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机械加工中小零件的切削技术

 论文栏目:机械加工论文     更新时间:2013-9-1 17:36:07   

一、微细切削技术机理

机械加工的微细切削过程中,微细切削与常规切削是一样的,均是通过刀具进行工件表面材料的去除,不过因微细切削刀具与工件的尺寸较小,在微细切削中,常会出现与常规切削不一样的现象。要增强微小零件的加工质量,需要提高微细切削技术,加强微细切削机理研究,以推动切削技术的实用化。在零件切削加工当中,刀具及工件材料的接触位置会存在局部变形的状况,这需要对刀具切削厚度进行合理控制,要比工件材料最小的切削厚度高,才能有效提高零件的加工质量。随着刀具去除工件材料的减少,刀具刃口的半径与最小切削厚度越来越接近,实际刀具前角是较大负值,所以,沿着刃口半径进行切削,其轮廓容易出现剪切变形,微细切削形状、组织变化与传统切削尺寸存在一定差异。在微细切削当中,刀刃口半径与最小切削厚度是重要的模型参数,其中,最小切削厚度与机床性能、刀具锋利性、工件材料物理性能与加工环境等密切相关。微细切削作为综合性高集成技术,对微小零件具有很强适应力,该技术适合金属、陶瓷、合金、石墨及玻璃等多种材料的机械加工,也能进行3D立体机械加工,其加工单位较小,材料去除率比较高,精度也非常高,通过切割深度与量的控制,可有效提高加工效率,增强微小零件加工速度。

二、微细切削技术发展现状

微细切削技术作为微小零件的主要加工手段,与宏观加工相似,均要微车床与有关系统进行检测控制,只是对刀具硬度、主轴精度与微型化方面要求更高。从上世纪九十年代开始,日本及欧美等国家,就对各类微型机床进行研制,并用微型机床加工各类微结构,其目的是在提高系统柔性的基础上,有效降低设备的制造成本。近些年,微细切削技术得到很大发展,其具体发展状况如下:(1)国外微细切削技术发展现状在1988年时,日本的MMT研究机构与MEL实验室对机床微型化进行了研究,并将此工作当作日本微细切削技术的主要组成,1996年第一个成型微型机床面世,该切削技术比手掌要小,机床长为21mm,高为30.5mm,其重量为100g,该机床的问世极大地带动了学者们研究微小机床的信心与热情。后来又成功研制了微型冲床及微型铣床,与常规切削系统相比,该切削系统结构简单,但已能对实际零件进行加工。在微机床技术的支持下,日本很多微机设备已能实用,并且逐渐商品化。美国的伊利诺斯大学研制了微型铣床,驱动主轴的最高转速达15万r/min,系统的定位精度为1um,最大的跳动量是1um。韩国首尔的国立大学研制了5轴的微型铣床,其总体尺寸是(220×294×328)mm3,系统是由2旋转平台、3直线平台与一个气动主轴构成的,不过每个平台并未配置位置传感器与编码器,一定程度上,对系统加工精度产生了影响。德国、新加坡与瑞典等国家也开始研制微细切削技术。(2)国内切削技术发展现状我国在微细切削技术方面的研究才刚刚起步,目前,哈尔滨工业学校已制造了两台微铣床,卧式与立式铣床各一台,其中,立式微铣床的总体尺寸为(300×300×290)mm3,主要是由实时任务、非实时任务、高速空气涡轮主轴、精密工作台与CCD视频的采集系统五部分组成,其中,实时任务包含位置控制、轴运动控制卡及插补运算等,非实时任务是由参数管理、工控机系统、代码编程与系统初始化等部分构成的,空气涡轮主轴能为微型铣刀提供的转速为16万r/min。随着微细切削技术在航空、化工及医疗等领域的应用,微细切削技术水平的提高是必要的,我国在此技术方面的研究还处于起始阶段,还需要不断加强微细切削机理与技术的研究。

三、微细切削在机械加工微小零件中所面临的技术问题

1.微细切削工作中监控问题

在微细切削技术中,对切削加工状态的监控是其难点之一,常规尺度下的切削加工具有明显的振动、冲击与噪声等现状,但在微细切削技术下,这些现状变得微弱,对切削加工状态进行反映的价值信号幅值小、噪音低,对特征参数进行提取与辨识时,具有一定难度。所以,为了更深入探究微细切削技术的工作状态,需要加强切削振动与切削力等相关信号的监控,而工作状态监控的实现,则需要依赖实时监控系统对切削状态进行准确监控,并实现全过程监控。

2.刀具制作技术问题

切削技术要实现um级的切削加工,需要具备极小尺度的切削刀具,但是切削技术水平的关键制约因素就是刀具制作技术的落后问题,依据分子动力学来看,刀具刃口的半径在1nm内,才能有效实现单位为0.1nm的切削加工。目前切削技术水平与应用材料并不能满足此要求。根据磨削力作用,应用专用磨削机实施微细刀具的批量生产,其成品率比较低,并且在最小直径上,刀具也会受到限制,对微细切削技术水平提高带来了影响。

3.机械加工精度与能力受限,无法适应批量生产

因切削力及刀具应用的缘故,需要不断加强机械加工的精度与能力,在微细刀具制作中,容易出现刀刃口磨损现象,一旦发生磨损,刀具的切削尺度与原理论尺度就会发生变化,其加工精度还需要进一步提高,在切削转角的时候,切削力会变大,这样就会限制加工表面的精度。目前,微细切削技术已经开始实施于微小零件的小批量生产,不过自动化程度较低,无法实现大批量的生产要求。

四、结语

随着科技发展与经济进步,各种微型零件正悄然改变着人与大自然间的交往方式,微小零件已广泛应用在航天、光学、通讯与汽车等领域中,微细切削技术作为微小零件加工的主要手段,其技术水平高低,直接影响着微小零件的加工质量,因此,在机械加工中,加强微细切削技术机理及水平的研究是必要的,可有效推动各行业的精细化发展。

作者:莫家杰 单位:郁南职业技术学校

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