机械制造外文翻译---对形状复杂的微小零件的精密切削工艺研究.docx

附录a 英文原文附录b 中文翻译 对形状复杂的微小零件的精密切削工艺研究wang gui-lin1, zhang fei-hu1, dai yi-fan2(1. dept. of mechanical manufacturing & automation, harbin institute of technology, harbin 150001, china, e-mail: ; 2. school of mechatronic engineering & automation, national university of defense technology, changsha 410073, china)摘要： 相对于特种微型制造技术以及高能束微型制造技术， 微型切削工艺有许多的优点。例如，机械加工尺寸范围更广，设备成本更低，生产能力和机械精度更高。因此，微型切削工艺将会对复杂形状的微小零件的机械技术产生重要影响。本文在自主研发机床的基础上，通过分析复杂形状的建模方法，刀具路径的安排方法以及切削参数的最优选择，对由金属材料制造的复杂形状的微小零件的精密切削工艺进行研究。在上述工作的基础上，制造出一个典型的精度高， 表面粗糙度低且复杂形状微小零件的硬铝样品。这个结果将会对微型切削工艺的进一步研究提供有利的技术支持关键字：复杂形式；微小零件；建模；切削中图分类号：th161 文件编码：a 文章id ：1005-9113(2007)04-0528-05随着微/纳米技术的持续发展，有着微小形状尺寸和可细微操作这种特征的微型机械已经在人们的微观世界领域利成为了认识和重建客观世界的高端且新颖的技术。由于他们能够在狭窄的空间工作而且不会打扰工作的环境和对象,微型机械被广泛的应用在像航空，精密设备，生物医学等领域。复杂形状微小零件的切削工艺作为微小卫星，微型陀螺仪和其他微型机械的执行零件中的不可缺少技术，在许多发达国家中被认为是21世纪里关键技术之一。微型机械的内涵非常丰富。作为合成的机电一体化产品，微型机械不仅仅表现在尺寸上的缩小。而是利用微型切削工艺和一些特殊材料，将机构，致动器，控制器、传感器、电源集成在微型机械中，在微小的空间里发挥机械功能。因此，微型制造技术，尤其是微型切削工艺,是制造微型机械的基础，并且随着微机电系统技术的发展会变得越来越重要。1 微型切削技术在三维结构上的优点微型切削工艺能够达到极细的运动精度和高重复精度，在微型机械的研究领域中他是微米、亚微米、纳米级制造的通称。微型制造有很多种方式包括所有的非常规机械加工方式常见的微型制造方式包括光刻法、蚀刻技术、liga（光刻组织和电镀还原）技术、薄膜制备技术、牺牲层技术、分子装配技术、集成机构制造技术和微型切削技术。目前，最可行的微型制造技术包括硅各向异性蚀刻和liga技术，许多经典的微型机械装置制造都是采用上述方法的。但是硅各向异性蚀刻和liga技术都有他们各自的缺陷。从表1中可以看出，liga中存在许多的局限，最主要的一点是构成工作部件的材料。事实上，liga技术适合制造二维结构和一些小于在1毫米深的三维结构当然，liga技术能够在半三维结构下进行牺牲层技术加工，但是材料内部会产生内应力而且会影响机械功能。此外，设备用于liga技术是非常昂贵的，例如高准直x射线通常由同步辐射加速器产生，比光刻设备贵很多，一般的实验室不能承担这种设备。同时，liga技术很难制造金属零件，尤其是复杂形状的微小零件。表1 微型切削工艺与liga技术比较相对于liga技术来说，微型切削工艺有许多优点。例如，微型切削工艺的机械加工范围更广，设备成本更低，生产效率和精度更高，且相关技术更成熟。不仅如此，他能加工出微小尺寸和真正的三维结构的工作部件。2 复杂形状微小零件的建模设计在制造复杂形状微小零件之前，一定要完成建模设计。在建模过程中工作部件形状的精确描述是高质量、高精度制造零件的先决条件。在本文中以典型的复杂形状人的面部为基础，来研究复杂形状微小零件的建模设计。复杂形状不能用解析几何来表示。本文采用nurbs的方法来实现建模设计，他有三个主要优点：第一，nurbs几乎能表达任何形状。第二，在建模过程中他有无限的建模自由度和控制能力，便于修改凹凸的趋势，曲线方向和光滑等级。最后，对于复杂形状，nurbs能显著地节省数据和提高装配精度。复杂形状的建模过程由下图1中的步骤组成图1 复杂形状的建模过程2.1 曲面框架的构成首先，对人脸模型进行仔细分析。然后取出反映脸部形状的特征线或者特征面。在这个过程中，这些线只需要反引发出面部模型。如果他们太密了，将会花费很多时间并且在建摸过程中很难平滑。这些特征线或特征面构成了曲面框架。2.2 区分子曲面根据曲面的特征，将人脸曲面分为8个子曲面，包括如图2所示的前额、鼻子、面颊、上嘴唇、下嘴唇、下巴、眼眶和眼睛。每个子曲面可以由更低级别的单个或多个曲面构成。因此，每个子曲面需要分别设计。位置和区域被定义之后，这些子曲面被混合成一个整体。图2区分子曲面2.3 建模方式的选择一般来说，同样的曲面可以由不同的建模方式构成。因为每一个曲面都有他自己的特点，如果建模方式不恰当，那么计算过程将会变得复杂而且形状要求不能得到保证。在人脸的单个部位当中，前额是一个旋转地曲面。鼻子是由几条曲线创造的规则曲面。鼻尖由一些曲面溶合而成。面颊由扫描曲面构成。上下嘴唇是由三条曲线创造的顶层曲面。下巴是一个扫描曲面。眼眶是由一个被挖掘的曲面和两个曲面融合而成。2.4 创建子曲面在实际建模过程中，当描绘纵向和横向的特性曲线的时候，要先在较大区域的子曲面里表示出特性曲线。这个曲面作为位置基准被画了出来。对于人脸的模型，前额被选作位置基准。建模方式被选择了之后，子曲面中纵向的和横向的特性曲线被表示出来且各种参数被设定。在上述工作的基础上，每个满足形状和位置要求的子曲面就能被构造出来。2.5 子曲面的溶合设计完单独的子曲面之后，开始执行子曲面的溶合。此过程非常复杂，他需要两个子曲面有连续的切向平面，这样才能确保溶合曲面平滑。因此，在建模过程中要准确的选择溶合位置且合理的设置参数。在人脸模型的八个子曲面中，实际上每个曲面都是由更低级别的子曲面构成。建模设计完成之后，把每个子曲面溶合成需要的面。同时，溶合处要光滑。2.6 修改检查当复杂曲面的建模设计执行完成后，将会由模型曲面生成nc代码来完成机械加工。因此，这些模型曲面必须是密封的。换句话说，子曲面的间隙一定要小于允许误差在曲面建模过程中，由于框架错误，建模曲面和实际曲面之间存在着一些不同。如果这些错误在设定范围之内，那么曲面的设计就可被认为是可行的。实际上，他可以用电脑进行仿真，来检查光滑度以及这些曲面的接缝处能否被加工出来。如果发现有错误，曲面建模会被立刻修改，知道构造出正确的曲面。图3所示用mastercam软件进行人脸建模。 图3 人脸建模3 复杂形状微小零件的切削工艺复杂形状微小零件的尺寸在数毫米甚至1毫米以下是如此的小以至于其切削工艺与普通零件的不同。微型切削工艺通过合理选择刀具、机床以及工艺条件来满足机械加工的要求。3.1 刀具的选择由于在微型切削过程中切削力很大，所以应选在耐热性高和耐磨性高的刀具材料。此外，为了达到稳定的微米级精度，刀具的边缘半径和切削深度都在微米级。一般来说，加工曲面时选择罗盘铣刀（如图4所示） 。但是由于罗盘铣刀的形状导致它的尺寸不能足够小。因此，罗盘铣刀可用来粗加工曲面，偏置刀具用来精加工曲面（如图5所示）。 图4 罗盘铣刀的形状图5 偏置刀具的形状3.2 机械加工设备的选择为了满足微型切削的要求，机床的构成必须满足以下的功能：一个高稳定性的伺服机构系统；定位精度高；重复定位精度高；一个低热变形的结构；主轴转速高；很低的动态不平衡和平稳的床身构件来隔离外界的振动干扰。根据上面的要求，自主研发的精密机床结构如图6所示。图6 精密机床的结构基于切削微小零件的机械特殊性，需要高的切削速度和相当小的切削半径。因此主轴应达到很高的转速。同时，因为工作部件的复杂形状，主轴的稳定转动要相当高。根据上述因素和切削功率的要求，在微型切削过程中选用dz42x电主轴。3.3 刀具路径的安排在机械加工曲面中，刀具路径的生成方法有很多。在这些方法中，层切削方法显示的是一组平行平面截断曲面，截线被当做刀具的移动路径。根据实际情况优化之后，层切削方法在切削复杂形状微小零件的过程中可用来完成刀具路径的安排。在用层切削方法来规划刀具路径的时候需要遵循的三个原则。1) 先粗加工，再精加工。在切削复杂形状工作部件的过程中，多项程序被用来一步一步的满足加工需求。用不同的层切削形式来实现不同的程序，如表2所示。2) 顺铣。在顺铣过程中，铣刀的刀齿以较大的厚度切入工作部件以较小的厚度切出。因此，顺铣的表面质量较好而且刀齿磨损小。3) 在工件表面沿切线方向的进刀和退刀。当进刀和退刀时要选择不重要的位置。此外，为了避免产生刀痕，刀具的进给和退回应该沿着工件表面的切线或者切削延伸线此外，当规划刀具路径时，还需考虑例如刀具半径补偿以及工件和刀具之间的干涉问题。刀具干涉非常复杂，需要很多的内容来解释这种情况。因此我们将讨论不同型号刀具的半径补偿。对于罗盘铣刀（如图7），刀具直径是d，切削深度是ap 。 补偿半径r可如下表示： (1)图7 罗盘铣刀的切削参数像偏置刀具（如图8），刀尖半径是r，锥角是，切削深度是ap 。补偿半径r可如下表示： (2)3.4 切削用量的选择工件材料是硬铝，主轴转速是6000r/min。当粗加工时切削深度是30m，进给速度是2mm/s。当精加工时切削深度是15m，进给速度是1mm/s。图8 偏置刀具的切削参数对于立式的罗盘铣刀（如图7所示），切削间距是ae， 有效直径是de,残余高度是h，切削速度是vc,主轴转速是n。则一些方程式可被推出如下： (3) (4) (5) (6)如果粗加工和精加工都用罗盘铣刀，为了确保当直径d=1.5mm时残余高度h0.8m，切削间距ae0.07 mm。根据主轴转速和切削深度，可推出粗加工时切削速度vc =0.133m/s,精加工时切削速度vc =0.095m/s。对于偏置刀具（如图8所示），一些方程式可被推出如下： (7) (8) (9) 如果粗加工和精加工时用偏置刀具，当锥角=60，刀尖半径r = 0.1mm时，为了确保残余高度h0.8m，切削间距ae0.12mm。根据主轴转速和切削深度，可推出粗加工时切削速度vc=0.05m/s，精加工时切削速度vc=0.04m/s。基于在切削中的这些参数，我们可看出罗盘铣刀适合粗加工，偏置刀具适合精加工。3.5 机械加工结果基于上述工艺计划和参数的选择，一个由硬铝制造的人脸模型被制造了出来它的尺寸是5mm3mm1.1mm,如图9所示。图9 硬铝制造的人脸模型4 结束语在本文中，描述了复杂形状微小零件在mems中的重要作用,并且分析了相对于特种微型制造技术以及高能束微型制造技术而言，微型切削工艺的优点。在上述工作的基础上，通过研究复杂形状的建模设计，刀具路径的安排方式以及切削用量的最优选择，在自主研发的精密机床上制造出了一个以硬铝为材料的典型的精度高的复杂形状微小零件的样品。 参考文献：1 holmes a. developments in microengineering for the production of 3d micromachines. international progress in precision engineering. france: compiegne, 1995. 439-442.2 yamagata y, higuchi t. four axis ultraprecision machine tool and fabrication of fabrication of microparts by precision cutting technique. international progress in precision enginee