機械制造外文翻譯---對形狀復雜的微小零件的精密切削工藝研究

1、<p><b>　　附錄A 英文原文</b></p><p><b>　　附錄B 中文翻譯</b></p><p>　　對形狀復雜的微小零件的精密切削工藝研究</p><p>　　WANG Gui-lin1, ZHANG Fei-hu1, DAI Yi-fan2</p><p>　　(1

2、. Dept. of Mechanical Manufacturing & Automation, Harbin Institute of technology, Harbin 150001, China, E-mail: guilin74811@nudi.edu.cn ; 2. School of Mechatronic Engineering & Automation, National University of

3、Defense Technology, Changsha 410073, China)</p><p>　　摘要： 相對于特種微型制造技術以及高能束微型制造技術， 微型切削工藝有許多的優(yōu)點。例如，機械加工尺寸范圍更廣，設備成本更低，生產(chǎn)能力和機械精度更高。因此，</p><p>　　微型切削工藝將會對復雜形狀的微小零件的機械技術產(chǎn)生重要影響。本文在自主研發(fā)機床的基礎上，通過分析復雜形狀的建

4、模方法，刀具路徑的安排方法以及切削參數(shù)的最優(yōu)選擇，對由金屬材料制造的復雜形狀的微小零件的精密切削工藝進行研究。在上述工作的基礎上，制造出一個典型的精度高， 表面粗糙度低且復雜形狀微小零件的硬鋁樣品。這個結(jié)果將會對微型切削工藝的進一步研究提供有利的技術支持</p><p>　　關鍵字：復雜形式；微小零件；建模；切削</p><p>　　中圖分類號：TH161 文件編碼：A

5、 文章ID ：1005-9113(2007)04-0528-05</p><p>　　隨著微/納米技術的持續(xù)發(fā)展，有著微小形狀尺寸和可細微操作這種特征的微型機械已經(jīng)在人們的微觀世界領域利成為了認識和重建客觀世界的高端且新穎的技術。由于他們能夠在狹窄的空間工作而且不會打擾工作的環(huán)境和對象,微型機械被廣泛的應用在像航空，精密設備，生物醫(yī)學等領域。復雜形狀微小零件的切削工藝作為微小衛(wèi)星，微型陀螺儀和其他微型機械的執(zhí)行

6、零件中的不可缺少技術，在許多發(fā)達國家中被認為是21世紀里關鍵技術之一。</p><p>　　微型機械的內(nèi)涵非常豐富。作為合成的機電一體化產(chǎn)品，微型機械不僅僅表現(xiàn)在尺寸上的縮小。而是利用微型切削工藝和一些特殊材料，將機構(gòu)，致動器，控制器、傳感器、電源集成在微型機械中，在微小的空間里發(fā)揮機械功能。因此，微型制造技術，尤其是微型切削工藝,是制造微型機械的基礎，并且隨著微機電系統(tǒng)技術的發(fā)展會變得越來越重要。</p&

7、gt;<p>　　1 微型切削技術在三維結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點</p><p>　　微型切削工藝能夠達到極細的運動精度和高重復精度，在微型機械的研究領域中他是微米、亞微米、納米級制造的通稱。微型制造有很多種方式包括所有的非常規(guī)機械加工方式常見的微型制造方式包括光刻法、蝕刻技術、LIGA（光刻組織和電鍍還原）技術、薄膜制備技術、犧牲層技術、分子裝配技術、集成機構(gòu)制造技術和微型切削技術。</p>

8、<p>　　目前，最可行的微型制造技術包括硅各向異性蝕刻和LIGA技術，許多經(jīng)典的微型機械裝置制造都是采用上述方法的。但是硅各向異性蝕刻和LIGA技術都有他們各自的缺陷。從表1中可以看出，LIGA中存在許多的局限，最主要的一點是構(gòu)成工作部件的材料。事實上，LIGA技術適合制造二維結(jié)構(gòu)和一些小于在1毫米深的三維結(jié)構(gòu)當然，LIGA技術能夠在半三維結(jié)構(gòu)下進行犧牲層技術加工，但是材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應力而且會影響機械功能。此外，設備用于L

9、IGA技術是非常昂貴的，例如高準直X射線通常由同步輻射加速器產(chǎn)生，比光刻設備貴很多，一般的實驗室不能承擔這種設備。同時，LIGA技術很難制造金屬零件，尤其是復雜形狀的微小零件。</p><p>　　表1 微型切削工藝與LIGA技術比較</p><p>　　相對于LIGA技術來說，微型切削工藝有許多優(yōu)點。例如，微型切削工藝的機械加工范圍更廣，設備成本更低，生產(chǎn)效率和精度更高，且相關技術更成熟

10、。不僅如此，他能加工出微小尺寸和真正的三維結(jié)構(gòu)的工作部件。</p><p>　　2 復雜形狀微小零件的建模設計</p><p>　　在制造復雜形狀微小零件之前，一定要完成建模設計。在建模過程中工作部件形狀的精確描述是高質(zhì)量、高精度制造零件的先決條件。在本文中以典型的復雜形狀——人的面部為基礎，來研究復雜形狀微小零件的建模設計。</p><p>　　復雜形狀不能用解

11、析幾何來表示。本文采用NURBS的方法來實現(xiàn)建模設計，他有三個主要優(yōu)點：第一，NURBS幾乎能表達任何形狀。第二，在建模過程中他有無限的建模自由度和控制能力，便于修改凹凸的趨勢，曲線方向和光滑等級。最后，對于復雜形狀，NURBS能顯著地節(jié)省數(shù)據(jù)和提高裝配精度。</p><p>　　復雜形狀的建模過程由下圖1中的步驟組成</p><p>　　圖1 復雜形狀的建模過程</p>

12、<p>　　2.1 曲面框架的構(gòu)成</p><p>　　首先，對人臉模型進行仔細分析。然后取出反映臉部形狀的特征線或者特征面。在這個過程中，這些線只需要反引發(fā)出面部模型。如果他們太密了，將會花費很多時間并且在建摸過程中很難平滑。這些特征線或特征面構(gòu)成了曲面框架。</p><p>　　2.2 區(qū)分子曲面</p><p>　　根據(jù)曲面的特征，將人臉曲面分為

13、8個子曲面，包括如圖2所示的前額、鼻子、面頰、上嘴唇、下嘴唇、下巴、眼眶和眼睛。每個子曲面可以由更低級別的單個或多個曲面構(gòu)成。因此，每個子曲面需要分別設計。位置和區(qū)域被定義之后，這些子曲面被混合成一個整體。</p><p><b>　　圖2區(qū)分子曲面</b></p><p>　　2.3 建模方式的選擇</p><p>　　一般來說，同樣的曲面可

14、以由不同的建模方式構(gòu)成。因為每一個曲面都有他自己的特點，如果建模方式不恰當，那么計算過程將會變得復雜而且形狀要求不能得到保證。</p><p>　　在人臉的單個部位當中，前額是一個旋轉(zhuǎn)地曲面。鼻子是由幾條曲線創(chuàng)造的規(guī)則曲面。鼻尖由一些曲面溶合而成。面頰由掃描曲面構(gòu)成。上下嘴唇是由三條曲線創(chuàng)造的頂層曲面。下巴是一個掃描曲面。眼眶是由一個被挖掘的曲面和兩個曲面融合而成。</p><p>　　2

15、.4 創(chuàng)建子曲面</p><p>　　在實際建模過程中，當描繪縱向和橫向的特性曲線的時候，要先在較大區(qū)域的子曲面里表示出特性曲線。這個曲面作為位置基準被畫了出來。對于人臉的模型，前額被選作位置基準。</p><p>　　建模方式被選擇了之后，子曲面中縱向的和橫向的特性曲線被表示出來且各種參數(shù)被設定。在上述工作的基礎上，每個滿足形狀和位置要求的子曲面就能被構(gòu)造出來。</p>

16、<p>　　2.5 子曲面的溶合</p><p>　　設計完單獨的子曲面之后，開始執(zhí)行子曲面的溶合。此過程非常復雜，他需要兩個子曲面有連續(xù)的切向平面，這樣才能確保溶合曲面平滑。因此，在建模過程中要準確的選擇溶合位置且合理的設置參數(shù)。</p><p>　　在人臉模型的八個子曲面中，實際上每個曲面都是由更低級別的子曲面構(gòu)成。建模設計完成之后，把每個子曲面溶合成需要的面。同時，溶合處

17、要光滑。</p><p><b>　　2.6 修改檢查</b></p><p>　　當復雜曲面的建模設計執(zhí)行完成后，將會由模型曲面生成NC代碼來完成機械加工。因此，這些模型曲面必須是密封的。換句話說，子曲面的間隙一定要小于允許誤差在曲面建模過程中，由于框架錯誤，建模曲面和實際曲面之間存在著一些不同。如果這些錯誤在設定范圍之內(nèi)，那么曲面的設計就可被認為是可行的。<

18、;/p><p>　　實際上，他可以用電腦進行仿真，來檢查光滑度以及這些曲面的接縫處能否被加工出來。如果發(fā)現(xiàn)有錯誤，曲面建模會被立刻修改，知道構(gòu)造出正確的曲面。圖3所示用MasterCAM軟件進行人臉建模。</p><p><b>　　圖3 人臉建模</b></p><p>　　3 復雜形狀微小零件的切削工藝</p><p>

19、　　復雜形狀微小零件的尺寸在數(shù)毫米甚至1毫米以下是如此的小以至于其切削工藝與普通零件的不同。微型切削工藝通過合理選擇刀具、機床以及工藝條件來滿足機械加工的要求。</p><p>　　3.1 刀具的選擇</p><p>　　由于在微型切削過程中切削力很大，所以應選在耐熱性高和耐磨性高的刀具材料。</p><p>　　此外，為了達到穩(wěn)定的微米級精度，刀具的邊緣半徑和切

20、削深度都在微米級。</p><p>　　一般來說，加工曲面時選擇羅盤銑刀（如圖4所示） 。但是由于羅盤銑刀的形狀導致它的尺寸不能足夠小。因此，羅盤銑刀可用來粗加工曲面，偏置刀具用來精加工曲面（如圖5所示）。</p><p>　　圖4 羅盤銑刀的形狀</p><p>　　圖5 偏置刀具的形狀</p><p>　　3.2 機械加工設備的選擇&l

21、t;/p><p>　　為了滿足微型切削的要求，機床的構(gòu)成必須滿足以下的功能：一個高穩(wěn)定性的伺服機構(gòu)系統(tǒng)；定位精度高；重復定位精度高；一個低熱變形的結(jié)構(gòu)；主軸轉(zhuǎn)速高；很低的動態(tài)不平衡和平穩(wěn)的床身構(gòu)件來隔離外界的振動干擾。根據(jù)上面的要求，自主研發(fā)的精密機床結(jié)構(gòu)如圖6所示。</p><p>　　圖6 精密機床的結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于切削微小零件的機械特殊性，需要高的切

22、削速度和相當小的切削半徑。因此主軸應達到很高的轉(zhuǎn)速。同時，因為工作部件的復雜形狀，主軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動要相當高。根據(jù)上述因素和切削功率的要求，在微型切削過程中選用DZ42X電主軸。</p><p>　　3.3 刀具路徑的安排</p><p>　　在機械加工曲面中，刀具路徑的生成方法有很多。在這些方法中，層切削方法顯示的是一組平行平面截斷曲面，截線被當做刀具的移動路徑。根據(jù)實際情況優(yōu)化之后，層切

23、削方法在切削復雜形狀微小零件的過程中可用來完成刀具路徑的安排。</p><p>　　在用層切削方法來規(guī)劃刀具路徑的時候需要遵循的三個原則。</p><p>　　1) 先粗加工，再精加工。在切削復雜形狀工作部件的過程中，多項程序被用來一步一步的滿足加工需求。用不同的層切削形式來實現(xiàn)不同的程序，如表2所示。</p><p>　　2) 順銑。在順銑過程中，銑刀的刀齒以較大

24、的厚度切入工作部件以較小的厚度切出。因此，順銑的表面質(zhì)量較好而且刀齒磨損小。</p><p>　　3) 在工件表面沿切線方向的進刀和退刀。當進刀和退刀時要選擇不重要的位置。此外，為了避免產(chǎn)生刀痕，刀具的進給和退回應該沿著工件表面的切線或者切削延伸線</p><p>　　此外，當規(guī)劃刀具路徑時，還需考慮例如刀具半徑補償以及工件和刀具之間的干涉問題。刀具干涉非常復雜，需要很多的內(nèi)容來解釋這種情

25、況。因此我們將討論不同型號刀具的半徑補償。</p><p>　　對于羅盤銑刀（如圖7），刀具直徑是D，切削深度是Ap 。 補償半徑R可如下表示：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　圖7 羅盤銑刀的切削參數(shù)</p><p>　　像偏置刀具（如圖8），刀尖半徑是r，錐角是θ，切削深度是Ap 。補

26、償半徑R可如下表示：</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　3.4 切削用量的選擇</p><p>　　工件材料是硬鋁，主軸轉(zhuǎn)速是6000r/min。當粗加工時切削深度是30μm，進給速度是2mm/s。當精加工時切削深度是15μm，進給速度是1mm/s。</p><p>　　圖8 偏置刀具的切

27、削參數(shù)</p><p>　　對于立式的羅盤銑刀（如圖7所示），切削間距是Ae， 有效直徑是De,殘余高度是h，切削速度是vc,主軸轉(zhuǎn)速是n。則一些方程式可被推出如下：</p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p><b>　　(5)

28、</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　如果粗加工和精加工都用羅盤銑刀，為了確保當直徑D=1.5mm時殘余高度h≦0.8μm，切削間距Ae≦0.07 mm。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，可推出粗加工時切削速度vc =0.133m/s,精加工時切削速度vc =0.095m/s。</p><p>　　對于偏置

29、刀具（如圖8所示），一些方程式可被推出如下：</p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　(8) </b></p><p><b>　　(9) </b></p><p>　　如果粗加工和精加工時用偏置刀具，當錐角θ=60°，刀尖半徑r =

30、0.1mm時，為了確保殘余高度h≦0.8μm，切削間距Ae≦0.12mm。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，可推出粗加工時切削速度vc=0.05m/s，精加工時切削速度vc=0.04m/s。</p><p>　　基于在切削中的這些參數(shù)，我們可看出羅盤銑刀適合粗加工，偏置刀具適合精加工。</p><p>　　3.5 機械加工結(jié)果</p><p>　　基于上述工藝計劃和參數(shù)的選

31、擇，一個由硬鋁制造的人臉模型被制造了出來它的尺寸是5mm×3mm×1.1mm,如圖9所示。</p><p>　　圖9 硬鋁制造的人臉模型</p><p><b>　　4 結(jié)束語</b></p><p>　　在本文中，描述了復雜形狀微小零件在MEMS中的重要作用,并且分析了相對于特種微型制造技術以及高能束微型制造技術而言，微

32、型切削工藝的優(yōu)點。在上述工作的基礎上，通過研究復雜形狀的建模設計，刀具路徑的安排方式以及切削用量的最優(yōu)選擇，在自主研發(fā)的精密機床上制造出了一個以硬鋁為材料的典型的精度高的復雜形狀微小零件的樣品。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] Holmes A. Developments in microengineering for th

33、e production of 3D micromachines. International Progress in Precision Engineering. France: Compiegne, 1995. 439-442.</p><p>　　[2] Yamagata Y, Higuchi T. Four axis ultraprecision machine tool and fabrication

34、of fabrication of microparts by precision cutting technique. International Progress in Precision Engineering. France: Compiegne, 1995. 413-416.</p><p>　　[3] Sun Jianghong, Chen Xiumei. Practical Tutorial for