三维量表传动帽型面的设计计算

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 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?0.1mm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。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Raμm0103755否 02037515否 03037530否 0405905否 05059015是0.1506059030是0.080706955否 08069515是0.1109069530是0.071005935否 11059315是0.1012059330是0.0613061005否 140610015否 150610030否 表2 车刀参数一览表主偏角Kr(°)副主偏角K'r(°)前角g0(°)后角a0(°)切削刃刃口半径rmm刀尖圆弧半径remm933005201 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。 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?40μm×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。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/200861995519.gif[/img]图1 显微观测系统结构框图[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/20086199589.gif[/img]图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/200861910041.gif[/img]图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/200861910751.gif[/img]图4 主轴转速对表面粗糙度的影响[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/20086191087.gif[/img]图5 端部直径为7μm微细轴该试验系统的主要组成如下。 Hartinge公司超精密CNC车床：CONQUEST GT；加工精度：Ra0.05μm。 长工作距离显微镜：QUESTAR 100。 专用图像处理系统。 扫描电镜：KYKY1010B。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。 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。 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。 图2所示是在背吃刀量ap=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。 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ap图4为ap=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n4000r/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。 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?100μm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，ap=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?11μm轴做电极，在厚度为20μm的金箔上加工出?19μm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。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619101035.gif[/img]图6 直径19μm的微孔[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619101343.gif[/img]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。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619101930.gif[/img](a)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619102011.gif[/img](b)[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619102017.gif[/img](c)图8 头部、中部及根部的微细结构 ×2480[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/2008619102751.gif[/img]图9 不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径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。[img]http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/200861910282.gif[/img]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。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。 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Fr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。 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。 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Kr=93°，副偏角K'r=30°，前角g0=0°，后角a0=5°。 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ap=0.04mm，主轴转速n =2000～3000r/min。 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?19μm的微孔，证明精密车削的微细轴具有实用性。 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。 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。

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