精密微细铣削工艺——机加工前沿技术

2021-07-29 《Advances in Manufacturing》2021年第9卷第2期

微细铣削是一种精密制造工艺，由于其在各种材料中的通用性、性能、经济性和效率，在生物医学、电子、航空航天和航空工业中有着广泛的应用。特别是，微铣削工艺非常适合于在微域中对高长宽比的模具原型进行非常精确的加工，以及快速的微变形和微模塑加工，这在不久的将来将在生物植入物制造中具有重要的意义。然而，当铣削被缩小到微域时，机械加工固有的物理过程约束就产生了。这导致了微铣削过程中的一些物理现象，如切屑形成、尺寸效应和加工不稳定性。本文详细介绍和讨论了这些动态物理过程现象。从过程输出的角度详细讨论了微铣削过程输入的最新研究，以确定如何改进整个过程。此外，还介绍了将传统微细铣削技术与其它技术相结合的新工艺，这些新工艺在减少与物理过程现象有关的问题方面具有很大的应用前景。最后，讨论了这种多用途精密加工工艺的主要应用，并对如何进一步拓宽其应用范围提出了重要见解。

关键词： 精密加工   微铣削   尺寸效应   挠度   刀具磨损

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国内研究情况

近些年来，沈阳理工大学在微细铣削加工和微细车铣切削技术方面开展了一些研究。在微小铣削机床上完成了微细铣削AISI D2 模具钢的切削试验，研究了各切削参数对已加工表面形貌和切削力的影响程度及变化趋势。结果表明，每齿进给量对表面形貌和切削力影响较大，而轴向切削深度和切削速度影响次之。在微细铣削工件表面上由于塑性变形所产生的微小突出物是微细毛刺[19-20]。沈阳理工大学在车铣加工技术的基础上完成了WCH-I 数控四轴联动微细车铣切削机床设计和开发的研究。其气动铣削主轴转速为150000r/min，旨在实现高速微细车铣切削微小型细长轴和具有复杂型面的微小型零件。与大中型超精密机床相比，该机床具有体积小、易控制加工环境、成本低等特点。

北京理工大学采用传统的车削方法和先进的车铣方法进行了微细轴的切削加工试验, 验研究在自主设计的具有结构优势和加工特色的“微小型车铣复合加工中心”上进行。首先将这一技术应用于微小型零件的加工[21]。该中心能独立完成车、铣、镗、磨、钻削的任务，同时还能实现独具特色的车铣加工功能，从根本上解决了车削时线速度太低的问题，能实现微细轴类零件正常的切削加工甚至高速切削加工[22]。另外，哈尔滨工业大学[23-24]、南京航空航天大学[25-26]、北京航空精密机械研究所[27]、清华大学[28] 也针对微小型切削机床开展了积极研究

山东理工大学高精密微细铣削加工关键技术研发与应用

发布者：张传滨

高精密微小几何特征零件在航空航天、国防、医疗等领域的产值已超过千亿美元。目前，我国主要用传统设备对这些零件进行微细铣削，存在着精度低、耗能高、占地空间大等突出问题。另外，超精密微细铣削设备依赖进口，价格昂贵，且高端超精密微细铣削设备还对我国禁运，严重阻碍了我国高精密微小几何特征零件的精密加工与相关应用行业的发展。通过本项目高精密微细铣削加工关键技术研发与应用，解决了以上突出问题，取得了高精密微细铣削加工关键技术与装备的重大突破，打破了国外技术封锁。创新研究成果如下：

1.发明了系列超精密微细铣削机床，提出了小型超精密微细铣削机床创成式精准设计方法，解决了超精密微细铣削机床的创新研发问题。与国内目前用于微细铣削的主要加工机床相比，精度提高了一个数量级、节约了70%的能源和75%以上的占地空间。

2. 发明了系列微细球头铣刀，切削部旋转包络球面直径为50μm～1000μm，前刀面与后刀面均为直纹面，从原理上保证了切削刃轮廓制备误差≤±2μm。提出了微细铣刀的直纹面组合设计方法，研发出了其制造关键技术，解决了超硬微细铣刀的创新研发问题。

3. 发明了微细铣削用工件姿态微调整装置，工件上表面调整精度达1.7μm，减少了超精密微细铣削时40%的工件调整时间。提出了微细铣削工件姿态微调整夹具设计方法与技术，解决了工件姿态微调整夹具装置的刚度与阻尼优化匹配的问题。

4. 提出了微细铣削的微观关系模型与微细铣削临界工艺参数分析优化方法，解决了塑性材料微细铣削尺度效应所对应临界条件的判定、硬脆性材料塑性切削判定准则不统一的问题，为超精密微细铣削装备研发与应用提供了关键支撑理论与技术。