外文翻译微切削车床车削系统.docx

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微切削车床车削系统

摘要

作为一个为微型机械零件制造和作为一个微型机械加工配套的微型工件尺寸切割应用系统的开发试验，微型车床车削系统已经研制成功。

该车床可以在15000r/min的转速下加工直径为0.3mm的工件，且切削厚度可以达到10微米。

该设备整机尺寸约200毫米，以致可以再光学显微镜下观察。

一个微型的单点金刚石工具已被应用到各种形状的切割，而这种微型刀具的各种形式的有效性已经被证实。

切削力的控制采用了三向力传感器和切削阻力下降的可能性，可以提高微型零件加工精度。

关键词：

切削、微加工、车床、制造、切削力

1.简介

对微电系统微型零部件的生产目前正在开发利用，如光刻、束刻蚀和放电加工的新技术。

另一方面，传统的机械制造工艺已经成熟，如加工、打、测量和制造。

如果传统的加工方法可用于微制造过程中，对微型零件的生产过程将作为传统的机械生产过程的延伸。

在一个以微切削加工中的应用可能性方面，Ikawa和Shimada在切割扫描电子显微镜的实验系统下已经可以切削1纳米的切削深度。

Moriwaki发现切削力在微型刀具椭圆振动中减少。

从这些事实表明切割必须是微机械加工的有效方法。

在另一种方案中，可使微型机器的一部分应用于超精密机床。

YamagataandHiguchi提出了各种可使用超精密机床得微型零件。

在工业领域，Sawada在FANU开发了超精密加工系统。

除了这些实验和工业的办法外，随着工件材料的小型化机床系统也将微型。

当然小型化也有其优势和劣势。

优点是，例如，一个由热膨胀变形的火焰加工误差根据机床的大小而变化。

缺点是，机械运动精度由定位精度和旋转精度决定，机床的小型化将对定位精度和旋转精度提出更高要求。

小型化系统也应该由一个人操作方便而定，而机床的小型化也使操作变得困难。

在本研究中，一个完全的的微型机械零件制造的微型机械加工系统是通过调查对各种加工设备的开发试验。

作为第一个尝试，作者提出了原型微型转向系统可以小到在光学显微镜下观察。

Ikawa已经开发微型车床，长度为32毫米。

虽然简单的转向系统可以在一个小规模的范围内实现，但相应的工作材料的大小加工是不够准确的。

同时也有由于刀具的微型化使得切割形状的难度增加。

除了运动精度，切削力必须是关键因素——影响了加工精度，此外工件刚性根据其直径的减小而减少，很容易发生偏转。

在此论文中，首先总结，微型制造系统的主体。

然后介绍，对原型设备与以往经验的基础上实现的一个新的微转向系统的设计。

在这个新系统，新的点工具被应用到微转动提升的旋转速度。

通过对不同的切削条件下切削力检测，工件对力的反应在足够低的微挠度水平上进行了研究。

2微型车床车削加工系统

2.1微切割系统的发展

微切割系统如图1所示。

由于工件材料规模在10-1000微米的范围内，切割设备的大小可以小到放在桌子上。

该系统由工件、卡盘、刀具、刀架、机械系统、传感器、显示设备和操作系统组成。

由于工件的小型化导致直接观测变得困难，切割过程必须有光学显微镜观察。

由于用手操作设备较难，因此操作辅助设备也是必要的。

除了操作单元外的所有元素，都是微小单元。

如图2所示的所有问题必须克服，以实现这种微加工系统。

图1微切削系统

图2微小零件切削系统的开发

1．人类对机器的操作：

由人手操作该切割设备的组装。

切割机是一种连接的接口工件和人为操作的机器。

尽管工件非常小，但尺寸合适的工作机是人类经营必要的

2.观察：

为了直接掌握工作情况和形状，在工作时有必要用光学显微镜观察或用电子显微镜。

用光学显微镜可以看到最好的切割状态，因为它是更容易在一个开放的空间处理的工作。

3.设置或重置工件：

组装和拆卸的工件必须是方便，且与下一个工作流程连接应方便安排。

4.加工精度：

当工件的尺寸变小，尺寸公差变得非常严格。

例如，在一个直径为10毫米轴的尺寸公差将成为15纳米。

因此，如果同样的尺寸精度要求在微机械加工，工作秩序的纳米精度成为必要。

尺寸公差约为15微米。

该宽容的比例，总规模为0.0015。

如果相同的比例适用于轴直径10微米，尺寸公差将成为15纳米。

因此，如果同样的尺寸精度要求在微机械加工，工作秩序的纳米精度成为必要。

5.小型化的工具：

如果没有合适的工具，微电机，微机械加工无法实现。

它是必要的发展不同类型的切割提供各种形式的新的微型工具。

6.与电力资源和控制单元附件连接：

即使是小型化的切割机，它仍然需要连接到电力资源和正常大小的控制单元。

个微型转折点构建系统的系统

构建的微切割系统的元素，如图3所示。

工件被撵轴承单元由带有一个旋转直流电动机的轴支持。

主轴部件是由美联储的Z驱动表，使切削点不动显示在监视器上用光学显微镜观察。

切割刀架连接到X-Y的驱动表通过测功机，可检测三个方向切削力。

车床照片如图4。

图3微型机床示意图

图4微型机床实物图

主轴单元

主轴是由一个带有弹簧的两个微型轴承以减少主轴在旋转时的预载。

一个功率约为0.5瓦的直流电机，直接连接到一个耦合主轴上。

主轴转速从3000转变化到15000转，用来调整微电机的输入电压。

主轴旋转小于1微米，可以尽量用光学显微镜观察。

一个四爪夹头（图5所示），它是安装在主轴的末尾。

卡盘夹具可以装夹一个在0.3毫米直径的工件。

在卡盘和主轴末尾插入一个中心调解器可以改善该工件中心的偏心。

图5四爪夹头

.切削工具机

作为与微型工件匹配的微点，在申请使用的刀具要带有钻石探针的扫描隧道显微镜。

单颗钻石的三角金字塔安装在直径为的杆上，使用夹角为0°和60°的斜度。

显示在图6（a）中。

该工具轴固定在一个带有微型手柄的刀架上显示在图6（b）。

有了这个回转刀架，该工件的方向可以按刀具的各种形状进行改变。

例如，面，成型，车削内锥度切割等。

该工具测功机是由一个带有三个平行方向的U形单块，如图7所示。

三方向切削力由独立于各应变计的平行板表面安装检测点检测。

每个薄钢板厚度为。

负载了检测范围是从1mN到1N。

图6（a）刀具

图6（b）刀架

图7切削测力计

其他单位

通过在X-Y和Z轴传动单元最小分辨为4nm的率微步进表。

步进电机由微机控制驱动。

切割现象是由一个光学显微镜观察并显示在监视器上。

3切割实例

微型车床切削形状的例如图8所示子。

在直径变化范围为100微米的工件根据需要使用一个单点工具进行轮廓切割，面，沟槽切削，钻孔和螺纹切削。

如图8所示，直径为黄铜钢丝直径被用作初始的工件。

在轮廓切割中，获得了锋利流畅的两个台阶表面。

从这个方向看，一个直径约为100微米的工件的表面平面和圆的黄铜棒是非常好的。

在沟槽切削加工中，作出具有深度和长度约为30微米100微米凹槽。

通过这个微型车床的连续切削，工件的最小切削直径小于10微米。

由于部分切割试验，一个有直径大约为120微米，

范围的螺丝被切断。

这些结果表明，这么小的切削工具对于加工成各种形状微型工件是非常有用的。

当然，由于该形状的切削工具的灵活性低，所以形状是有限的。

但是，如果能够开发各种形状的微型工具，则能够形成各种形状。

图8切削实例

图9切屑

图9切削

如图9所示，切割芯片是利用扫描电子显微镜观察的。

甲流式芯片是形成于切割厚度大约比切割深度大10倍以上的部位。

如图10所示，用扫描电镜检查表面粗造度。

在这个例子中，用/转的进给速度和约5um的切削厚度进行表面的形成。

从图片中看，表面粗糙度Rmax在1um以下。

相当于一个常规精密车床获得的值。

另一方面，从表面观察，可以看到随着深度的改变的研磨槽。

这表明，由于没有足够的切削速度，目前切削速度只有3m/min,因此，刀具和工件材料之间的摩擦是相当高。

通过减小前刀面的摩擦和提高切削速度，来改变尖端的形成。

图10切割工件的粗糙度

由于工件的直径减小，由切削力减小改变工件变形的刚性。

因此，在切削反作用力的控制是在加工精度提高的重要因素之一。

该切削力值必须比这导致其引起的塑性变形的工件要低。

从此角度来看，减小切削力作用的面积是必需的。

在进给速度为5微米每秒，切削深度为五微米的条件下，切削力与切削速度的关系如图11所示。

随着切削速度的增加，切削力减小。

由于传感器的限制，最低切削力不能被检测出来。

在切削速度为3m/min，切深为5um时，主切削力可以减少1mN。

切削力与切削面积的关系（如图12所示）。

切削力阻力比力与切削面积之间的关系（如图13所示）。

比力是指由切削区域所划分的切削力。

图13揭示了切削区域减小，切削力增加。

但在具体的力达到了0.5平方微米的伐区，则下跌的切割面积减少。

产生此现象的院士是考虑变形的微观机制。

如图14所示，该圆柱体工件的最大切削力是一个简单的材料强度方程。

当工作直径为20微米，挠度约为0.04微米，最大应力约为80兆帕。

因此，它的最大应力出现在工件可以抑制水平以下，导致了塑性变形。

为了抑制直径在10微米工作应力变形，切削力应不超过0.4mN。

从切削深度可控制这方面考虑，可以从切削力和工件（图14）目前直径来估计偏差。

图11切削速度与切削力关系

图12切削范围与切削力关系

图13具体切削力与切削区域

图14挠度下的切削力

5结论

微切削已经应用在微型工件转向系统新开发的紧凑型车床。

切割情况可以直接通过光学显微镜观察。

该车床整机尺寸为200毫米。

一个微型的单点金刚石工具已经陆续出台，加上三向力传感器，使研究各种形式的切削力成为可能。

通过控制切削力，减少工作的微型旋转，以便提高工作的准确性。