大长径比微细轴的车削工艺研究

lovebke99

前言
近年来，随着MEMS技术研究的日益成熟，开发研制MEMS产品需要高效率的微器件加工技术，因此，微加工技术正受到日益普遍的关注。在诸如计算机、微电子仪表及激光聚变(ICF)等领域对Ø0.1mm以下微细轴的需求越来越急迫。同时如喷墨打印机的墨水喷头、电子枪及ICF物理诊断设备均需要微米级的微细孔，而这些孔通常以微细轴为工具采用电火花成形或超声波加工而成。目前见诸报道的微米级微细轴加工方法主要是电火花加工、电解加工，超声振动磨削以及LIGA等特种加工方法。这些方法的共同问题是效率低下、设备昂贵、工艺较复杂和对操作人员技术要求高，阻碍了微器件加工的发展。而传统的切削加工技术发展较成熟，是否可以在微器件加工中发挥作用呢？该方面的文献报道很少。在高温高密度等离子体国防科技重点试验室的支持下，以紫铜为工件材料，通过一系列试验，探讨了微细长轴的精密车削加工技术，结果证明精密车削技术在微米级细长轴的加工方面有其独特的优势。
- t5 G& Y" B& M5 }5 L2 h表1 刀具角度与产品表面质量关系试验
序号
$ u& E& D; x/ P9 R! l刀具角度
前角g0
(°)
0 o. k% @; a. z. K# k. Q1 H' x后角a0
0 U" O' ^6 q/ M# z1 i(°)
' h# j( S* ?! x! j( k主偏角Kr
(°)
副主偏角K'r
(°)
成形情况
粗糙度Ra
µm
( i) W# q$ M7 q, {2 d01
0
3
75
  J8 S$ j5 U, o: A% L3 Y5
否
' F8 r# o' t- a02
0
3
( ~# P9 L$ Y. w% @4 ~8 B! L: N75
0 k8 l7 Y# L$ n: c0 P& m5 m' ^$ s. F5 u15
否
03
6 q! F* \3 Y9 Y; S- U5 S% B0
/ C; \* X, q0 v/ A/ Y, ?3
75
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否
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" Z* P5 J# l4 b5 {5
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1 E/ m  d! H- w; V1 C1 R  ?5
否
$ Y$ U5 e6 x, w& t$ U05
1 ]+ x$ ~- N1 ?8 J0 Q% C# h) R0
! \1 o$ p9 `& l5
6 A/ J) [' o. N! ~; E0 h" \0 g90
: H9 X. _7 V* y( R1 ~$ n4 F15
是
& i1 G8 ^8 C* w2 g; s& r# Y  Z0.15
06
0
/ F& J3 g% k3 H& Y! ]5
90
! x7 O! o7 _* Y$ x+ V30
是
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07
0
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95
5
否
6 Q9 G1 ]4 t* ]& S; ]08
9 `+ M7 a+ H. A; m9 F, D0 v( ^0
# Q8 x  W% z5 E% w7 l7 g5 B+ j: @6
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是
$ D4 h8 G5 h/ w; d+ _/ B8 R0.11
& R1 @3 k& o! H% C- H/ d09
- R! W* M, G) J8 X* @9 S4 l7 Z1 X0
6
6 O5 n% X0 r' v( \; a  c95
1 a7 b. n: t' ~$ L& g, H. m% v30
0 U4 e, D& w- p$ Y5 Q( x9 y是
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10
2 H2 A, n1 W7 ^% e- R8 _8 @0
5
93
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93
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5
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, f6 v0 K5 N  c' e, a30
是
4 D; x3 z+ L3 O6 f0.06
13
0
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5
否
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% o1 f6 n- f9 X7 w0 N  p; }6 W否
15
1 S- n- N% j+ P% h6 p; H! n5 L3 q0
6
$ \' w/ _+ p% _6 m0 |$ e% D100
30
1 n4 l6 \/ r- \8 b5 S3 q否
1 微细轴车削加工用车刀设计
微细轴长径比较大，刚性差，对于切削力、振动和切削温度十分敏感。车削加工时，很容易产生弯曲变形和振动，给切削加工带来一系列的困难，使几何形状精度和表面质量得不到保证。影响微细轴加工精度的主要因素包括：切削力、切削热变形、刀具热变形、内应力以及刀具安装高度误差等引起的误差。而上述因素均与刀具的材料，刀具参数主偏角Kr、副偏角K'r、前角g0、后角a0、切削刃刃口半径r和刀尖圆弧半径几有关。
/ j6 z) h& y7 F+ l; _通过分析资料，试验采用人工合成单晶金刚石作为刀具材料。通过如表1的系列试验，分别得到理想的金刚石刀具参数如表2。试验条件如下，切削参数：n=2500r/min, f=0.3mm/min, ap=0.02mm; 加工材料为Ø40µm×500µm的紫铜，车刀是刀尖为两条切削刃相交为一点的尖刀。
2 试验结果及讨论
" _' v0 G4 _5 c* s$ U' M3 F试验系统组成
微细轴的加工试验在精密数控车床上进行。由于微细轴的尺寸只有数十微米，眼睛直接观察很困难。为此在精密数控车床上加装了一套显微观测系统，其结构框图见图1所示。
( T2 [1 i5 A5 Z3 G: E
9 R6 A: i9 j% b; T1 v图1 显微观测系统结构框图
- \& _; K0 N* [
图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响
9 e, `" D$ c3 u7 R
  O- j1 t" |& r" {) @图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响

1 z* y3 Z9 r! ?& m- J8 a图4 主轴转速对表面粗糙度的影响
4 l. x9 ]5 [& D# z& u- C
图5 端部直径为7µm微细轴
* ~4 b+ |2 E$ s1 j2 t6 R& e% U
图6 直径19µm的微孔

图7 微细长轴的SEM照片
& ^( G) V. P) o/ \图7所示为车削的公称直径20µm、长1mm微细长轴的扫描电子显微镜(SEM)照片。图8所示为在扫描电子显微镜下，放大至2480倍时观察到的头部、中部及根部的微细结构。SEM测量结果：头部直径18.5µm、中部直径18.9µm、根部直径19.7µm，平均直径19µm。长度实测值为1030µm，在此范围内直径值相差1.2µm，长径比约为55。精加工时间只需约2.5min，与电火花加工相比具有更高的加工效率。
: i* `# ]0 d" h+ i. C* O: l
(a)
. m. b9 P6 Z9 O: ?
" U5 L# u" a' U4 Y% D( _) F(b)
* g! s5 y- \2 N/ g. K6 Z1 w3 G
( h) e* v3 U/ E% B(c)
图8 头部、中部及根部的微细结构 ×2480
7 M- C, m5 a- o* J4 s% e
6 R& x. \) L8 y4 H图9 不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径
在车削微细轴的基础上，还进行了微细螺纹车削技术的研究。采用与车削微细轴相同的刀具，只是在刀具安装时需要转动16.5°，实现螺纹刀具有相等的主、副偏角。其他切削条件与车削微细轴相同。首先，对主轴在不同转速下螺纹的切削质量进行了试验。在转速n=500r/min时切削的螺纹，经光学测量显微镜观测发现螺纹表面粗糙，而且螺纹的实际高度参差不齐。转速提高至n=2000～3000r/min后，切削的螺纹轮廓清晰，其尺寸指标与设定值基本吻合。因此，在微细螺纹加工过程中，需要有较高的转速。然后对螺距为10µm的微细螺纹的极限尺寸进行试验。切削参数：主轴转速n=2000r/min，背吃刀量ap=1～2µm，进给量采用了f=5mm/min。图9给出了在不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径。从图中可以看出，随着加工螺纹长度的缩短，所能达到的最小螺纹内径也随之减小。

! q( W8 ~8 M# v( I* Q9 U! a/ b; }图10 内径为36.6µm、螺距为10µm的螺纹