机械设计外文翻译-基于微加工的微型轴加工工艺研究【中文2860字】【PDF+中文WORD】
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【中文2860字】基于微加工的微型轴加工工艺研究M. Azizur Rahman M. Rahman A. Senthil Kumar H.S. Lim A.B.M.A. Asad徐成俊 译摘 要：微型加工制作工艺是由微加工技术发展而来，是一种能加工出三维特征的微观尺寸微型化的微加工技术。文章主要介绍数控微型化进程，基本上用于两种微型化进程:直微型化和锥度微型化。 实验演示采用微加工技术的能用C+6.0开发的生成NC代码的多用途小型机床工具来将直径为6毫米的黄铜杆加工成微型轴。与传统工艺不同的是该刀具不运动，工件被三爪卡盘夹紧在主轴上，一次性车削来消除工件误差。最后加工出一个2毫米长、大径为475微米、小径为276微米的微型轴。关键词: 数控微切削；制造；微机械加工；微型轴；数控代码1、引言 由于近来MEMS技术及微加工技术有进一步小型化的趋势。 因此微加工是常规加工与微机电制造加工的桥梁。微型零部件的生产技术是最重要的。如果没有微型制造技术，制作微型元件尺寸也就不可能达到微米范围之内。“微型制造”的意思很明确。人们经常把它用来确定加工零件的尺寸只有1到999微米之间, 虽然上限为500微米,但最近曾定位在微观与宏观的边界加工2。 有两个基本群体微加工过程:根据刀具和根据刀面的微型加工。刀面技术在三维结构方面有局限性,因为它只是模拟二维的形状，例如电铸，电腐蚀等加工；在另一方面,使用刀具加工,特别是使用坚实刀具，由于刀具路径以及刀具与工件表面的边界容易界定清楚，因此能够确定各种三维结构轮廓。 微型轴可由研磨、电火花磨削(WEDG)、电火花加工(EDM)、电化学蚀刻、微细车削。每个过程都有自己的优缺点，磨削力和磨削砂轮的磨损会有问题；在电火花加工中、针孔形状趋于直线形或阶梯形3。电化学刻蚀的不足在于形状和直径的控制，虽然WEDG制作微型圆柱的方法很强,但它的局限性是生产率较低 4。 根据金属磨损的性能,黄铜是微加工最适当的材料、也是制造微型部件最适合的材料 5。由于采用了可靠的微切削刀具,可以明确界定出以下各种立体形状的切削路径。考虑所有这些因素,数控微型化切削可以考虑用黄铜(60%铜40%锌)制作如图1所示的复合形状的微型轴。 2、微型化发展进程在切削过程, 工件和刀具必须具有相对运动,以便能分层把切屑排除去。因此刀具与工件的自动化很重要。在这方面,切削路径已重新生成，这部分基于两种微型化进程:直微型化和锥度微型化。 2.1直线微型化对于表面变化大的微米级直径的微型轴，不能用常规的轴向切削方式来加工（如图 2）。 因为随着加工的进行轴将会产生偏移，这是因为工件直径减小而直径拉大的结果。图3描述了一个用分步切削加工微型轴的方法，它与平行切削方式不同。22锥形微型化 车削带有锥度的微型轴的切割方式如图4所示。在这种情况下,刀具走刀路线是平行于工件，最后沿锥形表面削减，如果t是切削深度,是锥角, R和r分别是锥形半径，微小切削(nw)可确定为: （1） 圆锥面也可产生平行于加工表面的锥形图如图 5所示，对于同样的深度，切削时间（t）,切削量(nt)可以考虑如下: （2）同样的t,R和r研究发现nt nw。从生产效率及节省加工时间的角度来看,切削方向平行于锥形表面比平行于工件轴心更可取。 3、编程和数控代码的生成数控机床,是一种能快速、准确加工复杂三维曲面的设备6。数控机床是响应控制单元的对工件加工的。对微米尺寸的加工机床的精确控制以及加工参数如进给率、切削深度及切削速度的选择等很重要。微型加工需要几百条数控编码，根据C+6.0生成的数控代码，商用软件并不适合复合形状的微型轴的加工。这种数控代码发生器有助于带有锥度的圆锥微型轴的加工。4、机床多功能微型机床(图六)是在新加坡国立大学（NUS）发展成高精度微加工的先进制造实验室(AML)研制的用于微型轴的加工。机床尺寸560毫米W600毫米D660毫米H, 最大行程为210毫米X110毫米Y110毫米Z, 每一根轴的光学分辨率达0.1微米、 闭环反馈控制系统,并充分保证尺寸精度达到亚米级。速度范围覆盖高速、中速和低速, 可以实现-铣、 -车、 -磨、 -ECM 和-EDM加工的机器。运动控制器能够执行有独立的主机发出的程序控制指令。5、实验5.1测量加工期间,推力能使工件有微小偏移，但是，工件只能沿切线方向自由颤动,因为在刀具与工件接触区的法线方向工件将受到刀具的阻挡 7。工件直径降低,刚度对工件的切削抗力也就减小。因此, 控制切削应力是改善加工精度的一个重要因素。切削力的值必须低于造成工件的塑性变形 8。 毛坯(黄铜杆直径6毫米)的主轴已被三爪卡盘夹紧，不同于传统加工工件垂直装夹定位在切割工具的切削点上。 单点硬质合金刀尖圆弧半径为0.1毫米和60度夹角用于加工过程。切削力的测量采用三维测力仪(Kistler型号9256A1),测力仪装在刀具下。 三个方向的切削力如图7所示。在加工过程中、切削力数据已被激光器采样记录样频率为24千赫频率，并且对这些数据进行离线分析。 图8描述了实验装置的切削力测量。 52分析力分析几个加工实验用直线化进程进行研究。推力和切向力与切削关系，如切削深度（t）,进给率（f）和切削速度（s）都绘制在图9、10、11上体现出来。图9描述了切削深度与切削量的关系。 结果发现,随深度降低，径向力决定了切向力的大小,切向力决定了推力的方向。 这是一个有趣的现象,叫做“规模效应”。 当微晶片厚度与工具大小以及刃口半径，“刨削”把材料删除,而不是切削力9。这样一来，因为径向力为主导力量,可以利用推力来控制轴弯曲变形。 图12显示工件偏转微型化。 而步长(1)不会偏离轴心,可以由Eqs. 3 和 4去处理, F是圆形刀具的径向力, d表示工件的直径。 （3） （4） 6、微型轴制造最后,要用黄铜材料来制造一个微型轴，对正反微型加工均适用, 无论逆向前进还是微型化进程都适用。表1表示了加工制作工艺条件。切削深度维持在0.2毫米范围内,而根据弯曲应力()计算,发现y，而 y是黄铜的屈服应力。用这种方法工件偏转就被消除。 图13是扫描电子显微镜(SEM)对微型图象的显示。微型长度为2毫米，大小的范围为475微米到276微米。 它的不同影响因素如图13B和C所示。 因为微针非常小而形状复杂、表面粗糙度是不可能直接测量的。微型直线段在SEM下被放大了一万倍如图14A所示。长度超过9.5微米, 表面粗糙度的粗糙度估计值小于0.1微米。从微观来看, 微观表面质量情况如图14 b所示。尺寸精度实际值比较所得，从表2可以看出,不同微观直径的不平度范围为5.0%至10.4%之间。 7、结论 可以得出以下结论: 微型化过程发展和应用于微观结构加工的主题。 用微型机床加工微型轴适用于圆柱和圆锥的加工。主要缺点是微细的工件变形将会降低工件的精度。分步切削方法的研究将减少工件的变形。考虑弹性零件的可加工形状及材料，可以断定,微型加工机床可以成为有用的微加工工具。这是一个有益的尝试，可以有助于微型工业零件在医学界的应用。 参考资料1. Taniguchi N (1993) Current status in, and future trends of, ultraprecision machining and ultrafine materials processing. Ann CIRP 32(2):5735822. McGeough J (2002) Micromachining of engineering materials. Dekker, New York3. Masuzawa T, Tnshoff HK (1997) Three-dimensional micromachining by machine tools. Ann CIRP 46(2):6216284. Lim Y-M, Kim SH (2001) An electrochemical fabrication method for extremely thin cylindrical micropin. Int J Mach Tools Manuf 41:228722965. Lee J-M, Sung I-H, Kim D-E (2002) Process development of precision surface micro-machining using mechanical abrasion and chemical etching. Microsyst Technol 8:4194266. Lin SCJ (1994) Computer numerical control. Essentials in programming and networking. Delmar, New York7. Lim HS, Kumar AS, Rahman M, (2002) Improvement of form accuracy in hybrid machining of microstructures. J Electron Mater 31(10):103210388. Lu Z, Yoneyama T (1999) Micro cutting in the micro lathe turning system. Int J Mac
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