機(jī)械制造外文翻譯---對形狀復(fù)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(fù)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(shù)以及高能束微型制造技術(shù)， 微型切削工藝有許多的優(yōu)點(diǎn)。例如，機(jī)械加工尺寸范圍更廣，設(shè)備成本更低，生產(chǎn)能力和機(jī)械精度更高。因此，</p><p>　　微型切削工藝將會對復(fù)雜形狀的微小零件的機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生重要影響。本文在自主研發(fā)機(jī)床的基礎(chǔ)上，通過分析復(fù)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(fù)雜形狀的微小零件的精密切削工藝進(jìn)行研究。在上述工作的基礎(chǔ)上，制造出一個(gè)典型的精度高， 表面粗糙度低且復(fù)雜形狀微小零件的硬鋁樣品。這個(gè)結(jié)果將會對微型切削工藝的進(jìn)一步研究提供有利的技術(shù)支持</p><p>　　關(guān)鍵字：復(fù)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(shù)的持續(xù)發(fā)展，有著微小形狀尺寸和可細(xì)微操作這種特征的微型機(jī)械已經(jīng)在人們的微觀世界領(lǐng)域利成為了認(rèn)識和重建客觀世界的高端且新穎的技術(shù)。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(jī)械被廣泛的應(yīng)用在像航空，精密設(shè)備，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。復(fù)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(jī)械的執(zhí)行

6、零件中的不可缺少技術(shù)，在許多發(fā)達(dá)國家中被認(rèn)為是21世紀(jì)里關(guān)鍵技術(shù)之一。</p><p>　　微型機(jī)械的內(nèi)涵非常豐富。作為合成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，微型機(jī)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(jī)構(gòu)，致動器，控制器、傳感器、電源集成在微型機(jī)械中，在微小的空間里發(fā)揮機(jī)械功能。因此，微型制造技術(shù)，尤其是微型切削工藝,是制造微型機(jī)械的基礎(chǔ)，并且隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展會變得越來越重要。</p&

7、gt;<p>　　1 微型切削技術(shù)在三維結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　微型切削工藝能夠達(dá)到極細(xì)的運(yùn)動精度和高重復(fù)精度，在微型機(jī)械的研究領(lǐng)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(jī)械加工方式常見的微型制造方式包括光刻法、蝕刻技術(shù)、LIGA（光刻組織和電鍍還原）技術(shù)、薄膜制備技術(shù)、犧牲層技術(shù)、分子裝配技術(shù)、集成機(jī)構(gòu)制造技術(shù)和微型切削技術(shù)。</p>

8、<p>　　目前，最可行的微型制造技術(shù)包括硅各向異性蝕刻和LIGA技術(shù)，許多經(jīng)典的微型機(jī)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(shù)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(diǎn)是構(gòu)成工作部件的材料。事實(shí)上，LIGA技術(shù)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(dāng)然，LIGA技術(shù)能夠在半三維結(jié)構(gòu)下進(jìn)行犧牲層技術(shù)加工，但是材料內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而且會影響機(jī)械功能。此外，設(shè)備用于L

9、IGA技術(shù)是非常昂貴的，例如高準(zhǔn)直X射線通常由同步輻射加速器產(chǎn)生，比光刻設(shè)備貴很多，一般的實(shí)驗(yàn)室不能承擔(dān)這種設(shè)備。同時(shí)，LIGA技術(shù)很難制造金屬零件，尤其是復(fù)雜形狀的微小零件。</p><p>　　表1 微型切削工藝與LIGA技術(shù)比較</p><p>　　相對于LIGA技術(shù)來說，微型切削工藝有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，微型切削工藝的機(jī)械加工范圍更廣，設(shè)備成本更低，生產(chǎn)效率和精度更高，且相關(guān)技術(shù)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(fù)雜形狀微小零件的建模設(shè)計(jì)</p><p>　　在制造復(fù)雜形狀微小零件之前，一定要完成建模設(shè)計(jì)。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(fù)雜形狀——人的面部為基礎(chǔ)，來研究復(fù)雜形狀微小零件的建模設(shè)計(jì)。</p><p>　　復(fù)雜形狀不能用解

11、析幾何來表示。本文采用NURBS的方法來實(shí)現(xiàn)建模設(shè)計(jì)，他有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：第一，NURBS幾乎能表達(dá)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(fù)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(fù)雜形狀的建模過程由下圖1中的步驟組成</p><p>　　圖1 復(fù)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(jìn)行仔細(xì)分析。然后取出反映臉部形狀的特征線或者特征面。在這個(gè)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(fèi)很多時(shí)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(gè)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(gè)子曲面可以由更低級別的單個(gè)或多個(gè)曲面構(gòu)成。因此，每個(gè)子曲面需要分別設(shè)計(jì)。位置和區(qū)域被定義之后，這些子曲面被混合成一個(gè)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?yàn)槊恳粋€(gè)曲面都有他自己的特點(diǎn)，如果建模方式不恰當(dāng)，那么計(jì)算過程將會變得復(fù)雜而且形狀要求不能得到保證。</p><p>　　在人臉的單個(gè)部位當(dāng)中，前額是一個(gè)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(gè)掃描曲面。眼眶是由一個(gè)被挖掘的曲面和兩個(gè)曲面融合而成。</p><p>　　2

15、.4 創(chuàng)建子曲面</p><p>　　在實(shí)際建模過程中，當(dāng)描繪縱向和橫向的特性曲線的時(shí)候，要先在較大區(qū)域的子曲面里表示出特性曲線。這個(gè)曲面作為位置基準(zhǔn)被畫了出來。對于人臉的模型，前額被選作位置基準(zhǔn)。</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(shè)定。在上述工作的基礎(chǔ)上，每個(gè)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(shè)計(jì)完單獨(dú)的子曲面之后，開始執(zhí)行子曲面的溶合。此過程非常復(fù)雜，他需要兩個(gè)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(zhǔn)確的選擇溶合位置且合理的設(shè)置參數(shù)。</p><p>　　在人臉模型的八個(gè)子曲面中，實(shí)際上每個(gè)曲面都是由更低級別的子曲面構(gòu)成。建模設(shè)計(jì)完成之后，把每個(gè)子曲面溶合成需要的面。同時(shí)，溶合處

17、要光滑。</p><p><b>　　2.6 修改檢查</b></p><p>　　當(dāng)復(fù)雜曲面的建模設(shè)計(jì)執(zhí)行完成后，將會由模型曲面生成NC代碼來完成機(jī)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(cuò)誤，建模曲面和實(shí)際曲面之間存在著一些不同。如果這些錯(cuò)誤在設(shè)定范圍之內(nèi)，那么曲面的設(shè)計(jì)就可被認(rèn)為是可行的。<

18、;/p><p>　　實(shí)際上，他可以用電腦進(jìn)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(cuò)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(jìn)行人臉建模。</p><p><b>　　圖3 人臉建模</b></p><p>　　3 復(fù)雜形狀微小零件的切削工藝</p><p>

19、　　復(fù)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(jī)床以及工藝條件來滿足機(jī)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(yīng)選在耐熱性高和耐磨性高的刀具材料。</p><p>　　此外，為了達(dá)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(shí)選擇羅盤銑刀（如圖4所示） 。但是由于羅盤銑刀的形狀導(dǎo)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(jī)械加工設(shè)備的選擇&l

21、t;/p><p>　　為了滿足微型切削的要求，機(jī)床的構(gòu)成必須滿足以下的功能：一個(gè)高穩(wěn)定性的伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)；定位精度高；重復(fù)定位精度高；一個(gè)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(jī)床結(jié)構(gòu)如圖6所示。</p><p>　　圖6 精密機(jī)床的結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于切削微小零件的機(jī)械特殊性，需要高的切

22、削速度和相當(dāng)小的切削半徑。因此主軸應(yīng)達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，因?yàn)楣ぷ鞑考膹?fù)雜形狀，主軸的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動要相當(dāng)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(jī)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?cái)嗲?，截線被當(dāng)做刀具的移動路徑。根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化之后，層切

23、削方法在切削復(fù)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(shí)候需要遵循的三個(gè)原則。</p><p>　　1) 先粗加工，再精加工。在切削復(fù)雜形狀工作部件的過程中，多項(xiàng)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(shí)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(jìn)刀和退刀。當(dāng)進(jìn)刀和退刀時(shí)要選擇不重要的位置。此外，為了避免產(chǎn)生刀痕，刀具的進(jìn)給和退回應(yīng)該沿著工件表面的切線或者切削延伸線</p><p>　　此外，當(dāng)規(guī)劃刀具路徑時(shí)，還需考慮例如刀具半徑補(bǔ)償以及工件和刀具之間的干涉問題。刀具干涉非常復(fù)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)

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(dāng)粗加工時(shí)切削深度是30μm，進(jìn)給速度是2mm/s。當(dāng)精加工時(shí)切削深度是15μm，進(jìn)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(dāng)直徑D=1.5mm時(shí)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(shí)切削速度vc =0.133m/s,精加工時(shí)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(shí)用偏置刀具，當(dāng)錐角θ=60°，刀尖半徑r =

30、0.1mm時(shí)，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(shí)切削速度vc=0.05m/s，精加工時(shí)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(jī)械加工結(jié)果</p><p>　　基于上述工藝計(jì)劃和參數(shù)的選

31、擇，一個(gè)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(fù)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(shù)以及高能束微型制造技術(shù)而言，微

32、型切削工藝的優(yōu)點(diǎn)。在上述工作的基礎(chǔ)上，通過研究復(fù)雜形狀的建模設(shè)計(jì)，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(jī)床上制造出了一個(gè)以硬鋁為材料的典型的精度高的復(fù)雜形狀微小零件的樣品。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</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

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