微小零件加工的微细切削技术
作者 :  龚琳 艾春雨 秦琳 于淳

  摘 要 微细切削技术是高速度低成本的的对微小零件进行机械加工的方式,它是未来制造技术的发展趋势,是2l世纪重点发展的关键技术之一。微细切削技术的主要加工对象是金属与合金等非硅材料微小型结构件,是精密加工的关键技术。本文结合微小零件的特点,分析了微细切削的技术体系。
  关键词 微小零件 微细切削
  中图分类号:TG501.1 文献标识码:A
  随着材料学、微电子学、机械学和信息学等学科的发展,微细切削技术也迅速发展,成为具有多学科交叉的前沿研究领域。微细切削技术是一种快速低成本的微小零件机械加工方式,不受加工材料的限制,在三维几何形状和多样化材料的微细加工中有独特优势,是一项微米和中间尺度机械制造领域的新兴技术,能实现微小模具的批量化生产。微细铣削、微细车削、微细磨削和微冲压等。构成了目前的微细切削技术。
  1 微小零件的特点和加工范围
  微小零件是指微小尺度范围内的光、电、机、磁、液等要素高度集成的一类零件。微小零件在结构形式、构件材料和加工工艺等方面有以下特点:(1)微小型零件的构成材料主要是金属、合金或者复合材料等非硅材料,机械特性好,强度硬度高,具有耐磨损、抗过载、耐高温或耐腐蚀能力,在恶劣工况条件下也能正常工作;(2)现在广泛存在于各种微小型系统,包括框架、壁、腔体、轴、槽、轮、孔系等多种结构形式,市场需求量大,现在最大的问题是在满足加工精度要求的前提下如何解决批量生产的问题;(3)指整体尺度在毫米级,很难利用常规方法加工的小型零件;(4)以准三维或三维的立体结构为主的结构形式,深宽比高或长径比大。(5)结构复杂,空间紧凑,各个部件之间存在确定的连接、传动或装配关系,对形状和位置的精度要求非常高。对于零件表面的精密度要求较低,不一定要纳入纳米级别。
  2 微细切削的机理
  微细切削其实和常规切削一样的,都通过刀具去除工件表面材料。但由于微细切削的工件、刀具尺寸非常小,所以微细切削会出现许多与常规切削不同的现象。提高加工质量的有效途径之一是通过对微细切削机理的研究进而推动微细切削实用化进程。在切削加工中,工件材料与刀具的接触区域不可避免的会出现局部变形,所以必须控制刀具的切削厚度,使厚度控制在工件材料的最小切削厚度之内,保证加工质量。刀具在微细切削加工时去除材料逐渐减少,刀刃刃口的半径逐渐接近最小切削厚度,与传统切削的模型不同,切削沿着刃口半径轮廓会产生剪切变形。因此微观组织和切屑的形状变化与传统大尺寸的切削切屑存在差别。微细切削中,刀具磨损是关键问题,所以硬质合金材料被广泛应用于微细铣刀中。
  3 面向微小零件的微细切削技术
  3.1微细切削技术有自己特有的优势
  3.1.1适合多种材料的加工
  微细切削的去除机理是通过刀具在切削层施加机械力产生切削变形,以切屑的形式从工件表面脱离。所以从理论上说,如果刀具材料有足够的的强度和硬度,刀具与工件之间不发生热化学反应,合金、金属、陶瓷、塑料、石墨、复合材料、玻璃和硅等任何材料都可进行微细切削,所以加工材料范围广泛。微细切削加工材料的广泛性对具有高承载或高耐磨要求的微小零件加工比较有利。
  3.1.2 可进行三维立体加工
  传统的切削工艺在微观加工尺度的延伸就成了微细切削。微细加工不仅能加工平面图案或轮廓,还可以通过采用微细立铣刀或钻头,合理规划刀具路径和加工策略,能够沿零件的纵深方向进行 加工,具有很强的三维加工能力,对高深宽比高或长径比大的微小零件非常适用。
  3.1.3加工单位小,精度高,材料去除比率高
  微细切割尺度很小,随着机床定位的精确度和刀具尺度的减少,微细切割可以满足非常小尺度的零件加工。微细切割通过锋利的刀具能准备定位切割位置,减少加工误差,具有较高的相对精度。另外,可以通过控制切割深度和量提高工作效率,实现微小零件的快速生产。
  3.2 微细切割的技术障碍
  3.2.1刀具制作技术落后
  实现微米级切削的必备条件是要有极小尺度的微细切削刀具。然而,制约微细切削水平的关键因素则是刀具制备技术落后。根据分子动力学的仿真结果的理论,刀具刃口要半径小于l纳米才能实现对单位0.1纳米的微细切削加工,就目前的技术水平和应用材料还达不到这个要求。
  3.2.2 微细切削工作监控困难
  微细切削技术难点之一是切削工作状态的监控。在常规尺度切削下会有比较明显的切削冲击、振动、噪声等现象出现,而在微细切削下这些现象会变得微弱,反映切削工作状态的价值信号的噪音低、幅值小,在辨识和提取特征参数时有一定的困难。
  3.2.3 加工精度和加工能力受限,不能完全适应批量生产
  由于刀具的使用和产生的切削力的原因,需要不断提高加工的精度和加工能力。微细刀具的制作工艺容易造成刀刃口磨损,磨损后的刀具切削尺度和原来理论上的尺度发生了变化,加工精度上还有待进一步提高。切削力的大小在切削转角时会导致切削力增加,所以这就限制了对精密表面的获取。微细切削技术现在对于微小零件的多种产品已经可以进行小批量生产,但生产过程的自动化程度低,目前还没法满分大批量生产需要。
  4 结语
  微细切削技术是精密加工工艺的重要延伸,尽管目前的微细切削技术只能针对小规模的微小零件加工,在尺度和精度上还达不到最完美的程度,但是目前对微细切削技术的研究和试验方法在不断改进,新型复合材料也在不断地投入实验中,所以它的发展前景和运用前景非常广阔。

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