复杂曲面微小零件的微细切削工艺研究.pdf
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1、 工艺材料 新技术新工艺 工艺与材料7 复杂曲面微小零件的微细切削工艺研究*王建平,王成新(长沙航空职业技术学院,湖南 长沙 4 1 0 1 2 4)摘 要:微小零件由于尺寸微小、结构复杂、加工精度高,所以对加工工艺的要求极高。微细切削是微细加工技术中效率较高、工件材料适用范围很广的加工方法,在微小零件的加工工艺研究中特别重要。主要阐述了微细切削加工设备及刀具系统配置、微细加工的特点及工艺要求、复杂曲面微细切削加工刀具和参数的选择、复杂曲面微细切削加工的实际加工等问题,通过采用合理的加工工艺和走刀路线,可以实现微小型零件的高精度加工,满足微小产品的需求。关键词:微小零件;切削工艺;机械;加工设
2、备;刀具;走刀路线中图分类号:T G 5 0 6 文献标志码:AR e s e a r c h o n M i c r o C u t t i n g P r o c e s s o f T i n y P a r t s w i t h C o m p l e x C u r v e d S u r f a c eWAN G J i a n p i n g,WAN G C h e n g x i n(C h a n g s h a A e r o n a u t i c a l V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e
3、,C h a n g s h a 4 1 0 1 2 4,C h i n a)A b s t r a c t:B e c a u s e o f t h e s m a l l s i z e,c o m p l e x s t r u c t u r e a n d h i g h m a c h i n i n g p r e c i s i o n,t h e m i c r o p a r t s r e q u i r e d v e r y h i g h m a c h i n i n g p r o c e s s.T h e m i c r o-c u t t i n g w
4、 a s a m a c h i n i n g m e t h o d w i t h h i g h e f f i c i e n c y a n d w i d e a p p l i c a t i o n r a n g e o f w o r k p i e c e m a t e r i a l s i n m i c r o-m a c h i n i n g t e c h n o l o g y,w h i c h w a s p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i n t h e r e s e a r c h o f m
5、 i c r o-p a r t s m a c h i n i n g p r o c e s s.W e m a i n l y d e s c r i b e d t h e m i c r o c u t t i n g e q u i p m e n t a n d t o o l s y s t e m c o n f i g u r a t i o n,m i c r o m a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c s a n d p r o c e s s r e q u i r e m e n t s,c o m p l e x
6、 s u r f a c e m i c r o c u t t i n g t o o l a n d p a r a m e t e r s s e l e c t i o n,c o m p l e x s u r f a c e m i c r o c u t t i n g a c t u-a l m a c h i n i n g a n d o t h e r i s s u e s.T h r o u g h t h e u s e o f r e a s o n a b l e m a c h i n i n g p r o c e s s a n d t o o l r o
7、 u t e,i t c o u l d b e r e a l i z e d t h a t t h e m i c r o p a r t s o f h i g h p r e c i s i o n m a c h i n i n g,i n o r d e r t o m e e t t h e n e e d s o f t i n y p r o d u c t s.K e y w o r d s:t i n y p a r t s,c u t t i n g p r o c e s s,m a c h i n e r y,m a c h i n i n g e q u i p
8、 m e n t,t o o l s,m o v i n g p a t h 随着科学技术特别是电子与光学技术的迅猛发展,微型机械在国防军事、航空航天以及信息等诸多领域发挥着越来越重要的作用,各种微型机械及相关技术的研究和应用越来越受到各国政府的高度重视。微型机械是极其微小而精巧的机电合一的装置,其特征之一就是微机械元件的尺寸都比常规机械元件的尺寸要小得多,但精度却比常规机械元件高得多,且构成这些微型机械的零件是各种各样而且纷繁复杂的。目前微型机械零件的制造工艺大多采用微电子工业的制造技术,加工成本昂贵,而且并不能实现真正的三维加工1。如何利用微小零件加工设备,通过微细切削的方式加工出微小零件
9、,是摆在我们面前的一个重要课题。1 微小零件微细切削加工设备及系统配置微小零件微细切削加工设备采用自主开发设计的微小加工机床,该机床总体结构为四轴龙门形式,采用这种龙门式结构,主要是基于如下几个方面的考虑:1)采用龙门式结构可以获得较大的工作行程;2)这种龙门式结构刚性较好,抵抗弹性变形的能力较强;3)这种龙门式的对称结构容易获得较高的加工精度,适合高速、高精度加工,尤其是微细切削加工。由于该机床主要用于微小零件的微细切削加工,切削量都不是很大,所以切削力一般也不大。设计时,将X轴、Y轴和转台都设计为空气静压的形式,Z轴为滚动导轨的形式,机床结构如图1所示。由于机床的空间限制,伺服转台与其伺服
10、电机平行放置,利用同步带驱动。3个直线轴的位置检测装置均采用分辨率为1 m的光栅尺,伺服电机采用的是日本S a n y o D e n k i公司生产的交流伺服电机,伺服转台利用同步感应器进行位置检测,并组成全闭环伺服控制系统。机床的床身与导轨材料均采用泰山青花岗岩,铣头采用日本N S K的气动高速铣头,其转速可达2 0 0 0 0 r/m i n,适合微细高速切削。车削主轴是北京兴航精密主轴部件厂的液体静压主轴,其轴向与径向刚度都达到2 0 k g/m,回转精度轴向与径向都达到0.1 m。机床底座使用空气减振器,以隔离来自地面的振动和吸收机床本身发生的振动,使静态振幅衰减到纳米级。最后,机床
11、的总体尺寸为1 2 0 0 mm1 0 0 0 mm1 5 0 0 mm。2 微小零件微细切削加工的特点及工艺要求2.1 微细切削加工的特点微小零件按工艺特点可以分为轴类零件、板类 新技术新工艺 2 0 2 3年 第9期 8 新技术新工艺 工艺与材料图1 微细切削机床结构图零件、齿轮、三维复杂零件等2-3。与一般的零件相比,微小零件微细切削具有如下特点。1)尺寸微小。微小型机电系统可以达到微米级精度,其 零件一般均 在毫米级或 微米级,假设 在MEM S系统中进行整体装配时,其尺寸最多只能在厘米级,应充分保证加工的形状精度和位置精度。2)微小零件力学性能要求高4。微小零件材料一般由金属、合金和
12、复合材料等组成,机械特性较好,强度硬度较高,具有抗过载、耐磨损、耐腐蚀和耐高温的能力,可应用在恶劣的工况条件下,这使得微细加工技术能够得以发展。3)微细切削加工与普通切削加工中的刀具所受的切削力不同5-6。当吃刀深度为1 m以下磨削软钢时,刀具单位面积所受的切削阻力极大,约为1 3 0 0 k g/mm2,接近了软钢的理论剪切强度1 4 0 0 k g/mm2;当吃刀深度约为5 0 m的微细铣削加工时,刀具单位面积的切削阻力急剧下降到约为1 0 0 k g/mm2;当吃刀深度为1 0 0 m的普通切削加工时,刀具单位面积的切削阻力下降为2 03 0 k g/mm2。所以当切削单位的大小从数微米
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