大长径比微细轴的车削工艺研究

lovebke99

前言
- O  q( v/ @- E- @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。
1 l8 A0 w2 x. t2 q3 E表1 刀具角度与产品表面质量关系试验
序号
, J0 o( }/ T5 v/ N* D4 w刀具角度
4 J/ F$ |& \# \2 K' ^1 \! U6 ?% ^# |: K前角g0
(°)
后角a0
3 m( B! x1 G6 H6 `+ i(°)
主偏角Kr
7 q5 X# C: K# W9 f* |# A(°)
7 N5 t2 p9 K* B! H. A( s2 G$ Z副主偏角K'r
! ]+ C$ F* u8 B6 B9 h7 `(°)
( b8 t7 Q8 E/ w% Y1 T成形情况
粗糙度Ra
+ n8 n# P9 }( B; G1 cµm
01
. K! D/ ]3 L0 L: W$ `# m8 X/ m0
3
75
5
' ]5 Z4 D6 v- O" h# h1 `否
02
0
3
75
15
否
/ ]* E9 D& c! X03
0
3
- P  [$ G1 v$ H) Y8 Z2 z75
30
否
04
0
4 s- h9 k  ?/ i! \- W/ d2 n+ i5
90
5
否
, C* K: R) d: t# f  Q05
0
5
90
/ C' e% {* a' l) c- A: m+ ~15
是
4 h" m6 k# \* g( R& I6 t+ [/ I9 j0.15
06
0
5
90
8 K/ E6 x* t# s30
4 {- r4 [; P" b" U1 R4 N/ T是
# d0 i; ^# M. K5 A  m- A4 @0.08
4 P2 v: g; {$ X0 }. i0 c/ S  I07
0
* j* d( Z9 \. ^6
95
4 G8 @5 B2 Q1 C3 Q7 Y* z5
否
' g5 h! ?" J& S5 ]08
0
6
/ g+ J9 ?1 Y/ F" @/ ~' s95
8 K: |- b* d2 M3 }9 e5 w8 G; T15
是
0.11
. r3 c( p; F/ [9 H2 {8 W  v09
0
6
95
30
是
0.07
10
0
0 n0 I6 v( m4 J) h! g5
93
3 q6 W" d" e5 D) x8 u5
否
11
8 h- z, N' W3 W6 G- t0
1 \' P  Q7 _8 o/ c( @3 V$ e; \, Q4 {5
5 E" x8 ^$ X" ?% c8 V93
15
是
0.10
, m) k- l6 t5 E6 L- o0 E12
0
& r+ g4 Y# |" L$ X: m% s- R5
( m) a7 I2 Z- J2 @' |+ M93
0 q7 h2 w: D. t30
; J4 J/ _; g5 |% G3 \) |是
0.06
0 ]. A8 v0 g8 v  ?3 v8 S; v& t# I8 U13
7 p6 [9 ]1 k+ |" b0
7 v2 {7 h% s5 D: ~6
( t2 k# z- P) C$ w100
2 {1 C7 C$ n4 \+ ?( T6 _4 q5
否
# {1 q# O% C  ~  g) g6 r/ N# X14
  L9 |1 q6 t; c) B0
& G- b3 `; c/ i, k, h( a1 [, k. m6
0 w4 G7 j+ r, e. K100
; E/ u% m4 ?* G7 p7 a& f2 ^15
否
7 h# y9 A# u4 ^- c6 l15
7 r$ V) b7 j4 C  i0
. o8 _9 t7 O- P) [6
100
30
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。
2 A; M: w0 @. e* Y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
& @) U" g7 i) N1 G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
! Y/ }3 p, ?- k$ C
图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响
* m1 I. u0 X6 G& S
图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响
1 N# Z5 J' a' j" E7 p
图4 主轴转速对表面粗糙度的影响
: f* v' K5 H- N) [- I1 i$ I, E
图5 端部直径为7µm微细轴
, Q3 P; Z& W" d7 {- b0 P8 w# U. O
# n- H# F0 b% ?+ U图6 直径19µm的微孔

  k9 R! h6 H& h2 g' u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。

  O' i: {+ L$ P8 }. C(a)

8 ^/ f0 d3 {+ a) I; b(b)
3 n6 A0 d- W# N, S! H
(c)
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
- \8 `* f* c5 [1 L% T4 a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。
) c- S2 i' |+ U7 R, |
图10 内径为36.6µm、螺距为10µm的螺纹