遲堯林

CHI Yao-lin

（山東科技職業(yè)學(xué)院，濰坊 261053）

0 引言

對于微型的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者機(jī)電系統(tǒng)，其整體尺寸多數(shù)保持在厘米級別。因此需要采用微小結(jié)構(gòu)件裝配組合。如今，小型系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用快速推進(jìn)，加大了微小結(jié)構(gòu)件需求，產(chǎn)品量、材料種類的多樣性也在持續(xù)增加，其中更是提出了復(fù)雜、異形和高強(qiáng)度的加工要求，對于起源于半導(dǎo)體集成電路加工工藝的制作技術(shù)，在這些要求面前，顯得力不從心。而微細(xì)切削技術(shù)，則延續(xù)了傳統(tǒng)的加工工藝，具備更好的工藝和成本優(yōu)勢。

在加工微小型結(jié)構(gòu)件時，大多數(shù)采取了數(shù)控機(jī)床實(shí)施操作。由于其尺寸要求與常規(guī)零部件相比更加微小，如果不對常規(guī)工藝進(jìn)行改良，甚至無法保證部件的尺寸要求。在這種形勢下，就需要進(jìn)一步研究微小型的結(jié)構(gòu)件加工工藝，探析其工藝特征并進(jìn)行分析與總結(jié)，然后根據(jù)這些要求來選用刀具與機(jī)床。

1 微小結(jié)構(gòu)件的工藝特征分析

對于微小型的結(jié)構(gòu)件而言，它的整體尺度都十分小，普遍都屬于毫米級別；其次，許多微小結(jié)構(gòu)件的自身結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，經(jīng)常在局部存在異形。一般情況下，都要按照對加工工藝提出的要求特征進(jìn)行分類，大體上可以分為軸類零件、三維結(jié)構(gòu)件、齒輪以及板類。事實(shí)上，不同分類都具有自己獨(dú)特工藝特征以及獨(dú)自的加工方式。

對于三維結(jié)構(gòu)件，它通常需要作為微小產(chǎn)品的基礎(chǔ)，在其上進(jìn)行其他微小零件的安裝，因此它的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，加工難度大。具備較大的深寬比，有多種臺階、薄壁和微孔，對于位置精度要求也極高。所以當(dāng)加工中需要用刀微小型的數(shù)控機(jī)床，同時最好使用完整的加工工藝。典型的三維結(jié)構(gòu)件如圖1所示。

圖1 三維微小型的結(jié)構(gòu)件

對于軸類零件，在車削加工時，由于徑向力的作用，常常產(chǎn)生變形和翹尾，難以滿足產(chǎn)品需求。對此，采用由車削和銑削主軸共同作用的微細(xì)車銑加工可以解決這個問題。這種加工方式由于采用了多刃切削，其徑向力更小，可以加工更長的微細(xì)軸。圖2中，將車削與車銑加工所得的產(chǎn)品進(jìn)行了比對，可以明顯看出，車削加工的產(chǎn)品產(chǎn)生了翹尾。

微小齒輪和板類構(gòu)件相對而言較為簡單，其中板類構(gòu)件以平面為主，可能具備臺階面和微孔等細(xì)節(jié)，通常鉆削和銑削足以滿足其加工要求；而對于齒輪部件，直接關(guān)系到裝配和咬合的齒形部分，是加工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在這里，銑削由于震動和夾裝方式的問題，容易導(dǎo)致齒形失真；而滾削方式則在這方面具有更好的適應(yīng)性。如圖3所示，就是通過兩種不同加工方法得出實(shí)物圖，進(jìn)行對比展示。

圖2 車削和車銑細(xì)長軸之間的對比

圖3 微小齒輪

1.1 加工設(shè)備

基于以上多種部件加工的要求，采用了微小型車銑復(fù)合加工中心。它同時具備了車銑復(fù)合加工，以及鉆、磨、車、銑的加工能力，足以滿足諸多小型零結(jié)構(gòu)件的加工要求，可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)微小結(jié)構(gòu)件的完整加工。需要加工中心具備安裝車刀刀座的空間，這樣在使用時，刀具和主軸可以通過進(jìn)行合理的配置，節(jié)省對刀和換刀的輔助時間。

加工微小結(jié)構(gòu)件的機(jī)床，一般自身的尺寸也較小，整體要求剛性好，工作平穩(wěn)且加工精度高。在較大負(fù)荷和高轉(zhuǎn)速下，也能滿足高可靠性的要求；同時，要求操作系統(tǒng)響應(yīng)快，給進(jìn)機(jī)構(gòu)精確度足夠高，可以精確控制加工過程。

在本文中，以哈工大所研制的三軸微小型立式銑床為例進(jìn)行說明。該加工中心的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到160000rpm，驅(qū)動系統(tǒng)重定位精度達(dá)到0.25微米，采用全閉環(huán)控制，如圖4所示。

圖4 哈工大立式銑床和附屬設(shè)備

1.2 加工刀具及工藝參數(shù)

對于刀具的材料，不能隨意選擇，需要依照加工工件自身的材料來選擇，才具有實(shí)現(xiàn)加工的效果。一般情況下，在進(jìn)行微小型結(jié)構(gòu)件加工之時，比較常用道具材料有金剛石、硬質(zhì)合金、陶瓷刀、高速工具鋼等等。刀具的尺寸也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇，需要考慮到裝夾方便和加工的要求；安裝的時候，一定要滿足于精工能力，這是前提條件，然后要盡可能的縮減沒有必要的懸伸量。

以材料牌號標(biāo)注為KW10的硬質(zhì)合金刀為例，該材料相當(dāng)于國產(chǎn)牌號中的YG6。刀尖的圓弧半徑根據(jù)零件精度和結(jié)構(gòu)的要求，可以選擇0.03mm、0.1mm和0.2mm的刀具。對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 KW10硬質(zhì)合金車刀結(jié)構(gòu)和參數(shù)

根據(jù)刀具和加工材料，可以計算得到最佳的參數(shù)。該合金車刀的切削速度范圍在100～200m/min，背吃刀量在0.05～0.5mm，進(jìn)給速度的取值范圍可在 0.02～0.2mm/rev。

微細(xì)鉆頭和銑刀可以選擇W18Cr4V的整體高速鋼刀具，根據(jù)實(shí)際條件從0.1～1.0mm直徑的刀具中作出適當(dāng)?shù)娜∩帷?/p>

在微細(xì)切削中，經(jīng)過切斷刀的加工，直接獲得微細(xì)槽；而在小型零件切斷后，也將直接作為加工的表面。所以，切斷刀的精度要求極高。

2 微小結(jié)構(gòu)的加工

圖6展示了一個取自鐘表機(jī)構(gòu)的微小結(jié)構(gòu)件?？梢钥闯觯@個結(jié)構(gòu)件具備明顯的三維特征和復(fù)雜外形，存在多個臺階面方便裝配其他的微小零部件。該結(jié)構(gòu)件上存在若干不同直徑的孔，這些孔之間的相對位置要求可以達(dá)到極高的精度。為了與其他部件的銜接，需要在孔內(nèi)加工出螺紋。

對于微小型結(jié)構(gòu)件，其加工工藝的基本要求是提高加工精度。為此，需要保證盡量少的刀具種類，盡量減少裝夾的次數(shù)，通過合理安排工序，優(yōu)化刀具的運(yùn)動路徑等方式來避免和減少機(jī)床驅(qū)動部分的誤差累積。主要的加工工序分為備料、車料、銑臺階、鉆孔、檢驗、銑外形、檢驗和理化，各工序均有一定的工藝要求，如表1所示。

圖6 鐘表的微小結(jié)構(gòu)件

表1 加工工藝表

圖7 加工所得的成品

圖7展示了依照上述過程加工完成后得到的成品。從上述路線可以看出，這個微小型結(jié)構(gòu)件可以作為一個典型，充分利用了加工中心的各種加工功能，經(jīng)過了一次裝夾之后，就能夠做完絕大部分加工的工序，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)整個加工，就能夠節(jié)省出大量輔助時間，才能夠提高加工效率與精度。在實(shí)際運(yùn)作中，可以根據(jù)零件的不同，通過更換刀具能夠快速實(shí)現(xiàn)工藝路線的調(diào)整和改變，完成小量多品種的加工工作。

3 微小結(jié)構(gòu)件切削加工的工藝應(yīng)用

當(dāng)下，微型化和精密化的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件廣泛應(yīng)用，這些產(chǎn)品都需要通過微細(xì)加工的方法來完成，而其中最經(jīng)濟(jì)和最實(shí)用的加工方法則是微細(xì)切削加工。這種方法主要運(yùn)用在金屬零件的加工過程中。

3.1 微小結(jié)構(gòu)件切削加工實(shí)驗設(shè)備及刀具

如前文提到的，微小結(jié)構(gòu)件的加工設(shè)備依然沿用了哈工大所研制的三軸微小型立式銑床。為了保證工作的精度，在同一臺機(jī)床上，平行和垂直于車削主軸方向都配置了銑削和鉆削主軸。

3.2 微小結(jié)構(gòu)件的加工工藝特點(diǎn)

微小型結(jié)構(gòu)件，其加工過程特點(diǎn)是工序高度集約化。為了保證精度，減少累計誤差，完整加工是必然的選擇。對于同一個零件，其加工工序盡量在同一臺機(jī)床上使用盡量少的次數(shù)完成。通過減少重定位和重裝夾，不僅減少了工序轉(zhuǎn)換所占用的輔助時間，更減少了中間輔助環(huán)節(jié)，縮短了生產(chǎn)鏈，極大地提高了生產(chǎn)效率；也降低了設(shè)備和工作場地的需求，提升設(shè)備的利用率，從而減少成本。最重要的是，采用這種方法，對于加工質(zhì)量也是一種保障。

3.2.1 微小結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特征

精密微細(xì)切削，這種工藝主要應(yīng)用于細(xì)微結(jié)構(gòu)的零部件，高精度是最基礎(chǔ)的要求。因此，需要對所加工零件的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的了解。與大尺寸零件相比，微小結(jié)構(gòu)件在材質(zhì)和應(yīng)用等方面都有自己的特點(diǎn)。

1）微小結(jié)構(gòu)件的材質(zhì)一般強(qiáng)度和硬度更高，機(jī)械性能更好。主要由金屬、合金等材料組成，具有一定的耐腐蝕或耐磨等能力，在惡劣的條件下亦能正常工作。

2）結(jié)構(gòu)上，三維立體結(jié)構(gòu)是主要的結(jié)構(gòu)特征，長徑比或者深寬比明顯大于大尺寸部件。

3）廣泛應(yīng)用于微小型機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)，需求量極大，批量高效生產(chǎn)極有必要。因此，在加工精度要求之下，還有批量化的問題。

4）尺寸極小。微小型結(jié)構(gòu)件的整體尺寸在毫米或者厘米級，最細(xì)微的部分甚至要求有微米級。且這些零件，使用常規(guī)方法難以加工。

5）空間和結(jié)構(gòu)要求高。各部件之間常常存在互相作用的關(guān)系。因此對位置和形狀的精度要求極高。但是，表面的粗糙度要求不一定高。

表2展示了微小結(jié)構(gòu)件的特征指標(biāo)。

表2 微小結(jié)構(gòu)件的特征

3.2.2 微小結(jié)構(gòu)件的微細(xì)切削工藝要求

相對常規(guī)的工藝設(shè)計，微小結(jié)構(gòu)件在工藝上還要求考慮到諸多問題。

1）控制加工余量。在普通機(jī)床上進(jìn)行預(yù)切割，減小加工余量。

2）合理選擇刀具和加工方法。經(jīng)過了科學(xué)合理選擇之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)最好的效果。

3）集中使用刀具。工作臺上的空間有限，能夠同時安裝的刀座有限。但是同時，結(jié)構(gòu)件的加工過程中又涉及到多種刀具。因此，需要更好地規(guī)劃加工路線，遵循刀具集中應(yīng)用的原則減少刀具的使用數(shù)量。

4）根據(jù)具體的零件確定走刀路線。不同的結(jié)構(gòu)件，都有各自的特點(diǎn)，不能一概而論。不合理的走刀路線，不僅難以保障加工的精度，更可能引發(fā)加工狀態(tài)的突變。

5）保證加工精度。在開始加工之前，應(yīng)當(dāng)通過工藝試驗得到工序中的工藝參數(shù)，從而保證工藝能力。

3.3 微小結(jié)構(gòu)件的加工

工件材料、工藝參數(shù)和加工方式（裝夾、定位等），都會對微小結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。具體而言，對于較大的零件坯料，容易產(chǎn)生加工系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的問題；而對于較小的結(jié)構(gòu)件，本身將會導(dǎo)致安裝剛性不足的問題。同時，不合理的切削速度會影響表面質(zhì)量。工件材質(zhì)中的雜質(zhì)，進(jìn)給量和切削厚度過小都會引發(fā)振動，減少刀具壽命且影響生產(chǎn)質(zhì)量。

4 結(jié)論

總而言之，對于微小型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加工，和常規(guī)尺寸的部件無論是在工藝特征、加工工藝、定位以及刀具和機(jī)床選用等各個方面都有其不同之處，因此這就需要依據(jù)各自的工藝特征選擇相對應(yīng)機(jī)床以及裝夾方式。在實(shí)際的加工過程中，由于工件小，且受到機(jī)床空間的局限，加工方式也會有一定的限制。對于小尺寸結(jié)構(gòu)件，加工時可能存在安裝剛性不足的弱點(diǎn)，會影響加工的質(zhì)量和精度。不同的加工工藝參數(shù)，和工件材料的性能都會對加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響?？傮w而言，選用車銑加工中心，可以提高加工的精度和效率。通過調(diào)整加工工藝和走刀路線，對于加工的結(jié)果也會產(chǎn)生影響。

[1]袁哲俊, 王先逵. 精密與超精密加工技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999, 10.

[2]孫雅洲. 微小型機(jī)床及微細(xì)銑削加工技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2005.

[3]賈寶閑, 王振龍, 趙萬生. 微細(xì)切削加工和微機(jī)械制造[J].機(jī)械制造, 2003, 41(468): 7～9.

[4]楊江河, 程繼學(xué). 精密加工實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005, 5.

[5]劉志兵, 王西彬, 解麗靜, 等. 微小型結(jié)構(gòu)件的微細(xì)切削技術(shù)[J]. 工具技術(shù), 2008, 42: 19-23.

[6]石文天. 微細(xì)切削的基礎(chǔ)理論和工藝方法研究[D]. 北京:北京理工大學(xué), 2009.

[7]石文天, 劉玉德, 王西彬, 等. 微細(xì)銑削表面粗糙度預(yù)測與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報, 2010, 41(1): 211-215.

[8]朱學(xué)超, 張道德. 微型發(fā)動機(jī)氣缸車銑復(fù)合加工工藝研究[J]. 機(jī)械制造與自動化, 2011, (02) .

[9]高升. 復(fù)雜薄壁零件在車銑復(fù)合加工中的工藝分析[J].職業(yè), 2011, (05) .

[10]李賀. GibbsCAM軟件編程在車銑復(fù)合加工中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2011, (04).

[11]顏克輝, 孔祥志, 羅志久, 李鵬. 車銑復(fù)合加工中心的Y軸實(shí)現(xiàn)形式及加工對象[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2011, (03).

[12]陳藝邦. GibbsCAM軟件中葉片的車銑復(fù)合加工[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2011, (02).

[13]張志軍, 李瑞. 大型曲軸車銑機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2011, (01).

[14]蘇宇鋒, 袁文信, 劉德平, 汪玉平. 高速車銑復(fù)合加工中心床鞍的熱態(tài)特性分析[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2011, (04).

[15]馬超, 馬雅麗, 趙宏安, 王德倫. VHT800立式車銑加工中心立柱結(jié)構(gòu)靜動態(tài)優(yōu)化及輕量化設(shè)計[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2011, (03) .