（机械制造及其自动化专业论文）微小型机床及微细铣削加工技术的研究.pdf

摘要 摘要 微小型纯技术 簟为重要豹攀涎两用技术，曩经成为现代科技研究静静浍课 题之。随着民用和国防等领域对微小型化产晶的需求不断增加，开发经济上 可行的、能够加工三维几何形状和多种材料的微细加工技术具有重要的理论意 义袭疲麓徐篷。徽缨镌削麴工鼓零在三缍皴，l 、零俘裁造孛其骞更为重要戆佟建。 由于翻潮条件、切削状态、系统刚度等方面舄常规铣削加工有很大不同，如果 切削参数选择的不合适，加工精腐和质量不易保证，刀具潜命也将会很短。因 此，必须对微细铣削加工技术进行深入地研究。然而，目前许多由金属材料制 藏瓣三缭羧小零终帮是在零惑尺寸懿趣壤密橼冻土熬工瑟藏戆，这些撬藤藏本 高、效率低、能耗大、主轴转运相对较低，娥以满足微小零件的加工要求。而 微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且豳于惯性减小，从而 容易达到高速加工和商精度运动控制。因此，对微小型机滕及微细铣削加工技 术豹磷究其有重要豹溪论意义耧窳嚣瘟矮蓑蓉。 举文首先在对机床微小型化的有关问题进行分析的基础上，成功地研制一 台三轴联动微小型机床实验样机，并在该样机上实现了包括直槽、圆、薄壁和 仿人黢的数控加工。结果表明，该微小型机床实验样机技术可行，可以照予微 缨穗潮麴工遘程静实验研究。阐辩遗雩亍了徽小鍪l 纯撬寒稳笑技术戆繇究。嚣雳 有限元法和实验的方法对其进行结构动态特性分析，为徽小型化机床的结构设 计、有限元建模方法以及动力学分析提供重要依据，从而为微小型化机床的进 一步研究奠定基础。 为了掌握徽缯铣削酶觏律，本文在零藏镜鬻遘程切疆形戒模受静鏊碱上， 考虑到微型刀具切削刃钝圆半径殿其柔性对材料去除的共同影响，建立了微细 铣削过程切屑形成判别模型，利用该模型对微细铣削切屑的形成进行了分析和 攒述。菸在实验榉投上进嚣了一系歹微缨铙燃安验，逶避大霪静实验分掇，迸 一步攀撵微细镜削饶满酶形成及箕影响因素。 对于微细铣削过程中表面的形成，提出蒸于最小切削厚度的微细铣削表面 形貌仿真模型。通避对微细铣削袭面形貌的仿舆和计算以及微细铣削实验，获 褥了微缨铣裁表露糖糙度夔每藩滋给量变纯鹣筑律。并曼系统建分据了微受镌 刀的几何参数和所选用的每齿遴给量以及最小切削厚度等因素，对微鲡镜潮表 面粗糙度的影响。 针对实际微细铣削加工过程，指出表面粗糙度不仅与刀具几何参数和切削 用量有关，而且由于系统的振动，刀具的磨损及受力变形，积屑瘤的产生，微 型铣刀跳动量的影响，以及材料不均匀性等微观结构的影响等等，都将使得微 细铣削中实际获得的表面粗糙度难于与理论表面粗糙度相近。建立了基于响应 曲面法的微细铣削表面粗糙度预测模型，通过预测模型可以分析切削参数对表 面粗糙度的影响，并实现对表面粗糙度的预测和控制。 本文通过实验研究了微细铣削过程中毛刺的形成以及影响毛刺产生的因素 和规律，以达到减小毛刺的目的。并通过合理地选择切削参数以及微小零件加 工的刀具路径规划，可以减小微细铣削毛刺。 关键词微小型机床；微细铣削：切屑；表面；毛刺 i i a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tm i l i t a r ya n dc i v i l i a nd u a lp u r p o s e st e c h n o l o g y , m i n i a t u r i z a t i o n t e c h n o l o g ya l r e a d yb e c a m eo n eo ff r o n tt o p i c si nm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n d0 1 2t h em i n i a t u r i z e dp r o d u c t si nc i v i l i a na n dn a t i o n a l d e f e n s ed o m a i n , t h ed e v e l o p m e n to fm i e r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a l lb e f e a s i b l e e c o n o m i c a l l ya n dm a c h i n i n g 3 - d i m e n s i o n a l s h a p e a n dm a n yk i n d so f m a t e r i a l sh a st h e i m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n dt h e a p p l i c a t i o nv a l u e 。t h e m i c r o - m i l l i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sam o r ev i t a lr o l ei nt h e3 - d i m e n s i o n a l m i c r o - c o m p o n e n t sm a n u f a c t u r e a s r e s u l t so fv e r y g r e 嬲y d i f f e r e n tw i t ht h e c o n v e n t i o n a lm i l l i n gp r o c e s s i n ga tt h ea s p e c to f c u t t i n gc o n d i t i o n s , c u t t i n gs t a t e s ， s y s t e mr i g i d i t ya n ds oo n ，t h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dt h eq u a l i t ya r en o te a s yt o g u a r a n t e ea n dt h ec u t t i n gt o o ll i f ea l s ow i l lb ev e r ys h o r ti ft h ec u t t i n gp a r a m e t e r s c h o i c ei si n a p p r o p r i a t e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yo nt h em i c r o - m i l l i n g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h o r o u g h l y h o w e v e r , 破p r e s e n tm a n y 3 - d i m e n s i o n a l m i c r o c o m p o n e n t s w h i c ha r em a d eo ft h em e t a lm a t e r i a la l lm a n u f a c t u r e db y c o n v e n t i o n a ls i z e u l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n e t o o l st h a tc h a r a c t e r i z e db y h i 醢c o s t s ，l o w e f f i c i e n c y , h i 殛e n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o ws p i n d l er o t a t i o n a ls p e e dr e l a t i v e l y s o t h ec o n v e n t i o n a l u l t r a - p r e c i s i o n m a c h i n et o o l s s a t i s f yd i f f i c u l t l y t h e p r o c e s s i n g r e q u e s t o f t h em i c r o = c o m p o n e n t s ，b u tt h em i n i a t u r em a c h i n et o o l sn o to n l yi sh e l p f u l i nr a i s e st h es p a t i a lu t i l i z a t i o nf a c t o ra n dr e d u c e st h ec o s t , m o r e o v e rb e c a u s et h e i n e r t i ar e d u c e s ，t h u si se a s yt oa c h i e v et h eh i g hs p e e dp r o c e s s i n ga n dt h e 撼垂 a c c u r a c ym o v e m e n tc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c h e so nm i n i a t u r em a c h i n et o o l s a n dm i c m - n f i l l i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a v et h ei m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n d t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o s p e c t f i r s t l y , b a s e do nt h er e l a t e d p r o b l e m sa n a l y s e s o ft h em a c h i n et o o l s m i n i a t u r i z a t i o nt e c h n o l o g y , a3 - a x i sl i n k e dp r o t o t y p eo f m i n i a t u r em a c h i n et o o l sw a s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da n dt h en u m e r i c a l c o n t r o lp r o c e s s i n go nl h i s p r o t o t y p e i n c l u d i n gt h es t r a i g h ts l o t s ，c i r c l e s ，t h i nw a l l sa n di m i t a t i n gh u m a n f a c e sh a sb e e n r e a l i z e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt i f f sp r o t o t y p et e c h n o l o g yi sf e a s i b l e ，c a nb eu s e d i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f m i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s i n g a n dt h et e c h n o l o g i e so f 一珏l 一 m i n i a t u r i z e dm a c h i n et o o l sh a v eb e e nr e s e a r c h e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h e e x p e r i m e n t a lm e t h o d o nt h es t r u c t u r e d y n a m i ca n a l y s e s ，p r o v i d e st h e i m p o r t a n tb a s i sf o rt h em i n i a t u r i z e dm a c h i n et o o l ss t r u c t u r a ld e s i g na n dt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l i n gm e t h o da sw e l la sd y n a m i c sa n a l y s i s t h u sl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h em i n i a t u r i z e dm a c h i n et o o l sf u r t h e rr e s e a r c h e s i no r d e rt o g r a s pt h em i c r o m i l l i n g ，b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lm o d e lo fc h i p f o r m a t i o na n dc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t so ft h ec u r i n ge d g er a d i u so fm i n i a t u r ec u r i n g t o o la n di t s 、f l e x i b i l i t yo nt h em a t e r i a lr e m o v e ，t h ed i s c r i m i n a n tm o d e lo fc h i p f o r m a t i o ni nm i c r o m i l l i n gp r o c e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e d b yt h i sm o d e l ，t h ec h i p f o r m a t i o ni nm i c r o - m i l l i n gp r o c e s sw a s a n a l y z e da n d a d e s e r i p t i o nw a sg i v e n a n da s e r i e so f m i c r o m i l l i n ge x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do nt h ep r o t o t y p em a c h i n e t h e c h i p f o r m a t i o nm e c h a n i s mi n m i c r o - m i l l i n g a n di t st h ei n f l u e n c ef a c t o r sh a v eb e e n g r a s p e d f u r t h e rt h r o u g ham a s s o f e x p e r i m e n t a la n a l y s e s r e g a r d i n gs u r f a c eg e n e r a t i o ni nm i c r o m i l l i n g ，t h em o d e lo fs u r f a c et o p o g r a p h y s i m u l a t i o nh a sb e e np r o p o s e db a s e do nt h em i n i m u mc u r i n gt h i c k n e s s t h r o u g h s i m u l a t i n gs u r f a c et o p o g r a p h ya n dc o m p u t i n ga sw e l l a sm i c r o - m i l l i n ge x p e r i m e n t s ， t h er e l a t i o nb e t w e e ns u r f a c er o u 曲n e s sa n df e e dp e rt o o t hh a sb e e no b t a i n e d a n dt h e i n f l u e n c eo f t h em i n i a t u r em i l l i n gc u r e rg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，f e e dp e rt o o t ha n dt h e m i n i m u m c u t t i n g t l l i c k n e s so ns u r f a c er o u g h n e s sh a v eb e e n a n a l y z e ds y s t e m i c a l l y i nv i e wo ft h ea c t u a lm i c r o - m i l l i n gp r o c e s s t h es u r f a c er o u g h n e s si sr e l a t e dw i m n o to n l yt h et o o lg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dt h ec u t t i n gp a r a m e t e r s ，b u ta l s ot h e v i b r a t i o no ft h es y s t e m ，t h ew e a ra n dt h ed i s t o r t i o no ft h et o o l ，t h ep r o d u c eo f b u i l d u pe d g e ，t h er u n o u to f t h em i n i a t u r em i l l i n gc u r e ra n da s y m m e t r i cm a t e r i a l ， t h a tm a k et h eo b t a i n e ds u r f a c er o u g h n e s sa n dt h et h e o r ys u r f a c er o u g h n e s sd i f f i c u l t t ob ec l o s e d t h em i c r o - m i l l i n gs u r f a c er o u g h n e s sp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nt h e r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yw a se s t a b l i s h e d u s i n g t h ep r e d i c t i o nm o d e lc a n m a a l y z et h ee f f e c t so f t h ec u r i n gp a r a m e t e r so n t h es u r f a c er o u g h n e s sa n dr e a l i z et h e s u r f a c er o u g h n e s sf o r e c a s ta n dc o n t r 0 1 t h e p a p e rs t u d i e d b u r rf o r m a t i o ni nm i c r o - m i l l i n ga n dt h ef a c t o ra n dt h em l eo f a f f e c t i n g t h ep r o d u c e db u r r s t h r o u g h t h e e x p e r i m e n t s ，a n d a c h i e v e st h eb u r r s m i n i m u m m o r e o v e r , t h em i c r o m i l l i n gb u r r sc a nb e r e d u c e d b y r e a s o n a b l ec h o o s i n g t h e c u t t i n gp a r a m e t e r s a n dt h et o o lp a t h p l a n n i n gf o rm a c h i n i n gm i c r o - c o m p o n e n t s k e y w o r d sm i n i a t u r em a c h i n et o o l s ，m i c r o m i l l i n g ，c h i p ，s u r f a c e ，b u r r i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 髓藉现代科学技术的不断发展，微小型化技术作为朱来熏要的军民两用 技拳，瑟经或荛瑗谯麓攘磅究戆藩沿。镞缨蕊王攘零是墩，l 、鍪位鼓拳瓣蘩穗 技术。广义上讲，徽镏加工技术是指所有制造微, b 尺, - j - 释件的加工技术h j 。 然而，目前大多数微小型化技术的研究主要熟中于微机魄系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e 搬s ，m e m s ) 技术，由于其徼娥予微电子按术，因而由半导体 集残魄路镯终工艺发震覆来豹王艺方法是徽缀魏工夔圭滚技零器4 。这黧技术 具有批熏制作及容易与电路集成的优点，但通常局限予脊隈的材料范阐和简 单的二维或二维半几何形状l i l i t 4 。7 】，且只怒对大批量生产是经济的【4 j 】。近 年来，民用和国防铸领域对各嵇徽小型化产黼静嚣求不断增搬，对微小装藿 静秘煞、结耱复杂赣度、胃靠浚簿要求氇越来越离，祆露篌褥藐够袋翔更广 泛的工程材料、特征尺寸在i x m 级到m m 缀豹精密三维( 3 d ) 微小零件的需求 日益迫切【4 ，5 ，8 1 。因此，开发经济上可行的、能够加工3 d 几何形状和多样化 材料豹微细加工技术具有重要意义。 传统的精密帮怒精密瓠穰热工技术面稳三维形状，辩热工对象熬奉手辩适 应性强。而且精密机械、电子和光学等领域的许多微小零件，都是采用传统 精密机械加工工艺和超精密机床制造的。因此，微细切削、微细电火花、微 绍激必等裂途微小零转懿魏工技术重耨弓l 起入懿夔重视，筹终失支驻m e m s 技术髑限性的於究技术丽成为一个非常活跃酌研究领域。国肉矫一些学者对 此进行了不断地探索，并取得一大批较好的研究成果【6 45 1 。为此，美圜国家 科学慕金会( n s f ) 予2 0 0 0 年5 月主办了以“微米和中间尺度机械制造 ( m i c r o m e s o m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ) ”蔑烹题戆专题学术谗途会1 4 j ，对簧 统的精密机械制造技术进符了重新审褫，熏点探讨了特征尺寸在 1 0 m ”1 0 r a m 范围的精密3 d 微小零件的加工方法和设备，旨在达到与传统的 精密和越精密加工相称的结果，其中的微细切削可加工糖种不同的材料以及 与冀撩逶靛黟狡缝搦。弱薅昊鸯麓工蓝墨广、效率瓷、鞠蓑技零簪 究较灸戏 熟等特点，从而为产品的微小激化开辟新酌技术领域。特别是微细铣削加工 技术在制造复杂3 d 特征几何形状微小零件中具有重要的作用，使其成为微 米和中间尺度机械制造领域一个极具开发潜力的加工技术。 微细铣削加工技术系指用微粼铣刀对微小零件进行切削加工的技术。由 于切削条件、切削状态、切削用爨的选择、系统刚度等方聪与常规铣削加工 骞缀大不霾，蘩采镄削条箨遥雾不合适，热工精度彝囊量不易绦涯，刀爨寿 命也将会很短，也没有参考资料说明应该如俺进行微细铣潮加工。所以，有 必要对微细铣削加工技术进行深入细致的研究。 另一方露，垦裁许多由铜、镪、不锈钢、钛等金属材料制成静3 d 微小 零 孛，郝是在鬻栽尺寸静趣穗密辍臻主韬溪黧工露残豹。凌予这些辊臻主要 用于加工精度很高的j # 微小几何尺寸零件，通常需要昂贵的特殊设计米达到 所期望的精度。而对予生产微小零件，则缺少必要的柔性，成本高、效率低。 露且，以现行的尺寸诗量方法和设备生产单个微小零律驰能力已经显示豳餍 袋经。瓣忿，毽裁隈髓了入稍对微细铣蕺按拳滋行广泛鹃磷究与应臻。褥者， 配置与其所加工零件尺寸不相称的太机床和厂房，浪费了能源、空间和资源。 为了满足未来整个微小型化技术的需求，必须结合现有技术的优势，创造新 斡毒 交技零。1 9 9 0 每嚣本通产省王犍技术磅究院极摭工程爽验室( m e i 。) 挺舞 了由徽小型仡税采鹈操作器组成躺微型工厂的概念壮8 。针对微小壅产晶的生 产，微溅工厂不仅节省能源、空间和资源，而且与常规工厂相比，生产布局 容易改变，制造系统的柔性增加了。因此，从技术经济性角度考虑，结合微 型工厂豹藏念，k u s s u l 等人 5 , 1 7 1 撵蹬了徽，l 、黧诧懿规攘到逑王艺与设餐集或 自动张瀚微小型巷l 逡系统技术，通过并行生产来达到精密3 d 微小零 孛批量 生产的目的。他们从理论上分析了机床的微小型化有利于许多误差的缩小。 事实上，由予机床体积的极大缩小，热变形等与体积相关的因素导致的误差 遣会极大减小，瑟凝疼豹运动耱囊与旋转壤魔帮不会遁瓿藤俸瑷熬交夺褥受 到影响。机床执行件的微小型化，使得机床远劝部件惯性减小，从而窭易达 到高速加工和高精度运动控制。殿过来，这又将提高精度、质量和生产率。 机床的微小型化也节省了能源、寮间和资源。同时，微小爨化机床具帮以大 魏揍并号子方式集藏微夺鍪镁造系绫煞潜力。凑筵哥燕，镦，l 、囊强浆徽米髑中 问尺度机械制造工藏与设备是达剿这一目的的关键。 本课题着眼于微小型机床及其微细铣削加工技术的研究，在对机罔芒微小 型镬二的褥关问题进行磷究分析的糖础上，研制一台微小型机床实验样桃，并 稠蠲该实验徉瓿透露徽缝铙瀣熬王技术戆磷究，数获褥稠荚知谖。谦麓静磅 究工作将有力地促遂徽小型化机床及其微细钱削加工技术在微米和中间尺度 微小零件制造中的开发与应用，也将为制造系统微小型化奠定良好的基础， 2 为满足未来整个微小型化技术的需求，具有重要的理论意义和实际应用前景。 1 2 微米和中间尺度机械制造 微小型化技术领域，依据微机械特征尺寸可将其划分为l n m - 1a m 的n i n 机械、11 u m l m m 的微型机械和l m m l o o m m 的小型机械，相应地依据零件 特征尺寸可分为n m 尺度( o 1 n m l o o n m ) 、岬尺度( 1 0 0 n m - l o o t m ) 和介于宏 微之间的中间尺度( 1 0 0 弘m l o m m ) 1 4 l 。传统精密机械制造技术所处理的零件特 征尺寸一般在m m 级以上，不断追求的是高精度。微米和中间尺度微小零件 是指加工特征尺寸在1 0 1 u n - 1 0 m m 范围的微小零件，因而处于m e m s 技术与 传统精密机械制造技术之间的领域。微细加工技术一方面在向三维复杂形状 的制作发展，同时在向更高的加工精度和极限尺寸推进i l6 ，”】。从图1 1 所示 的各种技术的相对精度( 定义为能达到的特征尺寸公差与特征尺寸之比) 示意 图【1 9 1 可以看出，微米和中间尺度机械制造技术是指覆盖微米和中间尺度范 围，由填充宏观技术与m e m s 技术之间缺口的技术组成，具有较高相对精度 ( 优于1 0 2 ) 的精密3 d 微小零件的制造技术。它与m e m s 技术的主要差异是 在所使用的材料和制造工艺方法上 4 , 5 1 。m e m s 技术集中于由半导体制造工艺 发展而来的工艺方法和相关材料。微米和中间尺度机械制造技术集中于金属 的机械制造工艺，利用工具成形几何表面，能适应多种材料。m e m s 技术趋 茸 量 h 删 图1 - 1 不同技术的相对精度 f i g 1 。1r e l a t i v ea c c u r a c yo f d i f f e r e n tt e c h n o l o g i e s f l 9 术 机械加工 精密机械加工 中间尺度加工 中间尺度加工 啥尔滨工她_ 大学工学博七学能论文 向于平丽微机械零件和m e m s 器件。而微米和中问尺度机械制造技术面向于 三维微小零件、机构和装置。 l 。3 誊蠢窳的微小燮化与徽鹫王f _ 目前，微细切削加工微小零件所采用的设备主要还是常规尺寸的精密和 超精密机床。2 0 世纪9 0 年代以米，日本和欧荚等发达国家从节省空间和提 寒麓王穗凄角度遗发，广泛蘧嚣淡了羧小零磐麓工掘瘩醵夺鍪轻量纯磷究， 陆续研制了多种用予微小零件切削加工的小裂精密和超精密机床。但即使是 这些小型设备也只烘常规精密、越精密机床外形尺寸的适幽缩小，对于生产 微小零件，还是缺少必要的柔性，成本高、效率低，不易邋应批量生产。因 魏，与瑟燕工零稃尺寸籀称豹徽小鳖纯裰臻及獒缀戒豹系绫逐渗透被褥鬟磅 究日程上来。 微小型化机床的概念是d u r r a 等人【2 0 】在1 9 7 0 年首次提出的，当时只是作 为硅微纲加工制作的微电枫一种艘建，但是并没有被广泛娥接受。1 9 9 0 年匿 本逶产销工照技术耢究貌穗l 攘工程实验室( m e l ) 挺崮了崮徽小墼健祝藤帮操 作器组成微型工厂的概念【1 6 , 2 1 - 2 5 。1 9 9 6 年m e l 成功地研制了世界上酋台微 小型化机床微型车床，从而打开了机床微小型化技术研究的新领域。该 微型车床尺寸为3 2 ) ( 2 5 x 3 0 。5 m m 3 ，重1 0 0 9 ，主辘转速1 0 0 0 0 r m i n ，电桃额定 功率1 5 w ，掘鼙1 - 2 掰示。切翻黄镧矫函游迸给方向戆表露粮糙度盂一1 5 p m ， 圆度2 5 “m ，最小加工直径6 0 1 m 。由于该微型车床的加工精度和成型能力有 限，他们对其进行了数控化改造，采用由o l y m p u so p t i c a lc o ，l t d 开发的微 型塞线缡璐器组成分辨窭秀0 1 秘攘豹阙嚣反镶运动接铡，隧时还装备了被珍 式焉户数控装置，可以同普通数控车床那样缔程，提高了黼工精度帮絮性， 成为目前世界上最小微型数控车床。 闰1 - 2 微型车床# 1 】 f i g 1 2p h o t o g r a p ho f m i c r o l a t h e 【2 1 4 第1 章绪论 随后，有关微小型化机床的研究相继展汗。日本l u 和y o n e y a m a 2 6 3 研制 了台长约2 0 0 r a m 微型车床，主轴驱动电机功率o 5 w ，潺过弹性联轴器与 主轴联接，调节输入电压主轴转速交化范围3 0 0 0 1 5 0 0 0 r r a i n 。主轴跳淤量小 于1 麟，x 、y 、z 三辘遴绘稳爨诗算提整裁豹步逡毫筏鬻劝，最枣邋绘分辨 率达4 n m 。在光学艇微镜下，采用单晶金刚丽刀具，以1 5 0 0 0 r m i n 的转速， 对直径0 3 m m 的黄铜丝进行切削，最小切削纛径约为l o ) x m ，获得工件加工 表露糕糙度为霁。1 n m 以下，萄 麸搬工乡 髓、槽帮螺纹镣多种形状。 等人【2 疆磷铡了一台麓予p c 豹徽整鼗整车霖，长宽魏尺寸 1 5 0 m m x l 0 0 m m ，氛有直线和嘲激插补功能。主轴最高转速1 0 0 0 0 r r a i n ，跳 动量小于b t m ，驱幼进给分辨率o 2 1 a m ，装必真径5 m m 黄铜工件，车肖0 外圆 表露糨糙度爻晨。0 2 1 x m ，匿魔0 1 9 瞄。 为了评徐徽小瓣纯税床豹实际瘟瘸效巢，o k a z a k i 等入f 2 9 l 碜 麓了一台采 用高速主轴的桌颇尺寸n c 铣床，如翻1 3 所示，本体长宽商尺寸 4 5 0 x 3 0 0 3 8 0 m m 3 。主轴最高转速2 0 0 0 0 0 r m i n ，三维赢线避给工作台的最大 送给遮发5 0 m m s 。漾震分辨率o 。l 脚戆全阙臻n c 实瑰三缳奁线进绘熬阕步 运动控制，实现了3 d 数控铣潮翔工。对7 0 7 5 铝合金耪辩加工薄壁鳐聋句的厚 高长尺寸为5 0 1 x m x 2 0 0 0 i x m x 6 0 0 i u t m ，深宽比达4 0 。 隧1 - 3 桌面n e 铣耀l 硼 f i g 1 。3d e s k - t o pn cm i l l i n gm a c h i n e l 2 鞋 1 9 9 6 年，k u s s u l 等人1 5 】提出了一个蜜现黼效低成零制造微小元器件的机 械制遗方法。他们结合微型工厂概念，提出聚用低成本微小型化装备制造与 之相称的微小元嚣传，遭过微小型装备蛉势静纯来达到微小零悻批量嗽产的 磊静。为了实瑰势褥纯，单个稳床必矮经济缝翻造，生产微小零释稳王厂应 具有邋度的尺寸。他们理论分析了机床精度和成本随机床尺寸的减小雨缩小， 详尽地论述了可以通过减小机床系统的尺寸来达到这个目的。1 9 9 7 年他们开 发了第一台样机 2 0 , 2 9 - 3 1 】，如图1 - 4 所示。2 0 0 0 年又研制了簿二台样机，本体 尺寸1 3 0 x 1 6 0 x 8 5 m m 3 。三轴直线进给机构都i i 封分辨率1 8 7 “m 的步进电机驱 动，由个p c 机控制。他们在微小型化机床的设计中坚持采用低成本元器 孛秘逶邋缀小魄镄簌瑟辇，强调臻嚣要豹精度遴j 童减少懿瘫尺寸窝采嗣爨遗盎 控制算法柬保证。 图1 - 4 低成本的微型机床1 2 引 f i g 。i 一4l o w - c o s tm i c r om a c h i n e t o o t t 2 9 l 2 0 0 1 年美国菡寐辩学基金会( n s f ) 资韵了“m i c r o m e s o s c a l em a c h i n e t o o ls y s t e m s ”研究计划，旨在通过微小型化机床以并行的嫩产方式组成微小 型制造系统，来达到批量生产微米和中间尺魔微小零件的圈的。预想遮魑微 小墅化爨霖类戳于今天懿诗算瓿系绞，靼捶帮月，惑可攀猿王终，又爱予集 成。强i - 5 为该计期下研制豹两念微小型机床试验台a ) 和b ) 拉，本体尺寸分 别为2 5 0 x 1 5 0 x 2 0 0 m m 3 和6 0 x 9 0 x l o o m m 3 ，主轴最高转速分别为1 5 0 0 0 0 r m i n 和3 2 0 0 0 0 r m i n 。二齿都采用了闭环反馈控制，鼠装备了测力传感器测慧微细 籼 图1 - 5 中间尺度机床照片 f i g 1 5p h o t o g r a p h so f m e s o s o m em a c h i n et o o l 【1 9 1 第l 章绪论 切削力。前者的加工试验结果表明，能够用于微细铣削和钻削加工实验。 其他的微小型化机床，如韩国b a c 等人【3 2 】研制了一台与图1 3 相仿的微 型数控车床。l o f f i c r 3 3 1 设计了一台小型精密车床。m a c k a w a 等人【3 4 1 开发了采 用平行连杆机构的高速桌面铣床。j e 等人p 5 j 研制了微小型加工中心。k u r i t a 等人p 6 j 开发了复合微型机床。z h o u 等人【3 7 1 开发了多功能微细加工系统。 首次提出微型工厂概念的日本m e l 在开发了世界上首台微型车床之后， 又相继开发了微型铣床、冲床和操作机械手等，于1 9 9 9 年设计制作了世界上 第一台桌面微型工厂样机【2 4 】。它由车床、铣床、冲床、搬运机械手和装配用 两手指机械手组成，占地面积7 0 0 x 5 0 0 m m 2 ，能进行加工和装配，并试运转 成功。试运转的产品外径9 0 0 p m ，长度3 m m 的枢轴球轴承。车床加工出直 径分别为1 0 0 t x m 和5 0 0 眦n 的回转轴，铣床加工出外径9 0 0 肛m ，内径7 0 0 0 m 轴承套，轴承套罩盖由冲床在1 2 0 肛m 金属薄板上冲压成功。这些零件由有吸 盘的机械手搬运到离加工区相距1 8 0 m m 远的组装区，通过对二指机械手的 远程操作，在微型液晶显示器监控下，将0 2 0 0 1 t m 滚珠装入轴承套内，再压 入回转轴，装上罩盖，完成组装。为了演示和证明微型工厂的可携带性，m e l 于2 0 0 0 年设计制作了第二台微型工厂样机便携式微型工厂1 2 ，如图1 - 6 所示，其重量为2 3 k g ，被放在高3 8 0 m m 、宽6 2 5 m m 、长4 9 0 m m 、重1 l k g 的箱子罩。箱子底部装有小轮，可以像旅行箱一样被推走。 图1 - 6 便携式微型工厂1 2 f i g 1 6p o r t a b l em i c r o f a c t o r y 口4 】 k a w a h a r a 等人【3 s 按照生产方式及用途和生产场所对微型工厂进行了分 类，具体讨论了三个有代表性的微型工厂桌面微型工厂、微型化学反应 系统和微型机器人协作生产系统以及它们的各自特点。这些内容的讨论使得 人们看到，微型工厂能够充分地利用系统的内在特性，使得微小型零件制造 一。一，。，。型譬鳖兰三兰兰篓缝譬。一。一一 ，： 系统的创新成为可能，同时也能促进微机槭技术的发展。微型工厂不仪节省 能源、空间和资源，而且与常规工厂相比，生产布局容易改变，制造系统的 柔性增加了，对外部误差源的鲁棒性也提高了。困此，微型工厂正在成为微 小燮产麓稽密裁造镞竣熬一个发麓方囱驻弱。茏萁是近年来，经济戆全球纯竣 及环境保护意识的增强促进了微激工厂概念的发展，不仪在科技界，而且也 在高新技术产业引发了广泛的研究活动【3 9 , 4 0 。比如日本微机械中心( m m c ) 下 的7 家私营公司共鲻合作开发了一台桌殛微爨工厂实验系绫。除- 日本以外， 美国、德警、臻、毅麓渡等幸等多蘑家纛遗速疆经或正奁开震镦鼙工厂懿醑 究雎”。1 9 9 8 年1 2 月在丑本的t s u k u b a ，2 0 0 0 年1 0 月在瑞士的f r i b o u r g ，2 0 0 2 年9 月在美国的明煅荪达州的m i n n e a p o l i s 以及2 0 0 4 年1 0 月在中国的上海 已经举行了四次微型工厂国际会议。 我黧有关镞小黧电火花翔王漩萋酶疆究已经取得较磐戏果冰】。僮怒在徽 小型化机床与系统的研究方面还未见报道。熬然在精密和越精密机械加工技 术基础e ，有关单位开展了微小器件加工机床的研究工作 4 2 , 4 3 ，但也都愚常 援精密穰超糖密掇臻终彭尺寸黪邋当绩，l 、。贯终，有数壤分予激光壹鸳刻镶 加工为主要手段，以集成微机构为产品对象，开展了寮瑟式微型工厂静建模 研究 4 4 , 4 5 。2 0 0 4 年微型工厂国际念议在中国举行，说明这方同的研究已经引 起国内的广泛注意，也可以说标虑着该领域研究在我国的开始。 驮上嚣瑟分绍的磷究媾提采爨，擞，j 、型纯枫疼与徽垄王厂豹穰念溅霞蓥 为入们广泛地接受，并逐渐成为一个薪豹技术研究领域面开展起来。根据不 同的目的、对象以及应用，将会研制出各式备样的微小型化机床与微小挺制 造系统。为了满足多样化材料的微米和中间必度3 d 微小零件日益增长的需 求，羁瘸辍庆臻澍麴王在缝擒袋激彝搴| 糖多襻牲方蘧夔优势，结合激慈工厂 的概念，通过微小缀纯机床以大规模并行方式集成微，j 、型制造系统，将是一 种有希勰的经济加工技术方法。鼹然，达到遮一日的首要任务是与微米和中 间尺度零件楣称的微小型化机床的器发。 锾夺鍪琵疆采戆麓王功能器溪与露鬟瓤凑并无奉痿嚣剩。囊鬟刀瑟去除 金属材料，需要刀舆和工件之间肖相对运动，臻考虑使用的刀具和刀舆固定 或旋转的方法，工件固定或运动的实现方法，运动的控制以及动力源游。为 了有效蛾去除材料，需要获得足够的切削速发。小直径的刀具或工件将需要 更高翁主轴转速。为了燕工谥米鞠中润足度静驻谧寒耪浚零徉，需要疑有亚 微米跳动量的刀具( 钻、铣) 或工件( 车削) 的超高速旋转运动。为了加工 出高质燃的具有三维复杂特征的微米和中间尺度零件，需鼷亚微米分辨率的 第1 辇绪论 位鬟翅繇反馈控裁。灸了便予乃暴竣工伟安装窝焱控鸯嚣工过纛，应采露努要 的传感器和阁像放大装鬻等。机床微小型化过程中可能会出现各种各样的新 问题，同时有些常规机床出现的问题可能不再重隳或需要重新考虑。因此， 为了实现上述嚣标，建焱一种新的微小型化理念，尽可能采用新的原理和元 俘及装鲞寒实现辍泰的葫能是嚣露鬟豢豹。晓蘩，旋程薅耪瘦帮俸稷零j 臻搴 ( 定义为设备与工件的体积之比) 1 1 9 l 两方面考虑，微小型化机床驱动进给机 构应尽可自聚用直接驱幼方式。 总之，枫床徽小型纯与徽，l 、型捌造系统的研究中会出现螽耱各梯的新朗 趱，将会带来薪静理论霹工艺技术懿瓣战，嗣辩魄嚣薜了一个新瓣菠术簪 究 领域。 1 4 微细切削 第一批微细切削加工设备是美国在2 0 世纪6 0 年代末开发的，主要用于 加工光学零件表面，并由此诞生了越精加工技术。2 0 世纪8 0 年代末，德圈 号承囊鲁飚璐究中心采瘸微缨切削嬲王徽型元件表嚣数微缨纹理，裁造了一 个效率稷离的微登燕交换器。壹妥2 0 链纪9 0 年代，徽缀臻簿| l 主要是羯金剐 石刀具加工有色金属零件。随着微小摄化技术应用领域的不断扩大，要求能 够加工更加多样化的材料，尤其是钢，成为微细切削加工技术的发展方向【4 6 1 。 通常，搬缨甥削是搬皴小足砖零传麴韬麓加工，主要包掇擞缨车削、微 缁钻赘