev i b r a n t l y a n dt h es i n g l ec h i pc o m p u t e ri sa st h em i c r o c i r c u i tt o c o n t r o lt h ed i r e c tj o b a l s o ，f o rt h em i c r om i l l i n g ，w ec o m p i l et h ei n t e r p o l a t i o n p r o g r a mo f t h em i c r om i l l i n gm a c h i n i n g a ni n t e r f a c eo np ci s c o m p i l e dw i t hv i s u a lc + + u s i n gt h ed e s i g n e d i i ； m a c h i n et o o l ，s o m et r i a l sa r ed o n e i nt h em i c r o e d me x p e r i m e n t ，t h em i c r o h o l ew i t h3 0 9 md i a m e t e rc f l nb eg o t t e n i nt h em i c r o d r i l l i n ge x p e r i m e n t ，t h e m i c r oh o l ew i t h1 0 0 9 md i a m e t e rc a nb eg o t t e n i nt h em i c r o m i l l i n ge x p e r i m e n t ， t h em i c r og r o o v ew i t h1 5 0 9 md i a m e t e rc o d b eg o t t e t l k e y w o r d ：m i c r o m a c h i n i n g ，m a c r o m i c r oc o m p o s i t e s e r v os y s t e m ，m i c r os e l n o m e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：强( 矬签名：级：! 整矬l 刁年易月，同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：銎! 堡坦 导师签名：型i 盎纽 侈僻 月日 v 卞6 月 ，r 中国4 i 油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 1 课题研究目的意义 第1 章前言 随着科学技术的发展，一方面，对产品的小型化和精密化程度的要求 越来越高，例如可在狭小空间和危险场所作业的自行式微型机械，可进入 管道、人体腔体内甚至血管内进行检查和手术的微机器人等，这使得微细 加工技术受到了世界各国的普遍重视，投入了大量的人力物力进行研究 1 1 , 2 , 3 】。现在应用比较广泛的微细加工技术有微细电火花加工、微细切削加工 和微细电解加工等。 另一方面，各种微细加工又具有各自的优缺点。例如微细电火花加工 的主要问题是微细工具电极的制造、电蚀产物的排出和电极损耗，加工表 面有热影响层和微裂纹，加工速度低等缺点。微细电解加工具有加工不受 材料强度和硬度限制、阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质 量好、生产率高等优点m 】。微细切削技术在微小型三维实体结构、致动器 的制作上有其独到之处，且其批量制作可以通过模具加工、电铸、注塑等 方法实现。虽然采用切削方法进行微细加工取得了进展，但是，这些方法 也存在着本身难以克服的缺点【6 】。针对各种微细加工的特点和一些零件的工 艺及工序特点，我们希望能设计出一种既有针对性又能发挥各种微细加工 优点的多功能微细加工平台。 从目前的情况来看，多功能微细j u t 平台已经成为微机械制造领域的 一个重要组成部分，在制造业中引起了广泛的关注。微细加工平台的研究 已成为整个微型机械制造领域的一个非常重要的方向，具有重大的理论意 义和实际应用l ； 景，受到了国内外的广泛重视。 目前，发达工业国家的微细加工数控设备有些已经进入工业应用和商 业销售阶段，如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较 成熟的产品，其中以日本松下精机的产品性能最优，该产品能稳定；o u t 中国t i 油大学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 ( i ) 5 1 t m 的小孔，代表着这一领域的前沿，但其价格非常昂贵，大约需要2 0 万美元左右。而在国内则是刚刚引起人们的关注，还有很远的路要走。因 此，研制多功能微细加工平台不仅具有重要的现实意义，还具有极其深远 的战略意义。 1 2 多功能微细加- 1 - 数控平台技术的研究现状 随着航天、航空、电于、机械、仪器仪表、化学纤维、自动控制及医 疗器械等科学技术和工业生产的发展，小孑l 的应用同趋广泛。细微孔结构 不仅广泛应用于机械工业和电子工业的手表夹板、油泵油嘴、化纤喷丝板、 计算机喷墨打印头、集成电路上的微细导向定位孔、高速通信设备中的光 导纤维连接器，而且还用于航空陀螺仪表元件、微型滑阀套筒、航空发动 机叶片的气膜冷却j l 以及生物医学技术，如红血球细胞过滤器等方面。这 些也给微细孔加工技术提出了越来越高的要求。目前，已发展了大约有5 0 余种加工微小深孔的方法，包括钻削加工、磨削加工等传统加工手段和电 火花加工、激光加工、超声波加工等特种加工手段1 7j 。 早在1 9 7 0 年美国斯坦福大学就丌始了微型机械的研究工作，1 9 8 7 年以 后，美国各部门便开始投入大量的经费资助微型机械的开发。随后r 本和 西欧各国也相继将此项研究列为重要发展领域【8 】。日本在微型机械方面的研 究虽然起步晚于美国，但重视程度和投资强度均超过美国【9 l 。桥) t i n 造所的 桥川荣二曾进行过电火花与激光复合精密加工系统的开发，用激光加工预 孔，用电火花进行精加工，试验结果表明这个复合加工可以大大提高加工 效率与工件的质量u “。近年来，我国的一些高等院校和研究机构也逐步意 识到多功能微小型加工装置的发展和应用| j i 景，开始对该领域进行跟踪探 索，并取得了一定成果j 。 1 2 1 国外多功能微细加工数控机床的新进展 现在的机床在应用i t 技术的同时，在尺寸、加工速度、精度、刚性、 合成性以及多轴控制等方面已经逐渐进入了“超级”时代”。 2 中国i i 油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 中村留精密工业研制生产的多款复合型机床，比如：将双轴c n c 旋床 与加工功能高效融为一体的“s u p e rn t x ”，配备高铡性转塔旋转b 轴的 “s u p e rn t j ”，以及利用第三转塔来进行零等时问加工的“s u p e rn t m 3 ” 等。 森精机制作所生产研制出c n c 旋床、立式加工中心和卧式加工中心。 c n c 旋床“m t 2 5 0 0 s z ”可广泛应用于飞机部件等复杂而且精度要求非常 高的小型机件。下面是国际上应用比较成功的系统： ( 1 ) 电火花与激光复合精密加工系统的丌发 日本桥川制造所的桥川荣= ，将市场需求正在急剧增长的精密电子零 件模具与高压喷嘴等使用的超高硬度材料超微硬质合金以及聚晶金刚石烧 结体的加工作为重点，对这些大深径比的深孔开发高效率的加工系统【l q 。 此系统的具体运行过程是首先利用激光在工件上加工贯穿的通孔，以 使其具备电火花加工良好的排屑条件，然后再进行电火花精加工。用这两 步加工方法，以实现高效率，大深径比的深孔加工。用激光加工预孔，用 电火花进行精加工，对于实施精加工的电火花加工来说，为了最佳控制不 断变化的放电状态便选用了直线电动机驱动的电火花成型加工机床。而直 线电动机驱动的电火花加工机床的优点有：无机械滞后、偏移、间隙方面 的影响；利用伺服进给的高响应可始终控制极间状态保持最佳，所以能稳 定地进行加工，从而提高加工速度。尤其对于极问状态很容易恶化的微细 加工和精加工来说，这种效果更大；直线电动机驱动可实现高速抬刀动作， 增强了加工屑的排出作用；由于大幅度提高了极间距离的优化控制和伺服 反馈响应特性，因此显著提高了最佳加工条件下的加工特性。 ( 2 ) 多功能微细电火花加工中心 德国柏林技术大学生产技术研究中心( p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yc e n t e r ) 在夏米尔公司的r o b o f i l 2 0 0 0 五轴线切割机床的基础上改进的微细电火花加 工中心如图1 1 所示i l 。 该加工中心能实现微线切割、微型腔加工、微线电极磨削、微电火花 中国t i 油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 钻削和铣削等多种微电火花加工。由于该加工中心功能众多，因此非常适 合加工各种复杂的型面。 幽1 - 1 微细电火花加_ j ：中心不意图 1 2 2 国内多功能微细加工数控平台的研究状况 国内在多功能微细加工的研究主要有哈尔滨工业大学、中国纺织大学、 合肥工业大学，南京航空航天大学，徐州空军学院等。哈尔滨工业大学特 种加工研究所曾进行过基于微细电火花加工平台的微细电解加工实验，并 且取得了不错的效果；中国纺织大学采用超声电火花复合加工法，可以加 工数十微米的微细孔，加工效率也较高【l4 1 。徐州空军学院曾进行过电火花 电解机械复合加工新方法探索，通过实验及结果说明电火花电解断续磨削 复合加工是一种高效的、值得推广的难磨削材料半精加工或精加工方法【1 5 】。 ( 1 ) 六轴数控精密微细电火花机床 最近上海s a r i x 公司推出六轴( x y z c a j b ) s x 2 0 0 h p m 数控精 密电火花机床，x w z 行程3 5 0 2 0 0 2 0 0 m m ，x y 轴定位精度士1 1 t m ，工作 台上装有电极修正装置，采用线电极等方式进行修正，通过x 、y 、z 、c 等相关轴的联动，进行各种形状电极的反拷加工。z c a b 可加工直径小于 o 0 2 m m 的微孔，如可进行硬质合金集成电路模具的穿丝孔加工等。该机床 还可以进行电火花铣削加工i l “。 中国m 人学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 ( 2 ) 微细电火花、电化学加工装置 哈尔滨工业大学设计开发了一台用于微细电火花、电化学加工的装置， 如图1 2 所示。 图1 - 2 微细电火花、电化学加工装置结构幽 它由花岗岩基座、精密伺服机构、精密高速旋转主轴、线电极磨削装 置、专用r c 脉冲电源、加工状态检测系统和控制系统等部分组成。x 、y 、 z 方向上的运动部件都由直流伺服电机驱动，行程范围为1 0 2 m m 1 0 2 m m 1 0 2 m m ，具有3 轴联动功能，控制方便，容易实现数控插补功能。在该 装置上可以进行微细轴、微细孔和微三维结构的加工。能稳定地加工出直 径小于6 9 i n 的微细轴以及直径小于1 0 i | t m 的微细孔，其长径比分别可达到 2 5 和1 0 以上。且该装置还能进行微细电化学加工，加工出的微细轴最小直 径达到8 9 m 。 ( 3 ) 2 0 5 t 全功能数控系统简介 2 0 5 t c n c 全功能车床数控系统是大连高金科技发展有限公司与日本 a v a i l 技研株式会社联合开发的新型数控系统。该系统选配安川伺服电机， 采用3 2 位c p u ，硬件高度集成化、体积超小型化、高性能、高可靠性、高 效率。该系统结合我国数控机床的具体特色，充分考虑了系统的使用环境， 中国i 舳人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 功能的实用性以及中国用户的使用习惯，系统操作简单、方便、实用1 1 9 1 。 2 0 5 t 全功能数控系统各项性能、指标、参数等均达到了相关标准。该 数控系统性能价格比很高，跟同类型的开本产品相比，价格只有它的1 2 。 因此，完全有理由相信，一旦该系统大批生产投入市场，可替代大量的进 口数控系统，成为机床行业数控系统的主力装备机型【1 9 】。 ( 4 ) x k 0 2 8 五轴联动数控机床的研制 x k 0 2 8 五轴联动专用数控机床是加工空间弧面凸轮、空问圆柱凸轮及 模具的最理想设备。数控系统采用日本三菱m 5 2 0 系统，能实现五轴( x ， y ，z ，a ，b ) 联动，该机床刚性好、切削动力大，精度高，是当今国内最 先进的数控加工设备之一【2 0 1 。 计算机数字控制系统：计算机数字控制系统如同机床的大脑和心脏， 其性能的好坏是数控机床整机性能的关键。通过对几种国际上著名品牌大 型数控系统进行了比较，最后选用同本三菱数控系统( m i t s u b i s h i c n o ， 型号为m e l d a s 5 2 0 m s e r i e s ) 。 m e l d a s 5 2 0 m s e r i e s 具备下述特点【2 0 ： 1 ) 能够控制六轴( x y 孤b c ) ，现为轴( x y z a b ) 联动，功能 非常强。能进行空间曲线、曲面的加工，特别适合于各种凸轮、模具的加 工。 2 ) 编制程序时能快速进行图形、坐标显示，因此能很方便而直观地检 查程序轮廓的尺寸是否j 下确，减少辅助时间。 3 ) 系统能一边加工零件，一边编制新程序，大大提高了机床利用率， 还可接受外部计算机控制。 4 ) 系统具有中文，英文两种显示方式。 5 ) 全编辑功能，函数计算功能，坐标值可变量及函数式直接表示，自 动编程功能较强。 6 ) 能对多个程序进行统一管理有机联接，根据加工情况判别转移操作 或加工，程序能保护，保密。 6 中国4 i 油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 7 ) 系统可设置8 种通讯协议。分别与8 种外设通讯，即能充分利用客 户已有设备，节省开支。 8 ) 系统采用“菜单”操作系统，按加工要求索引操作，简单明了。故 障用英语句子显示说明，全系统状态显示，可随时了解加工中的信息。 9 ) 系统采用国际上最先进的交流伺服系统，升温低，无需保养，闭环 控制，刚性好。 1 0 ) 系统具有间隙补偿、螺距补偿及刀具半径和长度补偿功能。 1 1 ) 系统内存6 4 k ，可扩成8 0 k ，1 6 0 k ，程序保存一年以上。 1 2 ) 可与群管理系统联接，增设自适应控制项目等。 目| j i ，国内数控系统的生产主要以经济型数控系统为主，北京凯恩帝、 帝特马公司、江苏仁和公司、南京华兴、新方达公司等都是以生产经济型 数控系统为主，使用的厂家多是用于机床改造、或为简易机床配套。 根据国家有关方面统计，目前国内所有的机床厂配套数控系统，精度 要求高的机床完全依赖进口的数控系统，这类数控系统价格比较高，多在5 万元上下，甚至十多万元不等。而国产数控系统虽然价格便宜，但普遍存 在性能和水平较低的问题。 由以上的国际及国内的形势可以看出，当今数控机床的控制精度及稳 定性都在飞速的提高，但是考虑将更多种微细加工用到一个平台的数控系 统却需要我们付出不懈的努力。 1 3 本文研究的主要内容 本文以实现多种微细加工功能为出发点，设计一台高效率，高精度的 多功能微细加工数控平台，并将设计的重点放在伺服控制系统的设计和多 种加工功能的实现上。其中具体的工作内容如下： ( 1 ) 总结出微细电火花加工、微细电解加工和微细切削加工的特点及 工艺规律，提出对原理样机的设计要求，并根据设计要求，完成多功能微 细加工机床的整体设计方案。 7 中国t i 油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 ( 2 ) 研制多功能微细加工机床的伺服控制系统，主要是研制了微细电 火花加工和微细切削加工的伺服控制系统。微细电火花加工的脉冲放电能 量极小，且放电i 日j 隙只有几微米，而放电的频率又极高，这就要求所研制 的微细电火花加工平台的伺服系统和执行机构要有很高的响应速度和控制 灵敏度。 ( 3 ) 在研究分析微细电火花加工对伺服进给系统的要求和宏微复合 进给机构设计方案的基础上，研制步进电机和压电陶瓷双闭环复合伺服进 给系统。 ( 4 ) 针对微细电火花加工研制可实现电极振动式进给的控制系统，解 决用m s c o m m 控件进行串口通信时的数据类型转换问题，解决步进电机脉 冲计数和用上位机实现位置控制的问题。针对微细切削加工研制以p c 一6 3 1 3 作为核心控制机的两轴联动控制系统。用v i s u a lc + + 编写了基于w i n d o w s 的用户界面，同时完成机床设计中相关的各种驱动电路设计和相关的各种 软件编制。 ( 5 ) 利用设计的样机，进行微细电火花加工实验和微细切削加工实 验，摸索微细加工的一些规律和方法，并在微细电火花加工实验中加工出 微细孔和微细轴，在微细切削加工实验中加工出微细孔和微细沟槽。 中国i i 油大学( 华东) 硕十论文第2 章微细加l 原理与特点 第2 章微细加工原理与特点 微机械的加工方法有：由特种加工衍生的微细特种加工，由切削加工 衍生的微细切削加工及由硅平面技术衍生的微蚀刻加工。可以进行微细加 工的特种加工方法主要有电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、 离子束加工、电子束加工等。可以用柬进行微细加工的切削方法有：微细 车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等【6 】。本章下面的内容将具 体地分析本平台所要用到的微细加工的加工理论基础。 2 1 微细电火花加工原理与特点 通常认为，电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、 磁力、热力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程【2 ”。当脉冲 电压施加到工具与工件电极之间时，极间介质被击穿并形成一个极为细小 的放电通道。由于放电通道中电子和离子受到放电时的电磁力和周围液体 介质的压缩，因此其截面积很小，通道中的电流密度极大，可达1 0 4 1 0 7 a d c m 2 。放电通道是由数量大体相等的带正电粒子( 诈离子) 和带负电 粒子( 电子) 以及中性粒子( 原子或分子) 组成的等离子体。在极问电场 作用下，通道中的币离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞， 从而在放电通道中产生大量的热量；同时，阳极和阴极表面分别受到电子 流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量 的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达1 0 0 0 0 以上。 另外，由于火花放电时的电流会产生磁场，该磁场又反过来对电子流 产生向心的磁压缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩 展受到很大阻力。故而放电开始阶段通道截面很小，而通道内由高温热膨 胀形成的初始压力可达数十甚至上百个千帕，高压高温的放电通道以及随 后瞬时气化形成的气体急速扩展、产生一个强烈的冲击波向四周传播。因 9 中国i 舳人学( 华尔) 硕十论文 第2 章微细加。原理与特点 此，火花放电，蚀除材料的过程是热效应、电磁效应、光效应、声效应及 频率范围很宽的电磁辐射和爆炸冲击的综合过程，而这一过程一般只有 1 0 。7 1 0 4 秒 2 1 , z 2 1 。图2 1 是电火花在空气中放电时的放电通道形状照片【2 3 1 。 幽2 - l 放电通道j i 片 电火花微细加工的加工机理与常规电火花加工的机理相同，都是利用 脉冲电源将高频放电能量输向放电间隙，靠产生的高温热效应等综合效应 实现对材料的去除，进而达到对工件尺寸加工的目的。但由于被加工的孔 径细微，一般在5 1 0 0 p m 之间，因此要达到加工的尺寸精度和表面质量要 求，还应有一些特殊的要求。针对所要研究的内容，在查阅大量前人研究 成果的基础上，本文总结出微细电火花加工的特点主要有以下几点： ( 1 ) 火花加工的放电面积很小 假设所用为圆柱形电极，其火花放电面积a 为： 爿：上万d2(2-11 4 式中，a 为圆柱电极截面面积，岬2 ；d 为圆柱电极直径，g m 。 微细电火花加工的电极一般在0 5 巾1 0 0 岬之间，对于一个0 5 1 t m 的 电极来说，放电面积不到2 0 1 t m 2 ，在这样小的面积上放电，放电点的分散 范围十分有限，极易造成放电位置和时间上的集中，极大地增大了放电过 程的不稳定，使得微细电火花加工变得非常困难。 ( 2 ) 单个脉冲放电能量很小 电火花加工的单个脉冲放电能量可用下式表示： ，2 弘( 小( ) 讲 ( 2 - 2 1 l o 中国i 融人学( 华东) 硕十论文第2 章微细加i ：原理与特点 式中，f 为放电电流，a ；“俐为极日j 电压，v ；r ，为放电时间，s 。 为适应放电面积极小的电火花放电状况要求，保证加工的尺寸精度和 表面质量要求，每个电火花放电的去除量应控制在o 1 0 0 1 p m 的范围内， 因此必须控制每个放电脉冲的能量在1 0 4 1 0 0 j 之间，甚至更小。 ( 3 ) 火花放电问隙很小 放电问隙的大小和一致性对加工精度有着极大的影响。火花放电间隙 与介质的抗电强度有极大关系，当采用纯净的煤油作为工作液时，由于它 的抗电强度高，通常放电问隙很小。然而，在电火花加工过程中，极间液 体介质都混有电蚀产物，使其抗电强度大大降低，放电间隙显著加大。其 次，击穿电压与放电间隙办有很大关系，表2 1 【2 1 】给出了在纯净煤油中，两 种形状紫铜电极相对平面钢工件的实验数据2 ”。 ，j 表2 - 1 在煤油中小间隙的击穿电压u k p ( v ) 放电间隙可用下列经验公式来表示瞄1 ： s = k 。甜，+ ka z4 + s 。 ( 2 3 ) 中国7 i 油人学( 华东) 硕十论文第2 章微细加i ：原理与特点 式中，s 为放电间隙( 指问面放电间隙) ，g m ；玑为开路电压，v ；凰为 与工作液介电强度有关的常数，纯煤油时为5 1 0 ；含有电蚀物后凰增大； 硒为常数，与加工材料有关，一般易熔金属的值较大，对铁，k r = 2 5 1 0 2 ， 对铜，蜘= 2 3 1 0 2 ；w m 为单个脉冲能量，j ；勘为考虑热膨胀、收缩、振 动等影响的机械日j 隙。 为保证加工尺寸精度和表面质量的要求，微孔加工时的放电问隙应控 制在很小的范围，最好应在l p m 左右。因此要求进给系统的响应灵敏，且 步距进给分辨率应小于0 1 m ，最好在o o l 0 0 0 1 p m 之间。 ( 4 ) 微细工具电极的制备困难 为了能加工出尺度很小的微小孔和微细型腔，必须先获得尺度更小的 微细工具电极。在以往的微细电火花加工中，微细工具电极一般采用专门 加工后二次安装到机床主轴头上的方法，此时明显存在着微细电极的安装 误差及变形误差等，难以保证工具电极与工作台面的垂直度以及电极与回 转主轴的同轴度等。w e d g 出现以前，微细电极的制造与安装一直是制约 微细电火花加工技术发展的瓶颈问题。由于微细电极安装过程中存在的问 题，采用离线方式进行电极的检测显然是不可取的。从目前的应用情况来 看，采用w e d g 技术能很好地解决微细工具电极的制备问题。 为了获得极细的工具电极，要求具有高精度的w e d g 系统，同时还要 求电火花加工系统的主轴的回转精度达到极高的水准，一般应控制在l g m 以内。 ( 5 ) 电火花加工用的脉冲电源频率高 由于每个电火花脉冲的能量极低，为保证电火花具有一定的效率，用 于微细电火花加工的脉冲电源应具有很高的频率，一般应高于1 0 m h z ，且 脉宽要小于1 0 0 n s 。 ( 6 ) 排屑困难，不易获得稳定火花放电状态 由于微i l ) j n 工时放电面积极小，且放电间隙也很小，极易造成短路， 因此欲获得稳定的火花放电状态，其进给伺服控制系统应有足够的灵敏度， 中国_ i 油人学( 华东) 硕十论文第2 章微细加i ：原理与特点 在非f 常放电时能快速地回退电极，消除间隙的异常状态，提高脉冲利用 率，保护电极不受损坏，最终提高加工速度。 2 2 微细电解加工原理与特点 电解加工是通过多种技术集成使电化学阳极溶解极大强化的过程，确 切的说，电解加工j 下是在电解抛光的基础上经过重大技术革新发展起来的， 高流速、大电流、小间隙是电解加工的工艺特点。通常情况下，电解加工 电解液液压力为0 5 2 5 m p a ，相应流速为5 5 0 m s ，电流密度为 1 0 5 0 0 a c m 2 ，槽电压为5 2 0 v ，加工间隙为0 0 5 1 0 m m l 4 j 。电解微细加工 的加工机理与常规电解加工的机理相同，但微细电解加工受到很多不同于 常规电解加工参数的制约，而主要影响微细电解加工的特点可归纳如下： ( 1 ) 与常规电解加工相比对电参数的要求不同 一般采用较小的加工电压，通常为4 1 0 伏，而常规电解加工为5 2 0 伏； 微细电解加工的加工面积要远远小于常规电解加工：微细电解加工的加工 电流很小i 冽。对电源的要求与常规电解不同，由于加工问隙很小，对电源 输出要求很精确，微小的输出变化将对加工精度过程稳定性产生很大的影 响；对电源的输出功率要求很低，普通桌面型电源即可满足要求；采用高 频脉冲电源，可以有效地避免由于加工间隙内电解液成分变化和温度升高 等造成溶液电阻率增加所带来的加工精度降低问题，而且可以在脉冲间隔 时间内补充新鲜电解液，冲刷电解产物，保证加工稳定性0 5 1 。 ( 2 ) 制作微细阴极比较困难 由于加工尺度的限制，必须采用微细阴极，若要进行稍微复杂型面的 电解成型加工，其阴极制备将更加困难，故目前多是研究采用简单圆柱微 细阴极的微细孔缝加1 1 2 6 , 2 7 , 2 8 1 ，也有研究通过多轴运动控制微细柱状阴极的 运动轨迹，加工出比较简单的二维或三维微细结构 2 5 , 2 9 , 3 0 】。目前，微细电解 加工的阴极材料多是采用具有强耐蚀性的金属箔丝，通过特殊手段安装到 加工主轴头上，进行微细缝孔电解自n q - t 2 6 ，3 l 】。也有采用电火花技术或者电 中国f i 油人学( 华东) 硕十论文第2 章微细加i ：原理与特点 化学磨削技术加工得到的阴极。但阴极材料的选择必须考虑到其在电解液 罩是否会发生化学腐蚀反应f 2 5 1 。 ( 3 ) 力工间隙很，j 、 常规电解加工问隙的尺寸o 1 一l m m ，微细电解的加工问隙要远远小于 它，般为0 叭一0 1 m m 之问。在微细电解加工中，加工是否可以得以实现 主要依赖于加工问隙的大小和稳定程度【3 “，电解加工问隙分为端面间隙、 侧面f 日j 隙和法向间隙。要保证高的成型精度，除了端面间隙要维持在一个 比较小的水平外，侧面间隙的大小随加工深度的变化也必须保证在较小的 范围，这样才能保证加工微孑l 的锥度和加工窄缝侧壁的垂直度m 5 1 。 ( 4 ) 非匀速进给加工方式 微细电解加工时加工间隙很小，间隙内电解液的量也很少，如果要实 现和匀速电解加工一样的加工速度，问隙内的温升和气泡析出将极大的影 响电导率变化，而且排出电解产物比匀速加工困难，其对稳定加工的影响 远远大于匀速加工，所以通常采用低速加工或者非匀速进给方式加工，以 提高加工稳定性，但其平均进给速度将显著低于匀速进给电解加工，导致 加工效率下降。在微细电解中采用有效的阴极复杂运动进给方案，可以维 持在小阳j 隙下稳定进行加工，不仅可以提高加工稳定性，而且还可以提高 加工精度 2 5 + 3 1 】。 ( 5 ) 机床结构设计选择困难 目前电解加工机床主要采用单轴数控运动，由于床身体积庞大，加上 配套的电解液系统及其它附属系统，占地面积达到几十平方米以上。电解 加工机床结构通常采用立式c 型结构或者是i i 型龙门结构。若采用立式c 型 结构，为满足刚度，其横梁部分其截面的惯性距设计的比较大，违背了机 床小型化设计的初衷。若采用i i 型龙门结构，操作方便性会大大下降。因此， 有必要根据微细电解加工的独特性【2 5 0 刀，设计一种微细电解加工机床，其 本体结构必须兼顾好的系统刚性、系统结构小型化和方便的操作维护性， 有利于加工稳定地维持在微小间隙下，刚度大，精度高1 2 ”。 4 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章微细加l 原理与特点 2 3 微细切削加工原理与特点 目的微细切削加工技术可使用切削刀具，对包括会属在内的各种可切 削材料进行微细加工，而且还可利用c a d c a m 技术实现三维数控编程， 几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。与某些特种加工方法 如电火花、超声加工相比，微细切削加工具有更快的加工速度、更低的加 工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。微细切削加工技术并不是宏 观切削加工在尺度上的简单缩小，而是具有自己独特的加工机理和特点 3 2 , 3 3 , 3 4 。基于本课题的研究方向，主要进行微细钻削和微细铣削方面的研究 和实验，下面将主要分析与研究微细钻削和微细铣削的理论基础。 2 3 1 微细钻削加工原理与特点 微细钻削加工一般用柬加工直径小于o 5 m m 的孔。钻削现已成为微细 孔加工的最重要工艺之，可用于电子、精密机械、仪器仪表等行业旧。 目前微细钻削的技术特点主要有以下几点： ( 1 ) 微细钻头制作困难 微细钻削的一个关键问题是微细钻头的制作问题。目前，商业供应的 微细钻头的最小直径为5 0 “m ，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方 法。有人用聚焦离予束溅射技术制成了直径分别为1 3 1 a r n ，2 2 t t m 和3 5 r t m 的钻、铣削刀具。但是聚焦离子束溅射设备复杂，加工速度较慢。用电火 花线电极磨削( w e d g ) 技术则可以稳定地制成m 1 0 t t m 的钻头，最小可达 q ) 0 6 5 “m 1 3 4 , 3 5 】。用w e d g 技术制作的微细钻头，如果从微细电火花机床上 卸下来再装夹到微细钻床的主轴上，势必造成安装误差而产生偏心。这将 影响钻头的正常工作甚至无法加工。因此，用这种钻头钻削时，必须在制 作该钻头的微细电火花机床上进行【3 3 枷1 。 ( 2 ) 微细钻削加工机床设计困难 为了制造出高精度的微型零件，机床的尺寸必须要小，精度要高，动 态性能要好。微细钻削机床的关键技术主要包括高速精密主轴系统、高速 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章微细加i ：原理与特点 进给系统、控制系统、高效冷却系统、高性能刀具央持系统以及支撑材料 和安全防护体系1 3 7 , 3 8 j 9 1 。 ( 3 ) 微细钻削加工的尺寸效应 微细钻削加工技术不仅以微小尺寸和工作空间为特征，更重要的是， 微细钻削具有自身独特的理论基础，微构件的物理量和机械量等在微观状 念下呈现出异于传统机械的特有规律，这种现象就是微细钻削加工的尺寸 效应 2 5 】。在微细钻削过程中，由于切削层厚度已经十分薄，其尺寸与微观 尺度相近，尺寸效应对加工精度的影响就变得十分明显，传统的制造精度 理论和分析方法将不再适用 4 0 - 4 3 l 。在微观领域，与特征尺寸的高次方成比 例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与特征尺寸的低次方成比例的 弹性力、表面力和静电力的作用愈来愈显著，表面积与体积之比增大，因 而微机械中常常采用静电力作为驱动力 3 2 a o a ”。 尺寸效应的存在严重制约了微细钻削加工技术向前发展，目前对尺寸 效应的研究还很不充分，有待进一步的深入探讨。 2 3 2 微细铣削加工原理与特点 微细铣削加工技术指用微型铣刀对微小零件进行铣削加工的技术。目 前，大多数微细铣削的研究与应用都是采用直径几十微米至一毫米的微型 立铣刀，在常规尺寸超精密机床上进行微结构加工【4 4 ，4 8 1 。但微细铣削技术 要更加广泛的应用还受到很多地方的限制，下面将几个主要技术难点总结 如下： ( 1 ) 微型铣刀的制作与刀具寿命问题 f r i e d r i c hv a s i l e 采用聚焦离子束加工技术制作微型铣刀，最小直径达到 2 2 1 t m 。利用定制的高精度铣床在聚甲基丙烯酸甲酷( p m m a ) 上加工出 8 9 5 。直壁微槽结构，深度6 2 p m 的槽阳j 肋厚达8 u m 槽底表面粗糙度 r a 0 0 9 - - 0 1 5 9 i n ，证明这种微细铣削能够应用于x 射线光刻掩模的制作。随 后，他们通过采用补偿刀具径向跳动量的方法提高槽的加工精度，加工 1 0 u m 的槽问肋厚平均误差达0 5 5 p _ m 4 9 晓i 。微型铣刀在铣削加工时，刀具 1 6 中国i i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章微细加1 ：原理与特点 的破损是影响其使用的主要问题。他们采用直径0 3 8 m m 的立铣刀对铝、石 墨和低碳钢的铣削过程进行了研究，利用部分均值法和小波变换分析切削 力，研究了刀具磨损与进给方向切削力之l 日j 的关系，提出了监控进给方向 切削力可以预测刀具破损，通过动态调节切削用量来控制切削力，以延长 刀具的使用寿命【4 8 , 4 9 , 5 3 。 ( 2 ) 微细铣削过程切削力与切削形成问题 以不同的进给量对黄铜工件铣槽，通过收集切屑进行测量以及观察槽 底表面s e m 图像发现，当每齿进给量小于切削刃钝圆半径时，实际切屑体 积是名义切屑体积的数倍，进刀痕迹问隔也大于每齿进给量。随着每齿进 给量增加，实际切屑体积逐渐接近名义切屑体积。由此得出，微细铣削中 以比较小的每齿进给量进给期间并不是总会形成切屑，切屑的形成是间歇 性的，断断续续产生的 4 5 , 4 9 , 5 2 。j j z h u 等人利用微型铣刀直接铣削聚合物 链反应等微型分析化学领域的微通道。他们采用不同直径的刀具，在不同 的切削参数条件下，对p m m a 和黄铜两种材料进行了微细铣削，测量了切 削力。结果采用直径0 4 m m 的微型铣刀铣削黄铜的平均切削力为0 2 n ，最 后加工了一个螺旋式均压线结构 4 6 , 4 7 , 4 8 】。 ( 3 ) 常规铣削模型的不可应用性 当铣削过程从常规尺寸( 每齿进给1 0 0 p m ，背吃刀量i n u n ) 缩小比例 到微细尺寸( 每齿进给l p m ，背吃刀量1 0 0 i _ t m ) 时，微细铣削加工中起主要 作用的因素与常规铣削加工相比不同。因此，常规铣削模型并不能用于微 细铣削过程中表面形成的描述和切削力的精确预测 4 9 , 5 3 , 5 4 。 ( 4 ) 工件材料加工及刀具的影响 德国一些研究学者对钢的微细切削进行了研究。他们从加工材料及其 状态、采用刀具以及切削参数等几方面进行了实验研究。对硬质合金刀具 微细铣削钢的表面粗糙度进行测量，结果发现表面形貌呈锯齿状。他们分 析这种结果最合理的解释是最小切削厚度的影响，因此，他们提出应当对 最小切削厚度与材料性能之间的关系以及它们对微细铣削过程的影响进行 中国i i 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章微细加f 。原理与特点 研究 4 7 , 4 8 , 5 1 1 。 综上所述，可知微细铣削是不同于常规铣削的一种加工方式，影响它 的关键技术有微型铣刀的加工问题、刀具的破损问题及被加工材料的材质 等多方面因素。 2 4 本章小结 本章首先分析了当前存在的一些微细加工的基本概况，然后重点总结 了微细电火花加工、微细电解加工和微细切削加工的理论基础，其中微细 切削加工中又根据课题需要，单独对微细钻削和微细铣削加工的原理与特 点进行了分析和总结，为下一步多功能微细加工数控平台的设计和研究提 供了必需的理论基础。 中国f i 油人学( 华尔) 硕十论文 第3 章微细加i ：平台总体方案改计 第3 章微细加工平台总体