大长径比微细轴的车削工艺研究

HEATS

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。
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* [3 C; x, P! H s& B, \4 u( E5 l. p0 ?' ?& s* L; o2 k) s1 j9 b( e( n8 m; K1 S+ I, F, j7 x4 L/ m1 C0 W" g( {7 b9 y5 Y! z! q6 {& M. T$ x/ _0 j1 t, s8 z7 q1 p+ D- [. u6 j; ~+ U0 P- B; h8 o- ~0 S$ ?$ r7 ^, t4 g9 | @) t/ c# D4 o& d! s. M( j9 [- p6 u# h8 c9 P3 E" g/ y- j" Z1 ~6 q0 s- i9 q% x$ R: a3 |4 i4 d0 n0 [$ N* Q) r6 z7 e% R4 O" h8 d# [: u" h% l, H0 T3 N- H5 H& U- Y! K# ~) Z# X0 ~* d c* \8 A/ K3 z6 R* R* S& S+ l/ h, l) `8 X6 W, j9 F/ b, M" G$ Z* c% o" k0 K- _' Q! R/ y$ V0 N# Z1 u% e' z# e5 V* c. m/ w6 C, f* U& Y7 F8 t! _+ F9 R; K/ V. U5 C4 @4 g, b7 Q: U ?" e+ l1 n8 V8 M1 y& B& W6 W0 v6 {- n- p" I. |5 S' C5 e; I9 }( \- L( A: u" m* s7 w8 W8 H: Q+ l, l/ b% l9 i: V5 w3 `6 b9 U7 O/ |, u, [ o4 |8 T: b! {. C( c6 k# _/ \& {& n$ G, }6 `) c9 L. f, C, l6 z O7 g; Z% B2 v- p+ b* v! t4 a. P4 \. i+ H: p: r- N+ z- z* x, r- _" V: W' W g6 s$ H& W/ P- ?4 m$ h# v! l2 \2 V1 ]' P3 ]& O1 ?& V) I3 |9 \' t4 w# h5 s- Z1 n7 y) L) J0 N6 R2 n- [4 }* D/ k; Y) y" O0 n( ~( ^ v3 D7 S! q& R: U2 ~0 E$ R) `0 a- \- Y4 j( K/ l; q% @6 Z. _1 n, y( S, P% l0 S' I0 \( w+ o% k4 ?* A1 E- E' L) y9 H% Q2 I6 r B8 R4 f# G! ?9 g0 E; u" O1 ]* i' y, Y l0 h8 _7 X' e S5 \2 Y1 M$ u6 b$ C, n2 I1 _/ @" U @8 a) ?9 |( e9 g& u# h* H( h' w* j$ `( ?/ ?4 ~, f' ]! y1 `+ K' W) ~' M \# Q4 u1 v# u; l: _3 f, q+ T- r6 q8 i; V+ Y# P2 L) K0 T( i+ Q5 ]% I& y/ C7 f/ O8 ^3 Q0 v) o* ?4 R; ]- H" y8 V+ ~; ]( a* h0 l. [- r9 Z) q$ |$ d; ]4 }+ z9 O k" Z5 h( Y6 Y7 y' ]% x- ] u4 L9 u0 d: ^$ j' o6 F9 W' T& [$ M: K7 ]% K" E: H6 e- v6 p# j3 Q9 g2 l U7 i6 I0 F6 M2 `, a5 \2 |+ N& ]! a0 ~* f0 Z- }2 m; Q+ n! W9 \) P2 e3 D; A& t; ]' ~; V; _$ r8 x; v8 z; c4 B0 W3 r+ R* a 表1 刀具角度与产品表面质量关系试验 序号 刀具角度 前角g0 (°) 后角a0 (°) 主偏角Kr (°) 副主偏角K'r (°) 成形情况 粗糙度Ra µm 01 0 3 75 5 否   02 0 3 75 15 否   03 0 3 75 30 否   04 0 5 90 5 否   05 0 5 90 15 是 0.15 06 0 5 90 30 是 0.08 07 0 6 95 5 否   08 0 6 95 15 是 0.11 09 0 6 95 30 是 0.07 10 0 5 93 5 否   11 0 5 93 15 是 0.10 12 0 5 93 30 是 0.06 13 0 6 100 5 否   14 0 6 100 15 否   15 0 6 100 30 否

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1 微细轴车削加工用车刀设计

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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K_r、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。 + W* D( l* G6 q) ]% G& K7 u7 L3 M

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, a_p=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。 . m7 o8 c* g7 q g2 R& z6 s: z

2 试验结果及讨论

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1. 试验系统组成 % G$ \+ U: j+ ^* n! L4 y7 F8 J
   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。
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   图1 显微观测系统结构框图

   图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响

   图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响

   图4 主轴转速对表面粗糙度的影响

   图5 端部直径为7µm微细轴

   该试验系统的主要组成如下。 : r; P! P. ~& h7 N3 j; L" g

   1. Hartinge公司超精密CNC车床：CONQUEST GT；加工精度：R_a0.05µm。 " c% `2 _# _" P7 A, i% ^
   2. 长工作距离显微镜：QUESTAR 100。 9 V" m; T9 S( _6 D+ q
   3. 专用图像处理系统。
   4. 扫描电镜：KYKY1010B。

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   该系统的关键部件是一架长工作距离显微镜，这架显微镜的物镜至工件表面的最大工作距离为350mm，最高分辨率可达2µm。在显微镜上安装了微型摄像头，经图像处理后，可以在图像显示器的屏幕上观察到微细轴的整个加工过程。利用附带的专用软件，该系统还可以原位测量工件尺寸。加装这套系统还有利于实现尖刃刀具的精确对刀。 " M( @7 B( F- V% J K! a0 w6 u
   微细轴材料采用易于金刚石刀具切削又适合微细孔加工的紫铜。加工后采用ALPHA-STEP 500表面轮廓仪测量微细轴表面粗糙度值。
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2. 切削用量对微细轴成形及表面粗糙度的影响
   与车削尺寸较大的工件不同，在微细轴的加工中，切削用量不仅对工件表面质量产生影响，而且关系到是否能够车削成形。也就是说切削用量只有在一定范围内才能车削成微细轴，而且微细轴尺寸越小，切削参数的选择范围越窄。以车削直径20µm轴为例，介绍进给量、背吃刀量及切削速度对微细轴成形及表面粗糙度的影响。 ; g7 x6 v$ H$ w3 H' |
   图2所示是在背吃刀量a_p=0.04mm，主轴转速n=2000r/min时，进给量对微细轴表面粗糙度的影响。在这组切削条件下，微细轴只有进给量f在0.2～1.5mm/min的范围内才能车削成形。在可成形范围内，进给量与表面粗糙度值成正比，而且具有显著的影响。 0 J7 Y1 x+ L0 I) U+ d! {( U
   图3给出了在进给量f=0.mm/min，主轴转速n=2000r/min时，背吃刀量的变化对微细轴表面粗糙度的影响。当a_p<0.02mm时，由于刚性不足等因素的影响，刀具接触到微细轴后，就将其碰弯。在背吃刀量a_p=0.02～0.08mm的范围内，表面粗糙度值变化不大，这说明不同的背吃刀量对表面粗糙度的影响较小。 * v R" B& Z3 u# s9 K
   图4为a_p=0.04mm, f=0.2mm/min时，改变主轴转速对微细轴表面粗糙度的影响。从图中可以看出，当n<2000r/min时，随着主轴转速的逐渐减小，表面粗糙度值反而增大。这与金刚石刀具微量切削时切削力的特殊变化规律有关。在这组切削条件下，改变主轴转速，其每转的进给量也随之变化，低速时，当进给量小到一定程度以后，金刚石刀具刃口对加工件产生的挤压加剧。与车刀和切屑接触面积相比，车刀与工件接触面积逐渐增大，这时随着作用于切削刃刃口和后刀面上的力在总切削力中所占的比率加大，出现径向力F_r大于切向力F_z的现象，而F_r的变化直接影响着表面粗糙度值及微细轴的加工成形。这也可以解释当n<1000r/min时，刀具接触到微细轴后即碰弯的原因。当n>4000r/min时，微细轴呈弯曲状，并且随着主轴转速的增加，由于离心力的作用使弯曲变形加剧。
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3. 试验结果及部分零件
   图5是端部直径为7µm微细轴的扫描电子显微镜(SEM)照片，轴先半精加工至Ø100µm后，再由人造单晶金刚石刀具车削成形。其加工参数为：n=2000r/min , f=0.2mm/min，a_p=0.1mm；采用同样参数，对于直径为11µm、长度65µm的轴，精加工实际切削时间约为20s。
   图6是采用车削而成的Ø11µm轴做电极，在厚度为20µm的金箔上加工出Ø19µm微孔的扫描电子显微镜(SEM)照片。电火花加工所用电压为110V，放电电容为100pF，正极性加工，采用美孚电加工液，加工时间约为10s。
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   图6 直径19µm的微孔

   图7 微细长轴的SEM照片

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   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。
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   (a)	(b)	(c)
   图8 头部、中部及根部的微细结构 ×2480

   
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   图9 不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径

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   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a_p=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。
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   图10 内径为36.6µm、螺距为10µm的螺纹

   图10是加工的长度为150µm、内径为36.6µm、齿高为6.7µm及螺距为10µm螺纹的扫描电子显微镜照片。

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3 结论

详细地分析了微细轴(螺纹)车削加工时影响加工精度的几项主要因素。在此基础上，提出了适合于微细轴(螺纹)车削加工中刀具的技术要求，探讨了精密车削这种传统的切削方法在微细加工领域开发、应用的可行性。得到以下结论。

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1. 在影响微细轴加工精度诸多主要因素中，切削力的影响至关重要。其中径向力F_r作用在工件刚性较弱的径向上产生变形，对微细轴的加工成形影响最显著。在径向力作用下，微细轴弯曲变形量与跨度的3次方成正比。因此，缩小跨度是提高微细轴弯曲刚度的有效方法。在切削过程中，工件与刀具产生的切削热不容忽视。车刀刀尖安装高度不在工件中心水平面上时，将会引起径向进刀误差，从而产生车削直径误差。尤其是在加工多台阶工件外圆时，会遇到各台阶直接读数不均的现象。
2. 金刚石刀具因其具有硬度高、耐磨性和强度高、导热性能好、与有色金属摩擦因数低以及能磨出极锋锐的刀刃等优异的特性，是车削微细轴的首选材料。 " z! T0 T' O, k
   根据有利于减小工艺系统的的弹性变形及振动，并考虑到加工铜材料以及便于刃磨、安装和对刀的因素，设计并刃磨出适合于微细轴车削加工的尖刃金刚石刀具。该刀具的主要参数指标为：主偏角K_r=93°，副偏角K'_r=30°，前角g₀=0°，后角a₀=5°。
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3. 研究表明，在微细轴的加工中，切削用量不仅对工件表面质量产生影响，而且关系到是否能够车削成形。在可成形范围内，进给量与表面粗糙度值成正比，而且具有显著的影响；背吃刀量、主轴转速对表面粗糙度的影响较小。
   对紫铜材料，理想的加工参数为：进给量f=0.2～0.5mm/min ，背吃刀量a_p=0.04mm，主轴转速n =2000～3000r/min。
4. 采用人造金刚石刀具，在精密数控车床上进行了微细轴极限尺寸车削加工工艺研究，能够加工出直径小至7µm的微细轴；目前己采用车削加工成的直径11µm的轴，在厚度为20µm的金箔上采用电火花成形加工出Ø19µm的微孔，证明精密车削的微细轴具有实用性。
5. 在车削微细轴的基础上，开展了微细螺纹车削技术的研究。研究表明在微细螺纹加工过程中，需要有较高的转速(n≥2000r/min)。从不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径的研究结果可以看出，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。已加工出长100µm、齿高6µm及内径为23µm的微型螺杆。 + s. `# T5 T- d
6. 研究工作表明，精密车削这种传统的切削方法，在微细轴及微型螺纹的加工中具有加工精度高、加工时间短及加工效率高等优点。并为精密、超精密车削结构和形状更为复杂的三维工件打下良好的技术基础。