微细加工中的微型铣床、微刀具磨损及切削力的实验研究

　　1　引　言

　　随着科学技术的发展,近年来在IT、医疗器械以及通讯领域,人们对微小型零件(如:微型传感器、微型加速度计、微透镜阵列等)的需求日益增加。这种需求的增加促进了微细加工技术的发展。

　　在目前的多种微细加工技术中,微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)一直是主流技术之一。由于MEMS技术衍生于微电子技术,它的主要加工对象被限制在硅基材料上,并且工件的几何形状基本上是简单的二维形状,因而只有在大规模集成电路的批量制造等方面才是经济的[123]。微细切削加工技术,特别是微细铣削作为MEMS技术的补充,由于其几乎不受加工对象材料和几何形状的限制而受到研究人员的重视,正在成为微细加工技术中的新生力量。

　　目前的微细铣削加工中,微型零件大多是在常规尺寸的超精密机床上加工出来的。由于这些常规尺寸的超精密机床本来主要是用于高精度大尺寸零件的精密/超精密加工,在小批量的微型零件生产方面显得缺乏柔性、成本高、消耗的能源和空间与微型零件不相称,为此美国国家科学基金会于2000年专门主办了“微米与中间尺度机械制造”专题研讨会,探讨了精密三维微型零件的加工方法和设备[4]。现在,国外许多学者已经开始了微小型机床的研究工作。韩国首尔国立大学的学者Y. B. Bang等人研制了一台五轴微型铣床(294 mm×220 mm×328 mm,具有三个直线平台,二个旋转平台,主轴为空气涡轮主轴),并用此微型铣床加工了一些微型薄壁(厚度25μm,高650μm)和微立柱(30μm×30μm×320μm),显示出了很好的加工能力[5]。日本机械工程实验室的M. Tanaka等人开发了一套可方便移动的微型机床系统。这套系统由一台微型车床(30 mm×25 mm×30 mm),一台微型铣床(170 mm×170 mm×102 mm),一台微型冲床(111 mm×66mm×170 mm)组成。在微型CCD显微镜的辅助下由一个微型手臂来装卡工件,利用这套系统已经成功加工出了直径为0.9 mm的球轴承[6]。

　　国内有关微细铣削技术的研究报道还很少见,本文介绍了哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的微型精密三轴联动立式铣床的系统构成以及被用户满意接受的加工实例,建立了NC嵌入PC型开放式数控系统,开发了界面友好的控制软件并集成了视频采集模块;对微径铣刀进行力学分析,研究其振动、应力及变形特征;通过刀具磨损实验分析了TiAlN硬质合金涂层及非涂层微径铣刀的磨损机理;通过槽铣硬铝2Al2的实验研究了切削用量对微细铣削力的影响,为微细铣削工艺的深入研究奠定了基础。

　　2　微型精密三轴联动立式铣床与加工实例

　　2.1　微型精密铣床的结构及参数

　　研制的微型精密三轴铣床以及所使用的微径端铣刀如图1所示。机床总体外形尺寸为300mm×300 mm×290 mm,由以下五部分组成: