石文天，劉玉德，方澤平，李銀賓

（1. 北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2. 北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島 266404）

基于車銑復(fù)合加工的微小型結(jié)構(gòu)件工藝研究

石文天1，劉玉德1，方澤平2，李銀賓3

（1. 北京工商大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2. 北京理工大學(xué) 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青島 266404）

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，微小型結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)于微小型引信、微小型鐘表、微小型機(jī)器人、微飛行器等產(chǎn)品。此類微小型零件尺度微小，精度要求高，多為有一定強(qiáng)度的金屬等非硅材料[1]，零件具有三維幾何結(jié)構(gòu)，即有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀如臺(tái)階面、深孔、薄壁等，有較大的深寬比和長(zhǎng)徑比。傳統(tǒng)微細(xì)加工技術(shù)起源于半導(dǎo)體集成電路制作工藝，在加工效率、加工質(zhì)量、三維結(jié)構(gòu)、材料多樣性方面顯得力不從心，尤其是微小型復(fù)雜、異型、高強(qiáng)度、多尺度金屬結(jié)構(gòu)件的加工對(duì)微細(xì)加工技術(shù)提出了更高的要求[2]。

微細(xì)切削技術(shù)[3]作為傳統(tǒng)加工方法在微小尺度的延伸，融合了數(shù)控加工、CAD/CAM、微小型刀具設(shè)計(jì)、微小型精密檢測(cè)技術(shù)等新方法，符合微機(jī)械零件材料多樣化、結(jié)構(gòu)三維化、功能復(fù)雜化、批量柔性化的發(fā)展趨勢(shì)而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，在加工微小型零件，尤其是微小型結(jié)構(gòu)件方面具有較大工藝優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。

1 微小型結(jié)構(gòu)件的工藝特征分析

微小型結(jié)構(gòu)件一般是微小型產(chǎn)品的座體或本體類零件[4]，在本體類零件上還要進(jìn)行其它微小型零件如微細(xì)軸、微小型齒輪、微小型板、微彈簧等的裝配。作為微機(jī)械系統(tǒng)的重要承載件，微小型結(jié)構(gòu)件一般選用金屬、合金、復(fù)合材料等具有較高強(qiáng)度和硬度，能夠承受較大載荷甚至高過(guò)載，能在復(fù)雜環(huán)境工況下工作，具有耐磨、耐蝕、耐高溫[5]等特性要求的材料。

微小型結(jié)構(gòu)件自身尺寸微小，加工困難，具有其它常規(guī)零件所不具備的工藝特征如較大深寬比、長(zhǎng)徑比，有微槽、微孔、薄壁、臺(tái)階面等。相比較常規(guī)零件要求加工工藝性更強(qiáng)，不僅要保證零件的幾何形狀，還要保證各幾何形式的相對(duì)位置關(guān)系精度。作為裝配的基礎(chǔ)，其外形輪廓比較復(fù)雜，各定位表面較小，無(wú)法重新進(jìn)行定位夾緊。如果不能一次裝夾加工完成，極易影響加工精度，甚至?xí)铝慵?bào)廢，因此利用常規(guī)的車或銑等加工手段很難順利完成加工，采用一般數(shù)控機(jī)床加工也很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

上述工藝特征要求微小型結(jié)構(gòu)件的加工機(jī)床[6]具有以下特點(diǎn)：

1）加工尺度小：常規(guī)尺度金屬切削機(jī)床的加工尺度大，機(jī)床整體尺寸也較大，相比較而言，微小型結(jié)構(gòu)件加工機(jī)床由于零件的特征尺寸較小，機(jī)床要進(jìn)行小型化和微型化設(shè)計(jì)，便于夾持微小尺寸的刀具進(jìn)行切削加工。

2）加工精度高：微小型零件自身的尺度較小，如果加工精度仍停留在常規(guī)尺度公差要求和精度水平[7]，加工誤差將影響微小型零件的宏觀尺寸，極易使零件報(bào)廢，故應(yīng)將微小型機(jī)床的加工精度也提高到相應(yīng)級(jí)別，使加工誤差降低到最低水平。

3）復(fù)合加工能力強(qiáng)：微小型結(jié)構(gòu)件的局部工藝特征復(fù)雜，采用常規(guī)工藝無(wú)法一次加工完成，通常要采用多種工藝復(fù)合加工。一方面由于微小型零件的定位面和夾持面尺寸較小，無(wú)法進(jìn)行二次定位裝夾，一方面為了保證零件的加工精度，需要一次裝夾完成，要求微小型機(jī)床的復(fù)合加工能力較強(qiáng)，具備車、銑、鉆、磨、車銑復(fù)合，甚至滾齒等功能，從而實(shí)現(xiàn)零件的完整加工[8]。

4）加工柔性好：受微小型結(jié)構(gòu)件批量較小的影響，微小型機(jī)床的加工柔性要好，能快速調(diào)整加工工藝并對(duì)刀具進(jìn)行合理配置，以適應(yīng)多品種、小批量的微小型零件加工要求，實(shí)現(xiàn)柔性加工、快速生產(chǎn)的目的。

上述特點(diǎn)要求微小型零件加工機(jī)床自身尺寸小，剛性好，多軸復(fù)合，能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)加工，且主軸轉(zhuǎn)速較高，進(jìn)給機(jī)構(gòu)分辨率高，數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)快，精度高，能夠具備在線測(cè)量，并監(jiān)測(cè)加工過(guò)程等能力。

2 微小型車銑加工中心

微小型加工機(jī)床采用如圖1所示的微小型車銑復(fù)合加工中心，具備車、銑、鉆、磨和車銑復(fù)合加工能力，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)微小型零件的完整加工。車削主軸最高轉(zhuǎn)速8000r/min，可滿足一般微小型零件的車削要求，同時(shí)還具備C軸精確分度功能，并有主軸鎖定裝置對(duì)零件進(jìn)行精確定位。

在車銑加工中心上，加工中心的刀具和電主軸可以進(jìn)行合理配置。圖2即為此加工中心的刀具及電主軸配置方案。第一種方案可以在工作臺(tái)上安裝三個(gè)車刀刀座，進(jìn)行車削加工時(shí)可有效增加刀具數(shù)量，提高切削加工的自動(dòng)化程度；第二種配置方案將上一種配置中的車刀刀座替換為電主軸2，兩個(gè)電主軸均有60000r/min的最高轉(zhuǎn)速，使用較小直徑刀具時(shí)，能保證達(dá)到較高切削速度。

圖1 微小型車銑加工中心

圖2 刀具及電主軸配置方案

采用第二種方案，可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾定位，進(jìn)行車削、鉆削、銑削、磨削以及車銑復(fù)合加工等加工，配合車削主軸的C軸分度功能，能夠?qū)α慵嗣嫒我馕恢眠M(jìn)行加工，同時(shí)進(jìn)行軸向車銑和正交車銑；機(jī)床采用FANUC數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)行控制，能提供精確的定位和控制要求；具備極坐標(biāo)插補(bǔ)與圓柱插補(bǔ)功能；達(dá)到兩軸聯(lián)動(dòng)、四軸可控。

3 微小型結(jié)構(gòu)件的加工工藝

如圖3所示為某鐘表機(jī)構(gòu)中的微小型結(jié)構(gòu)件，從圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)件外形復(fù)雜，三維特征明顯，有多個(gè)臺(tái)階面用以裝配其它不同微小型零件，有直徑不同的孔，且孔與孔之間有相對(duì)位置關(guān)系和嚴(yán)格的精度要求，孔內(nèi)需要加工出內(nèi)螺紋進(jìn)行其他零件的聯(lián)接，零件上有微槽并和其它工藝特征有相對(duì)位置要求。

微小型結(jié)構(gòu)件加工工藝要求盡量減少裝夾次數(shù)、減少刀具使用種類，優(yōu)化刀具運(yùn)動(dòng)路徑以避免機(jī)床驅(qū)動(dòng)部分累積誤差，合理安排加工順序保證零件幾何精度和加工精度等。表1為該結(jié)構(gòu)件的主要加工工序。

圖3 微小型結(jié)構(gòu)件

表1 微小型結(jié)構(gòu)件主要加工工序

加工出的樣件用體式顯微鏡觀察后，如圖4所示：

圖4 微小型結(jié)構(gòu)件加工實(shí)物

由上述工藝路線可知，此類典型微小型結(jié)構(gòu)件充分利用車銑加工中心的車、銑、鉆以及車銑復(fù)合加工功能，在車銑加工中心上一次裝夾即可加工完成大部分工藝工序，實(shí)現(xiàn)微小型了結(jié)構(gòu)件的完整加工，節(jié)省了零件裝夾、定位找正、對(duì)刀和換刀的輔助時(shí)間，提高了零件加工精度和效率，而且可以根據(jù)零件種類和工藝特征的不同，快速進(jìn)行刀具配置和加工工藝路線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了多品種、少批量的柔性加工。

4 結(jié)論

微小型車銑加工中心可以在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上對(duì)微小型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行車、銑、鉆、磨、車銑復(fù)合等加工工藝，實(shí)現(xiàn)了微小型結(jié)構(gòu)件的一次裝夾定位和完整加工。基于微小型車銑中心的復(fù)合加工，

通過(guò)減少裝夾次數(shù)提高了定位和加工精度，通過(guò)減少輔助時(shí)間提高了加工效率，可以快速調(diào)整加工工藝實(shí)現(xiàn)微小型結(jié)構(gòu)件的柔性加工，是一種高效實(shí)用的加工方法。

[1]劉志兵, 王西彬, 解麗靜, 等. 微小型結(jié)構(gòu)件的微細(xì)切削技術(shù)[J]. 工具技術(shù), 2008, 42: 19-23.

[2]石文天. 微細(xì)切削的基礎(chǔ)理論和工藝方法研究[D]. 北京:北京理工大學(xué), 2009.

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[6]孫雅洲, 梁迎春. 微細(xì)切削與微小型機(jī)床[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2005, 2: 112-114.

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Research on manufacturing of Micro structure parts based on Micro turn-milling technology

SHI Wen-tian1, LIU Yu-de1, FANG Ze-ping2, LI Yin-bin3

隨著產(chǎn)品小型化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)，微小型零件尤其是微小型結(jié)構(gòu)件的需求越來(lái)越廣泛，微小型復(fù)雜、異形、高強(qiáng)度、多尺度金屬結(jié)構(gòu)件對(duì)加工提出了更高要求,基于車銑復(fù)合加工的微細(xì)切削技術(shù)在加工微小型結(jié)構(gòu)件方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。首先對(duì)微小型結(jié)構(gòu)件的工藝特征進(jìn)行了總結(jié)和分析，指出微小型結(jié)構(gòu)件加工機(jī)床的工藝特點(diǎn)，然后介紹了微小型車銑加工中心的結(jié)構(gòu)布局和工藝能力，并對(duì)典型微小型結(jié)構(gòu)件的加工工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：基于微小型車銑加工中心，采用車、銑、鉆、車銑復(fù)合工藝加工微小型結(jié)構(gòu)件，能夠一次裝夾定位實(shí)現(xiàn)完整加工，提高了加工精度和加工效率，通過(guò)快速調(diào)整加工工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)微小型結(jié)構(gòu)件的柔性加工，是一種高效實(shí)用的加工方法。

微小型結(jié)構(gòu)件；微細(xì)切削；車銑復(fù)合；完整加工

石文天（1980－），男，山東章丘人，講師，博士，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)、微小型加工技術(shù)及微細(xì)切削技術(shù)的研究。

TG506

A

1009-0134(2011)4(下)-0039-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).12

2011-01-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50875026）；北京工商大學(xué)青年教師科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目；北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目（PHR201106110）