微細(xì)車銑削加工機(jī)床的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　abstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></

2、p><p>　　1.1 本課題的的研究背景及意義1</p><p>　　1.2微細(xì)銑削加工國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3課題的主要內(nèi)容3</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)3</b></p><p>　　第2章 微細(xì)車銑削加工的原理與特點(diǎn)3</p><

3、;p>　　2.1微細(xì)車銑削加工的原理4</p><p>　　2.2微細(xì)車銑削加工的特點(diǎn)6</p><p>　　2.3 本章小結(jié)6</p><p>　　第3章 微細(xì)車銑削加工機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.1普通機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性7</p><p>　　3.1.1 銑床的類型及特點(diǎn)7</

4、p><p>　　1.臥式銑床：特點(diǎn)是主軸是水平的。7</p><p>　　3.2微細(xì)車銑削機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.3機(jī)床床身與工作臺(tái)設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.4本章小結(jié)10</p><p>　　第4章 機(jī)床關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與整體三維圖繪制10</p><p>　　4

5、.1 Pro/Engineer三維軟件簡(jiǎn)介10</p><p>　　4.2微細(xì)車削模塊設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.3微細(xì)銑削模塊設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.4機(jī)床裝配圖與爆炸視圖15</p><p>　　綜合上述的情況，該機(jī)床的整體三維結(jié)構(gòu)圖與爆炸視圖如圖4.5和4.6所示。15</p><p>

6、　　4.5本章小結(jié)16</p><p>　　第5章 結(jié)論與展望17</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在微制造加工領(lǐng)域,微銑削因具有加工材料的多樣性和能實(shí)現(xiàn)三維曲面加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文首先分析了微細(xì)車銑削加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后設(shè)計(jì)了微細(xì)車銑削加工機(jī)床，主要包括車削

7、模塊設(shè)計(jì)、銑削模塊設(shè)計(jì)、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工作臺(tái)設(shè)計(jì)。最后，應(yīng)用三維制圖軟件Pro/Engineer繪制微細(xì)車銑削加工機(jī)床的零件圖和總體裝配圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微銑削加工；微車削加工；微細(xì)加工；設(shè)計(jì)；Pro/Engineer</p><p><b>　　abstract</b></p><p>　　In micro manufact

8、uring field, micro lathing machining and micro milling machining have the unique advantages of machining more materials and realizing three-dimensional surface processing, and attract more and mo

9、re attention in domestic and foreign scholars in recent years. Firstly, This paper analyzed the micro lathing machining technology and micro milling machining technology research status at home and abroad. Seco

10、ndly, a machine tool on micro lathing machining and micro milling machining wa</p><p>　　Key words: Micro milling machining; Micro lathing machining; Micro machining; design; Pro/Engineer</p><p>

11、　　微細(xì)車銑削加工機(jī)床的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題的的研究背景及意義</p><p>　　隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微小型化技術(shù)作為未來(lái)重要的軍民兩用技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技研究的前沿。在軍用和民用各個(gè)領(lǐng)域都大量需求微米級(jí)尺度和中間尺度的三維結(jié)構(gòu)器件，這類器件有些比較復(fù)雜，有些需要

12、承受較高的載荷，有些對(duì)材料要求嚴(yán)格，用常規(guī)的機(jī)械加工方法難以實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的加工方法相比，微細(xì)銑削加工具有生產(chǎn)效率高；能加工任意微三維結(jié)構(gòu)，故采用微細(xì)車銑加工進(jìn)行微細(xì)制造的研究受到了研究學(xué)者的廣泛重視。</p><p>　　微細(xì)銑削加工技術(shù)是指采用微銑刀對(duì)零件進(jìn)行切削加工的技術(shù)，是最柔性的切削加工技術(shù)，它使MEMS工藝和傳統(tǒng)宏觀領(lǐng)域的機(jī)械加工緊密的聯(lián)系起來(lái)，微細(xì)銑削加工技術(shù)的研究與應(yīng)用將填補(bǔ)基于硅表面微細(xì)加工的ME

13、MS技術(shù)、LIGA技術(shù)和傳統(tǒng)精密加工技術(shù)之間的缺口，通過(guò)廣泛的材料和形狀特征選擇來(lái)提高微小零件和裝置的功能、可靠性及可制造性。</p><p>　　微銑削具有很強(qiáng)的三維微加工的能力，因此在加工三維微小零件方面具有很廣泛的應(yīng)用，普遍應(yīng)用到了航天、航空等領(lǐng)域。</p><p>　　1.2微細(xì)銑削加工國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1970年，日本Dutta[1] 等

14、人提出了微型機(jī)床的概念，但當(dāng)時(shí)這個(gè)概念并沒有被廣泛接受。1988年開始，日本微機(jī)械中心(MMC)推行了一個(gè)微制造技術(shù)研究計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃從1991年開始，一直持續(xù)到2000年。這個(gè)計(jì)劃以桌面工廠的新理念為研究背景，一批微小型機(jī)床紛紛亮相，最初開發(fā)的微型車床如圖1.1 (a)所示:該微型車床整體尺寸為32mmx25mmx30.5mm,整體質(zhì)量?jī)H有1000g； XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)由壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；主軸電機(jī)額定功率為1.5W，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到1000

15、0r/min；該微型車床加工黃銅時(shí)在進(jìn)給方向上能夠?qū)崿F(xiàn)粗糙度1.55µm，圓跳動(dòng)2.55µm；該車床能加工的工件最小直徑能達(dá)到60µm。之后陸續(xù)研究出的微型銑床如圖1.1 (b)(c) 所示，微型銑床:該微型床整體尺寸為119mmx119mmx102mm，主軸電機(jī)采用無(wú)刷直流伺服電機(jī)，功率為36W，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到20000rpm，能夠夾持柄部直徑3mm的銑刀進(jìn)行平面銑削和鉆孔。微型沖壓機(jī)床:機(jī)床整體尺寸為11

16、1mmx66mmxl70mm，采用交流伺服電機(jī)，功率為l 00 W，能夠提供3kN的沖壓力。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠</p><p>　?。╝） （b） （c）</p><p><b>　　圖1.1微型車床</b></p><p>　　目前國(guó)內(nèi)微細(xì)切削設(shè)備專用機(jī)床研發(fā)方面尚屬初期，一些單位

17、在微小型制造和微細(xì)切削技術(shù)方面開展了卓有成效的研究工作，國(guó)內(nèi)的部分大學(xué)也進(jìn)行初步的研究。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)等多所高校在超精密微細(xì)切削理論和技術(shù)研究方面取得了多項(xiàng)成果。</p><p>　　北京理工大學(xué)采用傳統(tǒng)的車削方法和先進(jìn)的車銑方法進(jìn)行微細(xì)軸的切削加工試驗(yàn)，試驗(yàn)研究在自主設(shè)計(jì)的具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和加工特色的微小型車銑復(fù)合加工中心上進(jìn)行，首先將這一技術(shù)應(yīng)用于微小型零件的加工。

18、該中心能獨(dú)立完成車、銑、膛、磨、鉆削的任務(wù)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)獨(dú)具特色的車銑加工功能，從根本上解決了車削時(shí)線速度太低的問(wèn)題，能實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸類零件正常的切削加工甚至高速切削加工。近年來(lái)，把微小型金屬承載構(gòu)件做為重點(diǎn)研究對(duì)象，對(duì)微小構(gòu)件的三維加工和高頻脈沖電加工技術(shù)進(jìn)行研究，其中三維加工采用的C軸最高轉(zhuǎn)速8,000rpm的精密微小型車銑加工中心，銑頭主軸最高轉(zhuǎn)速60,000 rpm，可四軸聯(lián)動(dòng)，重復(fù)定位精度達(dá)到國(guó)際同類水平。</p>

19、<p>　　沈陽(yáng)理工大學(xué)在微細(xì)切削加工技術(shù)領(lǐng)域開展了多方面的研究，尤其是超精密加工、微細(xì)磨削和車銑加工技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，取得了一些重要的研究成果。在如圖1.2所示的微小銑削機(jī)床上完成了微細(xì)銑削AISID2模具鋼的切削試驗(yàn)，研究了各切削參數(shù)對(duì)表面形貌和切削力的影響程度及變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，每齒進(jìn)給量對(duì)己加工表面形貌和切削力影響較大，而軸向切削深度和切削速度影響次之。在微細(xì)銑削工件表面上由于塑性變形而產(chǎn)生微細(xì)毛刺。</p

20、><p>　　圖1.2 微小型銑床</p><p>　　1.3課題的主要內(nèi)容</p><p>　　了解微細(xì)車銑削加工的原理與方法，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)床的床身；接著，進(jìn)行車削模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與微細(xì)銑削模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；最后，應(yīng)用PRO/E對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)床相關(guān)模塊繪制零件圖與裝配圖。具體如下：</p><p>　　1、研究國(guó)內(nèi)外微細(xì)銑削加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀與

21、微細(xì)銑削加工原理。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研制方法對(duì)微細(xì)銑削機(jī)床進(jìn)行整體構(gòu)思。</p><p>　　2、制定機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)床床身。 </p><p>　　3、微細(xì)車削模塊和微細(xì)銑削模塊設(shè)計(jì)。根據(jù)工作條件，選取主軸丶工作臺(tái)和刀具，結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　4、應(yīng)用三維軟件Pro/Engineer畫機(jī)床的零件圖以及裝配圖。<

22、;/p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　介紹了本課題的研究意義及背景，簡(jiǎn)單綜述了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外微細(xì)車銑削加工的研究現(xiàn)狀，最后，歸納了課題的主要研究?jī)?nèi)容。</p><p>　　第2章 微細(xì)車銑削加工的原理與特點(diǎn)</p><p>　　2.1微細(xì)車銑削加工的原理</p><p>

23、　　銑削加工過(guò)程中，隨著主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，銑削加工過(guò)程進(jìn)行。具體的切削過(guò)程如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 銑削加工過(guò)程</p><p>　　圖中 ae—徑向切削深度(mm )；</p><p>　　ar一一軸向切削深度(mm)；</p><p>　　n—主軸轉(zhuǎn)速(rev/min)；

24、</p><p>　　fz一一每齒進(jìn)給量(mm/tooth)；</p><p>　　vc—表面速度(m/min)；</p><p>　　vf—進(jìn)給速度(m/min ) 。</p><p>　　相比于宏觀尺度的銑削加工，微細(xì)銑削加工并不是宏觀機(jī)械加工在尺度上簡(jiǎn)單的縮小，它具有以下顯著的特征:</p><p><b&

25、gt;　?。?）尺寸效應(yīng)</b></p><p>　　微細(xì)銑削加工的一個(gè)重要特征就是尺寸效應(yīng)，也就是當(dāng)切削厚度從幾百微米減小到幾微米(甚至更小)的時(shí)候，形成切屑所需的單位切削力非線性的增加，而且切削厚度越小，單位切削力增加得就越明顯。研究尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的原因?qū)ξ⒓?xì)銑削加工的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要，但是到目前為止，尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理還缺乏成熟的理論解釋。許多學(xué)者嘗試用不同的機(jī)理來(lái)解釋尺寸效應(yīng)。Backer認(rèn)為當(dāng)

26、塑性變形發(fā)生在一個(gè)很小的空間的時(shí)候，晶體位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的加劇是引起尺寸效應(yīng)的原因[3]。Marusich認(rèn)為當(dāng)切削厚度減小的時(shí)候，由于刀屑接觸面切削溫度的降低而導(dǎo)致材料剪切強(qiáng)度的增加是產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的原因[4]。Fang建立了一個(gè)復(fù)雜的正交切削加工滑移線場(chǎng)模型，發(fā)現(xiàn)材料的剪切流動(dòng)應(yīng)力隨切削厚度的變化而變動(dòng)，他由此認(rèn)為尺寸效應(yīng)是一種基本的材料本構(gòu)行為[5]。所以對(duì)微細(xì)銑削尺寸效應(yīng)的研究，必須考慮刀具兒何形狀和材料的微觀結(jié)構(gòu)，以及它們與銑削加工過(guò)程

27、之問(wèn)的關(guān)系。</p><p>　?。?）刀具切削刃鈍圓半徑的影響</p><p>　　宏觀尺度銑削加工中，由于工件較大，加工特征尺寸也較大，允許的吃刀量就較大，刀具切削刃鈍圓半徑同切削厚度相比要小很多，此時(shí)刀具切削刃鈍圓半徑對(duì)加工過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)[6]，如圖2.2（a）所示。然而，當(dāng)?shù)毒叱叽鐪p小時(shí)，由于刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及刀具制作工藝的限制，刀具的鋒利度并不能夠成比例提高。微銑

28、削加工時(shí)每齒進(jìn)給量通常低于幾個(gè)微米，而硬質(zhì)合金微銑刀通常有幾個(gè)微米的切削刃鈍圓半徑，微銑削過(guò)程中的每齒進(jìn)給量大致等于甚至小于刀具切削刃鈍圓半徑，切削刃鈍圓半徑對(duì)切削過(guò)程的影響已不容忽視，如圖2.2（b）所示。</p><p>　　圖2.2切削厚度與切削刃鈍圓半徑對(duì)比圖</p><p>　　鄧文君利用有限元分析軟件Marc對(duì)切削加工過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬，指出在切削用量比較小的精加工中，切削刃

29、鈍圓半徑不但影響切削力的大小，而且還影響各切削力分量之間的比例關(guān)系。</p><p>　　（3）工件材料的微觀組織影響顯著</p><p>　　微細(xì)銑削加工過(guò)程不同于常規(guī)銑削加工過(guò)程的另一個(gè)顯著的特點(diǎn)是材料微觀缺陷或材質(zhì)不均勻性等微觀結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于傳統(tǒng)切削過(guò)程研究，工件材料經(jīng)常被認(rèn)為是均勻和各向同性的，但是當(dāng)銑削過(guò)程從宏觀尺寸縮小到微細(xì)尺寸時(shí)，微銑削加工中起主要作用的因素與宏觀銑削加工相

30、比有很大不同。受加工機(jī)理和現(xiàn)有加工能力以及工業(yè)需求所決定，微銑削主要涉及微米級(jí)特征尺寸和精度，一般金屬材料是由直徑為數(shù)微米到數(shù)百微米的晶粒構(gòu)成，當(dāng)進(jìn)給量小于晶粒尺寸時(shí)，實(shí)際切削過(guò)程表現(xiàn)為刀具對(duì)工件晶粒的微米級(jí)切削，在這種情況下，工件材料的微觀組成、晶粒尺寸以及晶粒的力學(xué)性能等對(duì)加工過(guò)程有很大的影響，這時(shí)的切削相對(duì)于對(duì)一個(gè)個(gè)不連續(xù)體進(jìn)行，切削的物理實(shí)質(zhì)是切斷材料分子、原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除，因而傳統(tǒng)的以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的切削

31、理論已不適用于微切削。此時(shí)切削加工從以剪切為主變化到以摩擦、擠壓為主。刀具對(duì)工件材料的摩擦力占總切削力的比例加大，從而導(dǎo)致較多毛刺的形成，也將影響切屑的形成以及表面質(zhì)量。因此微細(xì)銑削過(guò)程的研究必須考慮工件材料微觀結(jié)構(gòu)性能。</p><p>　?。?）主軸跳動(dòng)的影響</p><p>　　在傳統(tǒng)的宏觀尺度銑削模型中，主軸跳動(dòng)度的量值相對(duì)單齒進(jìn)給量較小，其對(duì)銑削過(guò)程的影響通常忽略不計(jì)；而對(duì)于微細(xì)

32、銑削，高速主軸的跳動(dòng)度在1-5微米之問(wèn)，受制造工藝的限制，無(wú)法隨單齒進(jìn)給量的減小而成比例減小，已與單齒進(jìn)給量處于同一數(shù)量級(jí)，主軸跳動(dòng)度直接影響到切屑成形過(guò)程[7]。對(duì)于微銑削加工通常采用的兩齒微型銑刀，在銑削加工過(guò)程中，進(jìn)給方向上往往只有一齒參與切削，傳統(tǒng)銑削理論認(rèn)為的多齒交替切削的假設(shè)不成立。</p><p>　　2.2微細(xì)車銑削加工的特點(diǎn)</p><p>　　銑削加工的工藝特點(diǎn)如下：&

33、lt;/p><p>　?。?）斷續(xù)加工。其相比較于車削加工，有切削沖擊，因而需要考慮刀具承受沖擊載荷的問(wèn)題。 </p><p>　?。?）開放式加工。其切削過(guò)程為開放式的，排屑比較容易。 </p><p>　?。?）生產(chǎn)率較高。其為多齒工作，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)利于高速銑削。</p><p>　?。?）刀齒散熱條件較好。 </p><p&

34、gt;<b>　　（5）效率高。</b></p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)微細(xì)銑削加工的基本理論進(jìn)行了學(xué)習(xí)和研究，論述銑削加工四個(gè)機(jī)理包括尺寸效應(yīng)丶刀具切削刃鈍圓半徑的影響丶工件材料的微觀組織和主軸跳動(dòng)的影響；簡(jiǎn)單敘述銑削加工的特點(diǎn)。</p><p>　　第3章 微細(xì)車銑

35、削加工機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1普通機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性</p><p>　　普通車床是由主軸箱、進(jìn)給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠和床身。</p><p>　　車床是采用車刀進(jìn)行車削加工的機(jī)床，主要用于加工內(nèi)、外回轉(zhuǎn)表面，端平面，螺紋面等。</p><p>　　車削加工中經(jīng)常以工件的旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀具的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來(lái)完

36、成車削加工。在普通機(jī)械加工設(shè)備的總數(shù)量中，車床占有較大比重，大約占總數(shù)量的1/4，是機(jī)械加工中最常用的設(shè)備之一。</p><p>　　加工刀具以車刀為主，還可采用各種孔加工刀具（如鉆頭、擴(kuò)孔鉆、絞刀等）和螺紋刀具（絲錐、板牙等），成形刀具等進(jìn)行加工。</p><p>　　銑床是利用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具來(lái)進(jìn)行切削的，故其具有效率高，加工范圍廣等特點(diǎn)，可銑平面，臺(tái)階，溝槽，成形面，特形溝槽，齒輪螺旋

37、槽，牙嵌離合器，以及切斷，和鏜孔等。因此銑削加工在機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.1.1 銑床的類型及特點(diǎn)</p><p>　　1.臥式銑床：特點(diǎn)是主軸是水平的。</p><p>　　2.立式銑床：它的主軸與工作臺(tái)相互垂直，銑頭與床身連成整體，主軸剛性好。</p><p>　　3.萬(wàn)能工具銑床：有兩個(gè)主軸，可以加工各種角

38、度，比較復(fù)雜的型面，工作臺(tái)能在相互垂直的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定的角度。</p><p><b>　　4.龍門銑床。</b></p><p>　　5.銑床及其主要附件。</p><p>　?。?）銑刀，圓柱銑刀、三面刃銑刀、鋸片銑刀、角度銑刀、成形銑刀、立銑刀、端銑刀、鍵槽銑刀。</p><p>　?。?）平口鉗 ，適合夾小型零件

39、，如裝夾軸類零件銑鍵槽。</p><p><b>　　6.順銑與逆銑</b></p><p>　　銑削有順銑與逆銑兩種方式。銑刀對(duì)工件的作用力在進(jìn)給方向上的分力與工件進(jìn)給方向相同的銑削方式，稱為順銑；銑刀對(duì)工件的作用力在進(jìn)給方向上的分力與工件進(jìn)給方向相反的銑削方式，稱為逆銑。</p><p>　　3.2微細(xì)車銑削機(jī)床的總體方案設(shè)計(jì)</p&

40、gt;<p>　　微細(xì)銑削加工系統(tǒng)的組成與普通切削加工系統(tǒng)類似，主要由運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、主軸、伺服進(jìn)給系統(tǒng)和切削刀具等組成，控制工作臺(tái)和主軸通過(guò)X、Y和Z軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的加工。然而，機(jī)床微小型化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種新的問(wèn)題，將會(huì)帶來(lái)新的理論與工藝技術(shù)的難題。例如，對(duì)于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，由于刀具尺寸的縮小和主軸轉(zhuǎn)速的提高，實(shí)際加工中走刀軌跡復(fù)雜程度提高，需要驅(qū)動(dòng)單元具有較高的加工速度和加減速度，傳統(tǒng)的滾珠絲杠加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)

41、方式明顯難以滿足需要。所以需要具有亞微米甚至納米級(jí)定位精度的超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、具有亞微米級(jí)回轉(zhuǎn)精度的高速主軸單元以及具有與被加工微小零件尺寸相應(yīng)的微細(xì)銑削刀具等。同時(shí)，為了獲得制造的高柔性、高效率及低成本，開發(fā)與所加工的微小零件尺寸特征相適應(yīng)的小型機(jī)床及其相關(guān)系統(tǒng)具有極其重要的意義?？傊?，機(jī)床的微小型化不僅包括傳統(tǒng)機(jī)床部件或子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單縮小比例，而且更為重要的是需要適合于微小型化的新部件或子系統(tǒng)。 </p><p&g

42、t;　　3.2.1 微細(xì)銑削加工對(duì)機(jī)床系統(tǒng)的要求 </p><p>　　微細(xì)銑削加工對(duì)微銑削機(jī)床系統(tǒng)提出了如下要求： </p><p>　?。?）X、Y和Z方向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，具有三維加工能力。 </p><p>　　（2）主軸部件具有高轉(zhuǎn)速和高回轉(zhuǎn)精度。</p><p>　?。?）伺服系統(tǒng)能驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及亞微米級(jí)精度

43、定位。 </p><p>　　（4）具有微銑削加工過(guò)程監(jiān)測(cè)能力。 </p><p>　　3.3機(jī)床床身與工作臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 床身的結(jié)構(gòu)要求</p><p>　　機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，用來(lái)放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床的高速度丶高精度丶高生產(chǎn)率丶高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求，與普通機(jī)床相比。數(shù)控

44、機(jī)床有更高的靜丶動(dòng)剛度和更好的抗振性。數(shù)控機(jī)床的床身一般有以下3個(gè)主要方面的要求:</p><p>　　(1)高精度和精度保持性</p><p>　　在床身上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度都要求很高，而且能夠長(zhǎng)時(shí)間的保持。</p><p>　　(2)有足夠的靜,動(dòng)剛度</p><p>　　靜剛度包括

45、:床身的自身結(jié)構(gòu)剛度,局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度一質(zhì)量比。動(dòng)剛度直接影響機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，可以適當(dāng)提高固有頻率，增加阻尼等方法避免共振以及噪音等等。</p><p><b>　　(3)熱穩(wěn)定性</b></p><p>　　對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，尤其是高精度的數(shù)控機(jī)床，熱穩(wěn)定性己經(jīng)成為了一個(gè)突出的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱變形較小，或使熱

46、變形對(duì)加工的影響較小。</p><p>　　3.3.2床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　主要目標(biāo)是構(gòu)建一臺(tái)適合于三維微細(xì)銑削的微小型數(shù)控銑床。本機(jī)床身、縱向橫向移動(dòng)滑臺(tái)、上下移動(dòng)滑臺(tái)及電動(dòng)機(jī)等主要部件。機(jī)床采用立式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)配置，包括X，Y二維工作臺(tái)帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)X，Y兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)和垂直布置的Z向工作臺(tái)帶動(dòng)安裝于其上的高速銑削主軸子系統(tǒng)作上下的直線運(yùn)動(dòng)，互不干擾。床身采用了具有低熱膨

47、脹系數(shù)和高隔振性的鑄鐵材料以提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性，同時(shí)采用了被動(dòng)式空氣彈簧作為隔振元件的減隔振系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了機(jī)床的抗振能力。機(jī)床本體尺寸為X向50mm,Y向100mm,Z向80mm。</p><p><b>　　圖3.1 機(jī)床底座</b></p><p>　　3.3.3工作臺(tái)的設(shè)計(jì)</p><p>　　工作臺(tái)的定位精度決定了所加工工件的精度，

48、因此對(duì)于微細(xì)加工來(lái)說(shuō)，工作臺(tái)的選擇尤為重要。本設(shè)計(jì)采用了德國(guó)PI的超高精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，該平臺(tái)可提供X，Y，Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，X 丶Y方向行程分別為25mm丶60mm, Z方向行程為70mm，三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)定位精度為1µm。該平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　?。?）高的重復(fù)定位精度，雙向重復(fù)定位精度高達(dá)0.5µm。</p><p>　　（2）內(nèi)部使用了超精密滾珠絲

49、杠，定位精度可達(dá)1µm。</p><p>　　（3）該平臺(tái)課承受高達(dá)20kg的載荷，完全滿足要求。</p><p>　　圖3.2 PI三維實(shí)物圖</p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　主要介紹了普通機(jī)床的結(jié)構(gòu)特性，微細(xì)車銑削機(jī)床床身設(shè)計(jì)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)并用proe進(jìn)行三維建模 ，

50、并根據(jù)要求對(duì)所需零件進(jìn)行選型。</p><p>　　第4章 機(jī)床關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與整體三維圖繪制</p><p>　　4.1 Pro/Engineer三維軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造

51、型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。</p><p>　　Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。此外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不用安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠

52、將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。</p><p>　　Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。</p><p><b>　　（一）參數(shù)化設(shè)計(jì)</b></p><p>　　相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可

53、以把它看成幾何模型，而無(wú)論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。但是無(wú)法在零件模塊下隱藏實(shí)體特征。</p><p><b>　?。ǘ┗谔卣鹘?lt;/b></p><p>　　Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及

54、圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。</p><p>　?。ㄈ?單一數(shù)據(jù)庫(kù)（全相關(guān)）</p><p>　　Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換

55、言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。</p><p>　　4.2微細(xì)車削模塊設(shè)計(jì)</p><

56、;p>　　該系統(tǒng)采用立式布局，主軸夾具安裝在Z向電動(dòng)平臺(tái)的托板上，隨著電動(dòng)平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，工件安裝于主軸端部夾持部位。Z向滑臺(tái)固定于大理石平臺(tái)上面，大理石具有相當(dāng)好的隔震功能，對(duì)微細(xì)加工有著很好的與外界環(huán)境隔離作用。壓電陶瓷微動(dòng)平臺(tái)安裝于手動(dòng)平臺(tái)上，用于提供微量進(jìn)給。</p><p>　　微細(xì)車削模塊主要設(shè)計(jì)的要求如下:</p><p>　?。?）X，Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以很方便的實(shí)現(xiàn)

57、對(duì)刀操作，具有較高的定位精度，有足夠多大行程。</p><p>　?。?）主軸具有較高的轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)精度。</p><p>　?。?）微進(jìn)給系統(tǒng)要求具有較高的分辨率、定位精度以及重復(fù)定位精度，具有良好的頻率，能夠進(jìn)行快速進(jìn)給，并且平臺(tái)要有較高的剛度。</p><p>　　（4）Z向電動(dòng)平臺(tái)具有較高的直線度和定位精度。</p><p>　?。?）

58、Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需配備光柵尺進(jìn)行，進(jìn)行伺服反饋控制。</p><p>　?。?）機(jī)床需配備高分辨率的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)電腦軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控切削狀況。</p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)微納米的切削需要較高的環(huán)境條件，采用良好的隔震系統(tǒng)。</p><p>　　4.2.1 微細(xì)車削模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及部件選取</p><p><b>　?。?）主軸系

59、統(tǒng)</b></p><p>　　主軸是超精密微細(xì)加工的關(guān)鍵部件，主軸轉(zhuǎn)速直接影響加工效率，主軸的精度直接影響微細(xì)加工的精度，因此主軸是精密微細(xì)加工的核心部件。本設(shè)計(jì)將微細(xì)車削和微細(xì)銑削主軸設(shè)計(jì)成同一根主軸，這樣在減少了空間的同時(shí)，也減少了成本。</p><p>　?。?）空氣供給主軸冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)</p><p>　　主軸的潤(rùn)滑系統(tǒng)采用主軸配套專用日本產(chǎn)A

60、L-0304過(guò)濾器，該過(guò)濾器的過(guò)濾精度為0.3pm的超高精度。最大不能超過(guò)1. 5MPa的氣體通過(guò)此過(guò)濾器。當(dāng)空氣進(jìn)入過(guò)濾器經(jīng)過(guò)第一個(gè)儲(chǔ)氣罐干燥過(guò)濾后流入第二個(gè)儲(chǔ)氣罐，在第二個(gè)儲(chǔ)氣罐里面存有主軸專用潤(rùn)滑油，空氣通過(guò)的時(shí)候與潤(rùn)滑油混合，最終排出的氣體為潤(rùn)滑油與空氣的混合氣體，最后輸入到空氣主軸驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。</p><p><b>　?。?）隔震系統(tǒng)</b></p><p&

61、gt;　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，如圖4.1為設(shè)計(jì)采用的光學(xué)隔震平臺(tái)，該平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1、外框采用剛性強(qiáng)、變形小、焊接性能好的優(yōu)質(zhì)中碳鋼板。</p><p>　　2、隔振層利用固有頻率低、租振性能強(qiáng)的蜂窩結(jié)構(gòu)材料，能最大限度控制振動(dòng)的響應(yīng)。</p><p>　　3、面板采用高導(dǎo)磁不銹鋼板，精磨后具有實(shí)用、美觀和耐磨等特點(diǎn)。</p>&l

62、t;p>　　4、隔振支架采用復(fù)合材料，固體阻尼隔振，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，適用于環(huán)境震動(dòng)良好的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所。</p><p>　　5、調(diào)節(jié)支撐部分采用耐磨絲桿和平面推力球軸承，使用時(shí)輕松可靠。</p><p>　　圖 4.1 光學(xué)隔震平臺(tái)</p><p>　　(4) 壓電微進(jìn)給系統(tǒng)</p><p>　　目前能實(shí)現(xiàn)微位移平臺(tái)進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)方式主要有以下幾

63、種方式:①機(jī)械傳動(dòng)、②彈性變形驅(qū)動(dòng)、③熱變形驅(qū)動(dòng)、④流體膜變驅(qū)動(dòng)、⑤磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、⑥電致伸縮驅(qū)動(dòng)。本微車削模塊進(jìn)給系統(tǒng)主要采用“宏微復(fù)合”的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。宏微復(fù)合的原理是采用較低精度的宏定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大行程的運(yùn)動(dòng)，其定位精度由高定位精度的微定位系統(tǒng)補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)即得到了大行程的位移，又得到了較高的定位精度。本機(jī)床微動(dòng)系統(tǒng)采用壓電陶瓷式微定位平臺(tái)，壓電陶瓷微動(dòng)平臺(tái)的工作原理主要是墓于逆壓電效應(yīng)，通過(guò)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小來(lái)控制壓電陶瓷產(chǎn)生微小位移

64、。通過(guò)柔性鉸鏈連接支撐傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)面沿X軸方向作一維微納米的微小移動(dòng)。不過(guò)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)平臺(tái)也有一些缺點(diǎn)如:壓電平臺(tái)的進(jìn)給進(jìn)行過(guò)小、具有遲滯效應(yīng)等，因此如果不加以控制將無(wú)法保證很高的定位精度。</p><p>　　4.3微細(xì)銑削模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)三維工作臺(tái)正對(duì)銑削主軸時(shí)，即為銑削工位，此時(shí)主軸配合三維工作臺(tái)可進(jìn)行微細(xì)銑削加工。微細(xì)車削與微細(xì)銑削共用同一根主軸，使得成本大大降

65、低，操作變得相對(duì)簡(jiǎn)單，在微細(xì)車削轉(zhuǎn)換成微細(xì)銑削時(shí)，需要將車削時(shí)主軸端部夾持的工件換成微細(xì)銑刀。</p><p>　　4.3.1 工件夾具</p><p>　　臺(tái)鉗是用來(lái)夾持被加工工件的裝置，要求對(duì)被加工工件夾持后，能夠達(dá)到準(zhǔn)確定位，保障足夠的直角度和平行度，并要求夾持牢靠無(wú)滑動(dòng)。</p><p>　　本微型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)精密臺(tái)鉗，如圖4.2所示重量為13.5 kg臺(tái)鉗

66、尺寸:20x6x10mm3，自重1.2 kg，最大可夾持重量為13.5 kg，最大可夾持厚度 15mm。采用SKS材料，硬度可達(dá)HRC600。該精密臺(tái)鉗采用獨(dú)特的扳手鎖扣型設(shè)計(jì)，通過(guò)在45℃下前方向施加夾持力防止工件浮起，確保了夾持定位可靠滑移。</p><p><b>　　圖 4.2 臺(tái)鉗</b></p><p>　　4.3.2 刀具冷卻系統(tǒng)</p>

67、<p>　　銑削加工過(guò)程中，刀具高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量長(zhǎng)時(shí)間產(chǎn)生而不及時(shí)傳遞出去，將影響刀具的強(qiáng)度，刀具十分容易損壞，因此，很有必要對(duì)刀具進(jìn)行冷卻，同時(shí)，在進(jìn)行微細(xì)銑削加工過(guò)程中，需要適時(shí)觀察切削加工的狀態(tài)，切屑必須及時(shí)清洗，考慮到以上兩點(diǎn)，刀具的冷卻選用空氣冷卻，一方面能及時(shí)帶走加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，另一方面將切屑吹走，便于觀察。</p><p>　　由上述分析，本文

68、所研制的微型數(shù)控銑床選用美國(guó)依愛(EXAIR)公司生產(chǎn)的刀具冷卻槍系統(tǒng)，如圖4.3所示，該冷卻槍系統(tǒng)由渦旋管組成，渦旋管使普通壓縮空氣變成冷熱兩股低壓氣流。熱氣流被抑制器抑制住，從熱氣出口排出。冷氣流也被抑制反向從萬(wàn)向管排出。該萬(wàn)向管即直接指向需冷卻的部位。壓縮空氣可冷卻到零下300度。另外，該冷卻槍系統(tǒng)安裝方便，可將冷卻空氣直接引向刀頭，實(shí)現(xiàn)刀具的冷卻，延長(zhǎng)刀具壽命。</p><p>　　圖 4.3 可調(diào)冷卻系

69、統(tǒng)</p><p>　　4.3.3 微徑銑刀</p><p>　　本機(jī)床采用了株洲鉆石牌微徑銑刀，刀柄直徑為1.5mm。刃往0.5mm,刃數(shù)為2刃,刀具材料為硬質(zhì)合金，該刀具能實(shí)現(xiàn)從高余屬去除旋的粗加工到高精度、高表而質(zhì)股的精加工。如圖4.4為該銑刀實(shí)物圖。</p><p>　　圖 4.4 微徑銑刀</p><p>　　4.4機(jī)床裝配圖與爆炸

70、視圖</p><p>　　綜合上述的情況，該機(jī)床的整體三維結(jié)構(gòu)圖與爆炸視圖如圖4.5和4.6所示。</p><p><b>　　圖4.5微型銑床</b></p><p>　　圖 4.6 銑床的爆炸圖</p><p><b>　　4.5本章小結(jié)</b></p><p>　　介紹

71、了Pro/Engineer三維軟件簡(jiǎn)介，對(duì)微細(xì)切削模塊和微細(xì)銑削模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，還對(duì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。</p><p><b>　　第5章 結(jié)論與展望</b></p><p>　　本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外微細(xì)銑削加工歷史及現(xiàn)狀的研究，結(jié)合自身的目標(biāo)和要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)微細(xì)車銑削加工的機(jī)床，開展了微細(xì)銑削方面的實(shí)驗(yàn)研究。主要總結(jié)如下：</p><p>

72、;　?。?）仔細(xì)研究了微細(xì)銑削加工領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解了微細(xì)銑削加工的應(yīng)用領(lǐng)域和研究背景。</p><p>　?。?）研究了微細(xì)銑削加工的基本理論和特點(diǎn)，了解微細(xì)車銑削加工的過(guò)程。</p><p>　?。?）了解銑床的結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Pro/E軟件平臺(tái)對(duì)車床床身總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了微細(xì)銑削加工機(jī)床床身丶臺(tái)鉗丶主軸和銑刀等系統(tǒng).。</p><p>　?。?） 微

73、細(xì)車削模塊可以滿足對(duì)刀所需的大行程，又可以滿足微細(xì)加工所需的微米級(jí)進(jìn)給行程。</p><p>　?。?）微細(xì)銑削模塊采用了超高速主軸，主軸轉(zhuǎn)速150000r/min，利用國(guó)外先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一PI三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維聯(lián)動(dòng)控制，直線度可達(dá)0.111 M，采用了株洲鉆石牌微徑銑刀。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p>　

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