高强宽比微小型构件的研究

高强宽比微小型构件的研究

1微细加工技术微小型组件是指连接并支持微小型系统的功能部件、负荷、执行运动和输出动力的纯机械或机电一体化产品。随着各类微小型系统的发展及其应用领域的扩大,对于微小型结构件的需求种类和数量逐年增加,但目前比较成熟的硅微工艺在这方面的加工能力严重不足,因此面向微小型结构件的微细加工技术将是今后微制造领域的主要研究方向之一。根据目前的技术发展现状与趋势,适用于微小型结构件的微细加工技术主要有:LIGA及准LIGA工艺、能束加工、准分子激光加工、超声加工、微细电火花加工、微细电化学加工、微细铸造、微细磨削、微细冲压等。与上述技术相比,以直接去除材料为主要特征的微细切削技术在三维加工能力、加工柔性、加工效率和加工成本等方面体现出了一定的综合优势,对于微小型结构件的研制与生产具有广阔的应用前景。本文将结合微小型结构件的特点和加工需求,介绍微细切削的主要形式、适用范围和技术研究体系,从不同角度分析微细切削的技术优势与局限,并对微细切削技术的应用方向和发展前景加以展望。2微机械非硅材料微小型系统是微小尺度范围内光、机、电、液、磁等高度集成的一类系统。微小型结构件主要承担其中“机”的功能,与传感和信号处理等功能部件相比,在构件材料、结构形式和加工工艺等方面具有以下特点。(1)特指最小特征尺度在微米级(即1μm~999μm)的微型结构件,也包括整体尺度在毫米级、利用常规方法很难加工的小型结构件。如模数为0.05、直径为2mm的渐开线齿轮。(2)主要由金属、合金和复合材料等非硅材料组成,强度硬度高,机械特性好,具有一定的抗过载、耐磨损、耐腐蚀或耐高温能力,能够服役于恶劣工况条件。(3)结构形式以三维或准三维的立体结构为主,深宽比高或长径比大。(4)广泛存在于各类微小型系统中,涉及框架、腔体、壁、槽、轴、孔、轮系等多种结构形式,需求量大,应在满足加工精度要求的前提下,解决变批量生产的成本和周期问题。(5)空间紧凑,结构复杂,结构件之间存在确定的传动、连接或装配协调关系,形状精度和位置精度要求高。但对表面粗糙度的要求相对较低,不一定需要纳米级的超精密表面。3微细车铣复合加工微细切削是一种在精密及超精密的切削机床上,借助高分辨率的实体刀具,利用机械力的作用对工件材料进行微量去除的工艺方法。根据微小型结构件的加工要求,适用于微细切削的刀具或工件直径应小于1mm,最小加工特征尺度应在亚微米至数十微米之间。按照刀具类型和切削方式进行区分,微细切削主要由微细车削、微细立铣削、微细飞切、微细钻削和微细车铣复合加工等形式组成。微细车削适合于加工微细圆柱轴、端面、台阶轴、螺纹、螺旋槽等回转体,应用成型车刀还可以加工各种微小型异型结构。微细立铣削可以加工微小型框架、沟槽、薄壁、腔体、柱体、阵列和平面二维图案,通过采用球头立铣刀或多轴联动,还可加工球面和三维自由曲面,加工能力很强,是目前微细切削最主要的一种应用方式。微细飞切是利用安装在飞切刀盘上的成型飞刀的加工,在本质上属于铣削范畴。与螺旋槽立铣刀相比,具有刀具切削部分形式多样,回转半径大,对铣削主轴转速要求低,工作角度调整方便,切屑排除顺畅等优点,适合于多种类型的微小型槽和自由曲面的成型加工。微细钻削主要用于钟表零件、印刷电路板、喷嘴等零件上孔径小于0.5mm的微小孔的机械式钻削成形,加工出的孔与钻头尺寸比较吻合,适合于大批量孔的自动化加工。微细车铣复合加工是一种全新理念的微细加工方法。利用微小型车铣加工中心,一次装夹即可完成多个工序的组合加工,避免了装夹误差的累加,体现了加工柔性、效率与精度的统一。采用极坐标插补和圆柱插补,还可加工复杂形状端面和轮廓。这种加工方式最主要的技术优势是,通过车铣联动,利用铣削主轴的高转速解决车削微细轴时线速度不足的难题,能够显著提高微细轴的加工表面质量,这一点与常规的车铣复合加工也有所区别。4微细切削机理研究微细切削是一项高度集成的综合性技术,按照研究内容可以分为基本原理、支撑技术和综合应用3个层次,技术体系如图1所示。基本原理包括基础理论和加工机理研究。其中,基础理论主要针对微米及亚微米级切削条件下的尺度效应,重点研究加工精度、相对加工精度和制造公差的产生,为微细切削的制造特性分析提供理论依据。加工机理研究采用基础试验和理论建模相结合的方法,通过对材料去除和表面形成等内容的研究,目的在于揭示微细切削的本质特征。支撑技术包括机床技术、刀具技术和辅助系统技术研究。通过广泛采用高速电主轴、SKI刀柄、聚焦离子束溅射工艺等其它领域的最新技术成果,实现极高的主轴转速、纳米级的机床定位精度和小至数微米的刀具特征尺度,为微细切削提供必要的技术支撑。综合应用包括工艺技术和应用基础技术研究。通过工艺优化、CAD/CAM、切削状态在线监控等单项技术的集成解决具有一定形状和精度要求的结构件的加工问题,推动微细切削应用水平的提高。在此基础上,使微细切削的技术成果实用化,形成工业级产品的批量化生产能力。5种新型的精密加工技术微细切削对于微型产品的需求有极强的适应能力,为非硅材料高深宽比微小型结构件的精密加工提供了一种全新的技术途径。同时在应用过程中也暴露出了一些问题,需要从微细切削的基础理论、刀具应用技术、加工工艺等多个方面加以改进。5.1微切割技术的优势(1)微细切削技术随着超精密切削机床与刀具系统等相关技术的成熟,微细切削的加工对象范围不断扩大,正逐步走向工程化,在民用和军事领域都有广泛应用。从最初的手表和精密仪器零件、印刷电路板上的多层微小型孔,到目前的微型注塑模具、喷墨打印机上的微喷嘴、微细电火花加工中的工具电极、光刻工艺中的X射线掩膜,以及衍射光栅中的V形槽等,都是微细切削技术的应用实例。微机电引信和制导兵器中的微机械陀螺、微惯性器件等兵器微小型系统迫切需要各类能承受极高发射过载的微小型结构件,是微细切削技术的重点应用领域。微小型飞行器、微小型机器人、微小型水下无人航行器和微小型航天器等微小型无人系统是微小型结构件比较集中的场合,将成为微细切削技术的主要应用方向。(2)微细切削表面微细切削的材料去除机理是:微米及亚微米级尺度的切削层在刀具施加的机械力的作用下产生切削变形,以切屑的形式从工件表面脱离。从理论上说,只要刀具材料的强度和硬度足够,刀具与工件之间不发生热化学反应,金属、合金、塑料、复合材料、石墨、陶瓷、玻璃和硅等都可进行微细切削,加工材料范围广泛。微细切削的这一特征,对由黄铜、铝合金、中碳钢、不锈钢、淬硬钢、钛合金、钨合金、镍基合金等构成的具有高耐磨或高承载要求的微小型结构件的加工比较有利。(3)微细立铣刀或钻头加工微细切削是传统的切削工艺在微观加工尺度的延伸。不仅能在横向上加工平面图案和轮廓,通过采用大长径比的微细立铣刀或钻头,合理规划加工策略和刀具路径,能够沿结构件的纵深方向进行较大范围的加工,具有很强的三维加工能力,适合于制作高深宽比或长径比的微小型结构件。据报道,Bang在黄铜上铣削出了厚度为25μm,高度为650μm的薄壁结构,深宽比达26。(4)微细加工加工能力微细加工的尺度很小,加工精度用去除材料的大小来表示,为此引入了加工单位的概念,表示一个最基本的加工操作能够去除材料的大小,这是评价微细加工能力的一项重要指标。随着机床定位精度水平的提高和刀具最小特征尺度的减小,微细切削的加工单位不断向更小的尺度推进,目前已达数十纳米,可以满足结构件特征尺度持续微小型化的要求。(5)相对运动法:将刀具特征复复到表面粗糙度微细切削大多在超精密机床上,利用刃口极其锋利的刀具,通过刀具与工件之间确定关系的相对运动,将刀具特征精确地复映到工件表面,能够稳定获得亚微米级的形状精度和数十纳米级的表面粗糙度。由于直接去除材料,工艺链短,减少了加工误差的累积和传递,公差波动范围小,具有较高的相对加工精度和重复加工精度,适合一定批量的加工要求。(6)微织构加工方式微细切削是一种直接去除材料的工艺,材料去除率约为1~100μm3/s,虽远远低于常规尺度切削,但显著高于微细电火花加工、微细电化学加工和准分子激光加工等方式。通过控制进给量和切削深度等参数,微细切削的加工时间可控,构件的加工可以在数分钟至数小时内完成,具有较高的加工效率,能够实现微小型结构件的快速研制和生产。(7)临界切削厚度根据脆性材料在超微量切削条件下的脆塑转变机制,当切削厚度小于临界切削厚度时,材料是以塑性变形的方式去除的,切屑形态呈连续带状。此时能够避免脆性材料加工表层的裂纹和微观缺陷,获得完整性好的加工表面。可望实现陶瓷、玻璃、单晶硅等脆性材料的延性域加工。5.2微切割的原理与技术的难度(1)精密微细机床主轴转速微细切削机床的设计通常采用高速电主轴技术,以获得尽可能高的回转速度,这是衡量机床性能的一项重要指标。如德国卡尔斯鲁厄大学开发的精密微细铣床的主轴最高转速达160,000r/min,远远高于工业领域高速加工中心的主轴转速。但是微细切削的回转刀具或工件的直径很小,实际所能达到的切削线速度远远低于常规值,如采用直径为0.1mm的平头立铣刀,当主轴转速为60,000r/min时,线速度仅为18.8m/min,不利于工件材料的去除及获得良好的加工表面质量。(2)微细切削条件切削状态监控将是实施微细切削的技术难点之一。常规尺度切削下比较明显的切削振动、冲击、噪声等物理现象在微细切削条件下将变得很微弱,反映切削状态的有用信号的幅值小、信噪比低,不利于特征参数的辨识与提取。为了深入了解微细切削的动态特性,对于切削力、切削振动等特征信息的监控检测显得尤其重要,必须借助高灵敏度的测量仪器,建立可靠性高的实时监控系统,实现切削状态的在线监控。(3)微细磨削工艺具有极小特征尺度的微细切削刀具是实现微米级切削的必要条件之一,刀具制备技术的滞后制约了微细切削应用水平的提高。根据分子动力学的仿真结果,要实现具有一定实用价值的加工单位为0.1μm的微细切削,刀具刃口半径应小于1μm,而目前的细晶粒硬质合金还达不到这一水平。在专用刃磨机上应用微细磨削工艺能够实现微细刀具的批量化生产,但由于磨削力的作用,刀具几何参数的一致性很难保证,成品率低,并且刀具最小直径受限。目前商品化供应的微细立铣刀的最小直径为0.05mm,微细钻头的最小直径为0.03mm,仍不能满足微细切削的加工需求。聚焦离子束溅射工艺(FIB)和微细电火花线电极磨削工艺(WEDG)是目前最先进的微细刀具制备技术。FIB工艺能够制备亚微米级分辨率的形状和切削参数复杂的微细刀具,但对设备的要求高,成型效率低,费用昂贵。WEDG工艺成型效率高,主要用于微细钻头和立铣刀的在线制备,但随后的微细切削需要在制作刀具的微细电火花机床上进行,工艺的应用范围受限。(4)微细切削刀具破损问题微细切削时,刀具的磨损形态和特征不规则,不能用常规的方法进行评价。尤其是加工钢等硬材料时,刀具在严重磨损以前即可能发生早期破损,很难获得稳定的磨损耐用度。目前还缺乏适用于微细切削的磨钝标准体系。与磨损相比,微细切削刀具的破损问题更加突出,主要表现为整体折断。这是因为:微细刀具的制造误差不能随刀具特征尺度的下降而成比例的下降,制造缺陷相对严重,刀具可靠性低;微细回转刀具的直径小,长径比或深径比大,悬伸量大,整体强度和刚性不足;微细铣刀和钻头的容屑槽空间有限,实际切削前角会由于切屑的堵塞而减小,容易引起切削力的成倍增大而使刀具在短时间内迅速折断。(5)微细车削调整由于使用刀具与产生切削力的原因,曾经认为切削的方法不适合于微细加工。目前这一问题已得到部分解决,但需要不断提高加工能力和精度。微细刀具方面,刀具制造过程的刃磨工艺容易造成刀面划痕和刃口缺陷,将直接影响加工表面的精度水平。微细刀具磨损以后,刀具实际切削尺寸发生变化,不能保证加工几何精度和表面粗糙度水平,并且加工表面容易产生毛刺,需要安排附加的表面精整工序。由于使用实体刀具,对于凹状零件的加工能力不足,如微细立铣削不能加工锋利的内拐角;微细钻削出的孔径由钻头直径决定,不能钻削圆孔以外的异型微小孔。切削力方面,由于切削力直接作用于刀具和工件,弹性变形不可避免,将直接影响加工精度和极限加工尺度。通常工件的刚性小于同等尺度刀具的刚性,弹性变形更加严重,因此微细车削比微细铣削难于实现。当切削深度与刃口半径处于同数量级时,刀具的有效切削前角小于标注前角,甚至以负前角进行切削,将导致切削力的增大,不利于获得精密表面。(6)生产辅助时间长微细切削技术体现出了很高的柔性,适合于微小型结构件的多品种中小批量生产,但是工艺过程的自动化程度不高,目前还不能完全满足大批量生产的需求。这是因为:微细切削的工装夹具等生产准备系统复杂,生产辅