大长径比微细轴的车削工艺研究

lovebke99

前言
) _$ A% h' I0 Z% J  D/ A* q+ M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。
- M! u: W+ |+ z5 U, V$ x表1 刀具角度与产品表面质量关系试验
9 n! _7 B- D% Q' b$ F' i$ |) w$ f序号
3 [( u4 e3 Y6 N+ k5 ~+ Z刀具角度
前角g0
% a; @2 V5 e; D2 ]& Y; [3 K(°)
! p* O# W  h) s6 d" d后角a0
/ v6 a& W" Z3 [& w1 g9 z( O; W. F4 n(°)
主偏角Kr
% m) y8 }* H# G+ Z5 \: p(°)
8 |4 W  y4 Z; G8 z副主偏角K'r
% U. ^+ O' R" \(°)
成形情况
粗糙度Ra
/ j6 C3 \" n" k% D  Pµm
01
; Y7 Y% G  i* z8 p$ ?, o7 M0
3
75
5
% z7 ?' w' G& `; ^9 P否
02
# k5 l7 B+ a7 g0
" M8 y/ [# Q, ?; ]# Y+ W$ I! p3
75
: g9 P2 Z5 w0 r3 Q, n/ B$ s8 i% ~" Q15
否
3 ?7 B$ g1 W: L2 i5 Z, Y03
) a& a/ }: j* |( z3 ?3 b0
3
6 l) e3 `: _1 Y* D4 g! y4 J$ v75
) j; v2 E4 v  H) }9 c30
否
1 z  N2 L' [& U( |5 Y04
! l2 l% X, \8 z5 d  K0
5
90
- h# m0 h1 s9 E2 w4 }- Y) Y5
1 J) _' `0 x! }# z- V" ]7 S) f否
05
0
5
90
15
' @1 A7 V( w/ r' _+ V是
0.15
: i- c7 y' V( `06
% P7 |) f  M; E' ~$ J( {% `7 E0
5
5 ~3 F% Y) B) y90
30
是
2 U7 I4 ^, H6 M3 L0.08
" F5 P0 d, s- ?! x+ C  X. Y07
2 j4 e  Y7 @. B% ~3 {9 n$ g. L0
6
+ I5 w7 z) F( s( L2 u% u7 Q95
/ D2 C& s/ O" b2 f5 o5
$ E' l9 R0 N/ P$ p否
( {3 `; [/ l- \, e! J' V08
0 V; ?9 I) {7 L; w& ~' V1 r0 u  J0
6
95
% ~! e$ @( x! {8 \- t15
# I* M& M2 i# `' O是
0.11
09
# o$ i' z1 r$ w9 n: w& R0
6
8 y8 B5 e% F* Q95
30
是
0.07
10
, R' ~' @- p, _" G5 g0 _0
9 A+ G  C) c, M0 @, h4 h" P5
93
5
2 W4 d! b0 C' k( A4 K7 ?否
6 J: f+ b6 V- a11
0
5
1 s; g" k! {/ U6 c% K- L93
6 h+ {# R  l' U3 F15
是
0 y% O5 j" Y6 t% S5 J& p0.10
12
- L9 @) j( J* H" w0
2 z$ m) t: V) r7 i. E& O5
- v  K2 [+ B3 x4 t# _93
30
# e( [! V7 r) |是
0.06
13
4 f: h. w  {& ?# W7 O. l0
6
100
) K9 Z9 X  J& Q  W( }0 ?5
否
; R. D- {  d- e& \! O6 q8 C14
/ ^. s! ~9 ?- U$ R: f0 E0
6
; M6 c3 s( ?: H2 o7 _9 }100
15
+ z) R+ D5 [9 d否
15
0
6
100
30
7 b; ?9 Z9 r- |- ^9 V否
1 微细轴车削加工用车刀设计
( r8 N: }3 o, `  g( v5 `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。
6 S3 c, G5 d$ d* P2 T7 O5 B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。
6 ~, V/ e' L3 U' |2 \- K  O: `' r/ J2 试验结果及讨论
" y$ A/ [- ^4 ~% a: Q: C$ M! u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。

图1 显微观测系统结构框图
( x5 M5 W, ^, [/ q4 T7 k
图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响
5 |  _) ~8 M7 V( T
+ l2 t' r6 }% a图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响
1 K! [" m7 e& _! z" O
1 g7 H/ T3 U" B- [) j图4 主轴转速对表面粗糙度的影响
) \8 W) g5 `! p- p2 n
5 H9 Z3 _( T  q; f图5 端部直径为7µm微细轴
' U. J9 e% Y/ d( x6 l$ l6 i1 B
, y/ H7 W! l  e8 r$ f# R8 ?( Y图6 直径19µm的微孔
6 R4 M2 Z- q: _( P' E
9 u5 Y& q. |) E( x图7 微细长轴的SEM照片
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。
- ?- O5 j$ o8 E7 @; a
8 o: `0 j& K) I# u(a)

7 H3 ], S1 F1 B% g# z(b)

- s) k) m0 Y' q- X/ E(c)
, h2 b5 Y. X! U$ ?* z图8 头部、中部及根部的微细结构 ×2480

图9 不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径
, T$ M, r1 K& c1 ^1 [0 p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。

" H- W! x' l( ~4 B+ ~# M. e图10 内径为36.6µm、螺距为10µm的螺纹