基于車銑復合加工的微小型結構件工藝研究

石文天，劉玉德，方澤平，李銀賓

（1. 北京工商大學 機械工程學院，北京 100048；2. 北京理工大學 先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081；3. 青島港灣職業技術學院，青島 266404）

基于車銑復合加工的微小型結構件工藝研究

石文天1，劉玉德1，方澤平2，李銀賓3

（1. 北京工商大學 機械工程學院，北京 100048；2. 北京理工大學 先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081；3. 青島港灣職業技術學院，青島 266404）

0 引言

隨著科技的迅速發展，微小型結構件廣泛應于微小型引信、微小型鐘表、微小型機器人、微飛行器等產品。此類微小型零件尺度微小，精度要求高，多為有一定強度的金屬等非硅材料[1]，零件具有三維幾何結構，即有復雜的結構形狀如臺階面、深孔、薄壁等，有較大的深寬比和長徑比。傳統微細加工技術起源于半導體集成電路制作工藝，在加工效率、加工質量、三維結構、材料多樣性方面顯得力不從心，尤其是微小型復雜、異型、高強度、多尺度金屬結構件的加工對微細加工技術提出了更高的要求[2]。

微細切削技術[3]作為傳統加工方法在微小尺度的延伸，融合了數控加工、CAD/CAM、微小型刀具設計、微小型精密檢測技術等新方法，符合微機械零件材料多樣化、結構三維化、功能復雜化、批量柔性化的發展趨勢而成為國內外研究的熱點和重點，在加工微小型零件，尤其是微小型結構件方面具有較大工藝優勢和成本優勢。

1 微小型結構件的工藝特征分析

微小型結構件一般是微小型產品的座體或本體類零件[4]，在本體類零件上還要進行其它微小型零件如微細軸、微小型齒輪、微小型板、微彈簧等的裝配。作為微機械系統的重要承載件，微小型結構件一般選用金屬、合金、復合材料等具有較高強度和硬度，能夠承受較大載荷甚至高過載，能在復雜環境工況下工作，具有耐磨、耐蝕、耐高溫[5]等特性要求的材料。

微小型結構件自身尺寸微小，加工困難，具有其它常規零件所不具備的工藝特征如較大深寬比、長徑比，有微槽、微孔、薄壁、臺階面等。相比較常規零件要求加工工藝性更強，不僅要保證零件的幾何形狀，還要保證各幾何形式的相對位置關系精度。作為裝配的基礎，其外形輪廓比較復雜，各定位表面較小，無法重新進行定位夾緊。如果不能一次裝夾加工完成，極易影響加工精度，甚至會致零件報廢，因此利用常規的車或銑等加工手段很難順利完成加工，采用一般數控機床加工也很難達到設計要求。

上述工藝特征要求微小型結構件的加工機床[6]具有以下特點：

1）加工尺度小：常規尺度金屬切削機床的加工尺度大，機床整體尺寸也較大，相比較而言，微小型結構件加工機床由于零件的特征尺寸較小，機床要進行小型化和微型化設計，便于夾持微小尺寸的刀具進行切削加工。

2）加工精度高：微小型零件自身的尺度較小，如果加工精度仍停留在常規尺度公差要求和精度水平[7]，加工誤差將影響微小型零件的宏觀尺寸，極易使零件報廢，故應將微小型機床的加工精度也提高到相應級別，使加工誤差降低到最低水平。

3）復合加工能力強：微小型結構件的局部工藝特征復雜，采用常規工藝無法一次加工完成，通常要采用多種工藝復合加工。一方面由于微小型零件的定位面和夾持面尺寸較小，無法進行二次定位裝夾，一方面為了保證零件的加工精度，需要一次裝夾完成，要求微小型機床的復合加工能力較強，具備車、銑、鉆、磨、車銑復合，甚至滾齒等功能，從而實現零件的完整加工[8]。

4）加工柔性好：受微小型結構件批量較小的影響，微小型機床的加工柔性要好，能快速調整加工工藝并對刀具進行合理配置，以適應多品種、小批量的微小型零件加工要求，實現柔性加工、快速生產的目的。

上述特點要求微小型零件加工機床自身尺寸小，剛性好，多軸復合，能實現多軸聯動加工，且主軸轉速較高，進給機構分辨率高，數控系統響應快，精度高，能夠具備在線測量，并監測加工過程等能力。

2 微小型車銑加工中心

微小型加工機床采用如圖1所示的微小型車銑復合加工中心，具備車、銑、鉆、磨和車銑復合加工能力，可實現大多數微小型零件的完整加工。車削主軸最高轉速8000r/min，可滿足一般微小型零件的車削要求，同時還具備C軸精確分度功能，并有主軸鎖定裝置對零件進行精確定位。

在車銑加工中心上，加工中心的刀具和電主軸可以進行合理配置。圖2即為此加工中心的刀具及電主軸配置方案。第一種方案可以在工作臺上安裝三個車刀刀座，進行車削加工時可有效增加刀具數量，提高切削加工的自動化程度；第二種配置方案將上一種配置中的車刀刀座替換為電主軸2，兩個電主軸均有60000r/min的最高轉速，使用較小直徑刀具時，能保證達到較高切削速度。

圖1 微小型車銑加工中心

圖2 刀具及電主軸配置方案

采用第二種方案，可以實現一次裝夾定位，進行車削、鉆削、銑削、磨削以及車銑復合加工等加工，配合車削主軸的C軸分度功能，能夠對零件端面任意位置進行加工，同時進行軸向車銑和正交車銑；機床采用FANUC數控操作系統進行控制，能提供精確的定位和控制要求；具備極坐標插補與圓柱插補功能；達到兩軸聯動、四軸可控。

3 微小型結構件的加工工藝

如圖3所示為某鐘表機構中的微小型結構件，從圖中可以看出，該結構件外形復雜，三維特征明顯，有多個臺階面用以裝配其它不同微小型零件，有直徑不同的孔，且孔與孔之間有相對位置關系和嚴格的精度要求，孔內需要加工出內螺紋進行其他零件的聯接，零件上有微槽并和其它工藝特征有相對位置要求。

微小型結構件加工工藝要求盡量減少裝夾次數、減少刀具使用種類，優化刀具運動路徑以避免機床驅動部分累積誤差，合理安排加工順序保證零件幾何精度和加工精度等。表1為該結構件的主要加工工序。

圖3 微小型結構件

表1 微小型結構件主要加工工序

加工出的樣件用體式顯微鏡觀察后，如圖4所示：

圖4 微小型結構件加工實物

由上述工藝路線可知，此類典型微小型結構件充分利用車銑加工中心的車、銑、鉆以及車銑復合加工功能，在車銑加工中心上一次裝夾即可加工完成大部分工藝工序，實現微小型了結構件的完整加工，節省了零件裝夾、定位找正、對刀和換刀的輔助時間，提高了零件加工精度和效率，而且可以根據零件種類和工藝特征的不同，快速進行刀具配置和加工工藝路線調整，實現了多品種、少批量的柔性加工。

4 結論

微小型車銑加工中心可以在一臺數控機床上對微小型結構件進行車、銑、鉆、磨、車銑復合等加工工藝，實現了微小型結構件的一次裝夾定位和完整加工。基于微小型車銑中心的復合加工，

通過減少裝夾次數提高了定位和加工精度，通過減少輔助時間提高了加工效率，可以快速調整加工工藝實現微小型結構件的柔性加工，是一種高效實用的加工方法。

[1]劉志兵, 王西彬, 解麗靜, 等. 微小型結構件的微細切削技術[J]. 工具技術, 2008, 42: 19-23.

[2]石文天. 微細切削的基礎理論和工藝方法研究[D]. 北京:北京理工大學, 2009.

[3]石文天, 劉玉德, 王西彬, 等. 微細銑削表面粗糙度預測與試驗[J]. 農業機械學報, 2010, 41(1): 211-215.

[4]劉克非, 劉海生, 李春平, 等. 微小型座體零件的車銑加工技術[J]. 機械工程師, 2007, 7: 16-18.

[5]劉漢良. 精密微細切削機理研究及應用技術[D]. 北京:北京理工大學, 2008.

[6]孫雅洲, 梁迎春. 微細切削與微小型機床[J]. 現代制造工程, 2005, 2: 112-114.

[7]石文天, 王西彬, 辛民, 等. 微細干車削硬鋁合金LY12的表面粗糙度研究[J]. 工具技術, 2009, 43(1): 39-42.

[8]劉克非, 張之敬, 周敏, 等. 復雜微小型零件的完整加工工藝分析[J]. 制造技術與機床, 2007, 7: 121-123.

Research on manufacturing of Micro structure parts based on Micro turn-milling technology

SHI Wen-tian1, LIU Yu-de1, FANG Ze-ping2, LI Yin-bin3

隨著產品小型化、微型化的發展趨勢，微小型零件尤其是微小型結構件的需求越來越廣泛，微小型復雜、異形、高強度、多尺度金屬結構件對加工提出了更高要求,基于車銑復合加工的微細切削技術在加工微小型結構件方面有獨特優勢。首先對微小型結構件的工藝特征進行了總結和分析，指出微小型結構件加工機床的工藝特點，然后介紹了微小型車銑加工中心的結構布局和工藝能力，并對典型微小型結構件的加工工藝進行了試驗研究，結果表明：基于微小型車銑加工中心，采用車、銑、鉆、車銑復合工藝加工微小型結構件，能夠一次裝夾定位實現完整加工，提高了加工精度和加工效率，通過快速調整加工工藝，能夠實現微小型結構件的柔性加工，是一種高效實用的加工方法。

微小型結構件；微細切削；車銑復合；完整加工

石文天（1980－），男，山東章丘人，講師，博士，主要從事先進制造技術、微小型加工技術及微細切削技術的研究。

TG506

A

1009-0134(2011)4(下)-0039-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).12

2011-01-17

國家自然科學基金資助項目（50875026）；北京工商大學青年教師科研啟動基金資助項目；北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目（PHR201106110）