精密超精密加工论

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1、微切削加工技术及国内外发展现状李勇1（1.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004）摘要：微型化、精密化已成为目前全球制造技术的一个发展趋势，高效率、高精度化的微细加工方法显得越来越重要。精密微细切削加工是在传统的金属切削理论与技术的基础上，面向微小型系统中各种材料结构件的加工需求而发展起来的一项微细加工方法。关键词：精密微细切削；切削机理；0引言：当今，现代制造技术正向着两个趋势发展，一方面向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使制造技术形成一个系统，进行设计、工艺、和生产管理的集成，统称为制造系统自动化；另一方面寻求固有制

2、造技术的自身微细加工的极限，即在现代制造技术中，能够加工微小零件的微细尺寸极限是多少，所以微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术[1]精密加工和微细加工有着密切的联系，它们都是现在制造技术的前沿，微细加工是属于精密加工范畴的。现在制造技术发展很快，不仅出现了微细加工技术，而且还出现了超微细加工技术，所谓超微细加工技术就是指制造超微小尺寸零件的加工技术。1微切削加工技术　　微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC加工中心可实现2D、215D简单特征到复杂3D曲面零件的微加工(见图1)，通过使用此法加

3、工出的微小模具可达到批量生产的目的。随着微机电系统和微机械的多样化发展，对拥有不同机械性能与电子特性的微元件的需求也显得越来越迫切。微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物、医疗装备、光学以及微电子(包括移动通信和电脑组件)等都有大量的需求。然而，并非每种应用在微机电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术生产出来，因此新的材料和新的微制造技术以及微切削技术陆续被研究发展出来以下主要介绍微切削装备、刀具、切削机理。图1　微切削加工的零件1.1微切削加工技工尺度　对于尺度的划分，不同的研究机构

4、、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m～10-9m之间的尺度属于量子力学研究范畴；1-9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；1-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为

5、尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。　1.2　微切削装备　　零件的尺寸和加工质量(加工精度、表面粗糙度、重复精度)与其加工机床的性能(如精度、动态特性等)密切相关。机床的性能主要与主轴、工作台和控制系统有关，微切削所用刀具的直径非常小，为了提高加工效率，微切削机床主轴的转速非常快。为满足扭矩要求，通常采用电主轴和混合角接触轴承，这种轴承由于摩擦生热造成热膨胀，最高转速一般不超过6万rPmin。当转速更高时，应采用空气轴承，但空气轴承提供的扭矩较小，目前空气轴承主轴的最高转

6、速可达20万rPmin。为了获得较高的切削速度，主轴的锥度与高速切削刀柄的锥度一致。微切削精密机床的工作台一般是由直线电机驱动的，与普通驱动如滚珠丝杠相比，直线电机驱动系统没有摩擦和电磁耦合产生的累积误差，也没有由于磨损造成的精度损失，不存在间隙，而且能提供较大的加速度，直线电机驱动系统的精度可达±1μm。微切削精密机床的刚度好，振动小，而且大都带有各种传感器和执行器。但是由于其尺寸较大，对周围环境的控制要求较严格，使得加工微小零件的成本较高。微细切削加工对所用的加工设备要求很高，其所用的加工设备应满足以下要求：（1）高精度。包括高的静态

7、精度和动态精度，其主要的性能指标有几何精度、运动精度（定位精度、重复定位精度）和分辨力等，如主轴的回转精度、导轨运动精度，分度精度等。当前，高水平的超精密机床其主轴的回转精度大多在0.02~0.03μm，导轨的直线度在0.025/100000内，定位精度为0.013μm，重复定位精度在0.006μm左右，进给分辨力在0.003μm，分度精度在0.5秒内，现在的精密微细机床大多采用液体静压轴承或空气静压轴承的主轴和导轨，精密滚珠丝杠传动，并配有微动工作台、误差补偿装置、实现微位移。对于高速回转的零件、部件都应该进行动平衡。（2）高刚度。其中

8、包括静刚度和动刚度，除零部件本身的刚度外，还应该注意接触刚度，同时应考虑由工件、机床、刀具、夹具所组成的工艺系统的刚度。精密机床虽然受到的切削力并不大，但是机床的受力变形将会造成精度上的很大影