顧佳超　徐恒斌　張文瀚

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，微小型加工裝備得到了廣泛關(guān)注。文章對微小型加工設(shè)備研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，力求對微小型加工設(shè)備的研制提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：微小型；加工設(shè)備；現(xiàn)狀

微小型機(jī)械加工系統(tǒng)是目前世界上重要的先進(jìn)性技術(shù)，這種橋梁技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微觀加工制造領(lǐng)域與宏觀加工制造領(lǐng)域的相互連接，并作為了21世紀(jì)重點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展方向，國內(nèi)外科研學(xué)者傾注了大量的物力，財(cái)力用于微小型加工設(shè)備的研究，并取得了一定顯著的科研成果[1]。其中，日本、歐美等發(fā)達(dá)國家在微小型加工設(shè)備方面的研究起步較早，并且有許多技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化，為世界微機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展做出了卓越貢獻(xiàn)。相比之下，我國在微小型加工設(shè)備的研究方面起步較晚，但也取得了一定的科研成果。

1 國外微小型加工裝備的研究現(xiàn)狀

日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院（AIST）于1998年開發(fā)出了當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是世界上最小的微小車床，這臺(tái)微小車床的外型尺寸為長32mm，寬25mm，高30.5mm，其重量僅為100g[2]（如圖1），在這臺(tái)微小車床上裝備有一個(gè)刀架和一個(gè)微機(jī)電驅(qū)動(dòng)主軸，其定位精度達(dá)到25nm，通過對步進(jìn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給方式的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給率為400μm/s的平滑進(jìn)給，其主軸電機(jī)功率雖然僅有1.5w，但可實(shí)現(xiàn)最高10，000rpm的轉(zhuǎn)速。

2005年位于日本的NANO株式會(huì)社成功研制出了一臺(tái)小型的精密CNC加工機(jī)床[3]（如圖2所示），該精密機(jī)床的加工精度能夠達(dá)到微米級(jí)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化。

西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)兩所大學(xué)院校共同研制出了一臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到200，000rpm，進(jìn)給系統(tǒng)的分辨率能夠達(dá)到0.5μm的微小型車床[4]（如圖3所示），密歇根大學(xué)在此方面也進(jìn)行了大量的研究工作，并成功的研制出了一臺(tái)能夠進(jìn)行三維復(fù)雜曲面加工的微小型加工單元[5]（如圖4所示），這臺(tái)微小型加工單元的主軸驅(qū)動(dòng)方式采用氣動(dòng)渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸的最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到20，000rpm，主軸的回轉(zhuǎn)精度能達(dá)到1μm，其定位精度能達(dá)到0.5μm。

弗朗恩霍夫研究院（Fraunhofer Institute）針對應(yīng)用常規(guī)尺寸的機(jī)床加工微小型零件所出現(xiàn)的諸多問題，在微小型加工系統(tǒng)的研究方面進(jìn)行了一系列的研究工作，并已成功研制出了微小型加工中心[6]（如圖5所示）。

2 國內(nèi)微小型加工裝備的研究現(xiàn)狀

在微小型加工設(shè)備研究方面我國起步相對較晚，但其發(fā)展卻相對較快，并有一些技術(shù)已處于國際領(lǐng)先地位。國內(nèi)有多家科研院所及高校開展了關(guān)于微小型制造技術(shù)方面的研究，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京理工大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，長春理工大學(xué)等一批高等院校取得了卓越的研究成果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的精密工程研究所于2007年研制出了一臺(tái)微小型超精密三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床[7]（如圖6所示），該機(jī)床的外形尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了160，000rpm，主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到了1，工作臺(tái)重復(fù)定位精度±0.25？滋m，位置精度±0.5？滋m/75mm，機(jī)床使用的刀具為進(jìn)口刀具，最小直徑為0.15mm。

北京理工大學(xué)研制了一臺(tái)用于加工形狀復(fù)雜的微小型軸類零件的微小型車銑加工中心[8]（如圖7所示），該加工中心工作臺(tái)的重復(fù)定位精度為±0.2μm，進(jìn)行車削加工時(shí)車削主軸轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到8000rpm，進(jìn)行銑削加工時(shí)銑削頭主軸轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到60，000rpm。

多年來長春理工大學(xué)一直致力于超精密微小型加工設(shè)備的研究，并研制出了一臺(tái)三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床[9]，機(jī)床外形尺寸為400mm×400mm×500mm，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到60000rpm，主軸徑向跳動(dòng)誤差為±1μm，工作臺(tái)采用滾珠絲杠精密滑臺(tái)，其運(yùn)動(dòng)精度為±0.4μm/100mm。

參考文獻(xiàn)

[1]邱峰.桌面式為小銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[D].長春理工大學(xué)，2009.

[2]Ehmann K F，Bourell D.WTEC Panel Report on International Assessment of Research and Development in Micro manufacturing [R].USA：WTEC，2005.

[3]Andrew G.Phillip， Shiv G. Kapoor，Richard E.DeVor.A new acceleration-based methodology for micro/meso-scale machine tool performance evaluation. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2006，46：1435-1444.

[4]Zinan LU，Takeshi Yoneyama. Micro cutting in the micro lathe turning system[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture. 1999（39）：1171-1183.

[5]I.Nieminen，J.Paro，V.Kauppinen. HIGH-SPEED MILLING OF ADVANCED MATERIALS[J]. Joumal of Materials Processing Technology. 1996，56：24-36

[6]Jong-Kweon Park， Seung-Kook Ro，Byung-Sub Kim，et al. A Precision Meso Scale Machine Tools with Air Bearings for Micro factory.2007.

[7]趙巖，梁迎春.微細(xì)加工中的微型銑床、微刀具磨損及切削力的實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)精密工程，2007，15（6）：894-900.

[8]張之敬，金鑫.精密微小型制造理論、技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（1）：49-61.

[9]蔡美.微小銑床動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化研究[D].長春理工大學(xué)，2010.

作者簡介：顧佳超（1988-），男，助教，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化方面的教學(xué)科研工作。