微小型加工裝備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

顧佳超　徐恒斌　張文瀚

摘 要：隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，微小型加工裝備得到了廣泛關(guān)注。文章對微小型加工設(shè)備研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀進行了綜述，力求對微小型加工設(shè)備的研制提供一定的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：微小型；加工設(shè)備；現(xiàn)狀

微小型機械加工系統(tǒng)是目前世界上重要的先進性技術(shù)，這種橋梁技術(shù)實現(xiàn)了微觀加工制造領(lǐng)域與宏觀加工制造領(lǐng)域的相互連接，并作為了21世紀重點技術(shù)的發(fā)展方向，國內(nèi)外科研學(xué)者傾注了大量的物力，財力用于微小型加工設(shè)備的研究，并取得了一定顯著的科研成果[1]。其中，日本、歐美等發(fā)達國家在微小型加工設(shè)備方面的研究起步較早，并且有許多技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，為世界微機械制造技術(shù)的發(fā)展做出了卓越貢獻。相比之下，我國在微小型加工設(shè)備的研究方面起步較晚，但也取得了一定的科研成果。

1 國外微小型加工裝備的研究現(xiàn)狀

日本先進科學(xué)技術(shù)研究院（AIST）于1998年開發(fā)出了當(dāng)時被認為是世界上最小的微小車床，這臺微小車床的外型尺寸為長32mm，寬25mm，高30.5mm，其重量僅為100g[2]（如圖1），在這臺微小車床上裝備有一個刀架和一個微機電驅(qū)動主軸，其定位精度達到25nm，通過對步進驅(qū)動進給方式的優(yōu)化，實現(xiàn)了進給率為400μm/s的平滑進給，其主軸電機功率雖然僅有1.5w，但可實現(xiàn)最高10，000rpm的轉(zhuǎn)速。

2005年位于日本的NANO株式會社成功研制出了一臺小型的精密CNC加工機床[3]（如圖2所示），該精密機床的加工精度能夠達到微米級，并且已經(jīng)實現(xiàn)了商品化。

西北大學(xué)和伊利諾伊斯大學(xué)兩所大學(xué)院校共同研制出了一臺主軸轉(zhuǎn)速能夠達到200，000rpm，進給系統(tǒng)的分辨率能夠達到0.5μm的微小型車床[4]（如圖3所示），密歇根大學(xué)在此方面也進行了大量的研究工作，并成功的研制出了一臺能夠進行三維復(fù)雜曲面加工的微小型加工單元[5]（如圖4所示），這臺微小型加工單元的主軸驅(qū)動方式采用氣動渦輪機驅(qū)動，主軸的最高轉(zhuǎn)速能夠達到20，000rpm，主軸的回轉(zhuǎn)精度能達到1μm，其定位精度能達到0.5μm。

弗朗恩霍夫研究院（Fraunhofer Institute）針對應(yīng)用常規(guī)尺寸的機床加工微小型零件所出現(xiàn)的諸多問題，在微小型加工系統(tǒng)的研究方面進行了一系列的研究工作，并已成功研制出了微小型加工中心[6]（如圖5所示）。

2 國內(nèi)微小型加工裝備的研究現(xiàn)狀

在微小型加工設(shè)備研究方面我國起步相對較晚，但其發(fā)展卻相對較快，并有一些技術(shù)已處于國際領(lǐng)先地位。國內(nèi)有多家科研院所及高校開展了關(guān)于微小型制造技術(shù)方面的研究，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京理工大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，長春理工大學(xué)等一批高等院校取得了卓越的研究成果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的精密工程研究所于2007年研制出了一臺微小型超精密三軸聯(lián)動數(shù)控銑床[7]（如圖6所示），該機床的外形尺寸為300mm×300mm×290mm，主軸最高轉(zhuǎn)速達到了160，000rpm，主軸回轉(zhuǎn)精度達到了1，工作臺重復(fù)定位精度±0.25？滋m，位置精度±0.5？滋m/75mm，機床使用的刀具為進口刀具，最小直徑為0.15mm。

北京理工大學(xué)研制了一臺用于加工形狀復(fù)雜的微小型軸類零件的微小型車銑加工中心[8]（如圖7所示），該加工中心工作臺的重復(fù)定位精度為±0.2μm，進行車削加工時車削主軸轉(zhuǎn)速能夠達到8000rpm，進行銑削加工時銑削頭主軸轉(zhuǎn)速能夠達到60，000rpm。

多年來長春理工大學(xué)一直致力于超精密微小型加工設(shè)備的研究，并研制出了一臺三軸聯(lián)動數(shù)控銑床[9]，機床外形尺寸為400mm×400mm×500mm，主軸最高轉(zhuǎn)速達到60000rpm，主軸徑向跳動誤差為±1μm，工作臺采用滾珠絲杠精密滑臺，其運動精度為±0.4μm/100mm。

參考文獻

[1]邱峰.桌面式為小銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[D].長春理工大學(xué)，2009.

[2]Ehmann K F，Bourell D.WTEC Panel Report on International Assessment of Research and Development in Micro manufacturing [R].USA：WTEC，2005.

[3]Andrew G.Phillip， Shiv G. Kapoor，Richard E.DeVor.A new acceleration-based methodology for micro/meso-scale machine tool performance evaluation. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2006，46：1435-1444.

[4]Zinan LU，Takeshi Yoneyama. Micro cutting in the micro lathe turning system[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture. 1999（39）：1171-1183.

[5]I.Nieminen，J.Paro，V.Kauppinen. HIGH-SPEED MILLING OF ADVANCED MATERIALS[J]. Joumal of Materials Processing Technology. 1996，56：24-36

[6]Jong-Kweon Park， Seung-Kook Ro，Byung-Sub Kim，et al. A Precision Meso Scale Machine Tools with Air Bearings for Micro factory.2007.

[7]趙巖，梁迎春.微細加工中的微型銑床、微刀具磨損及切削力的實驗研究[J].光學(xué)精密工程，2007，15（6）：894-900.

[8]張之敬，金鑫.精密微小型制造理論、技術(shù)及其應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報，2007，43（1）：49-61.

[9]蔡美.微小銑床動態(tài)特性分析與優(yōu)化研究[D].長春理工大學(xué)，2010.

作者簡介：顧佳超（1988-），男，助教，碩士，主要從事機械設(shè)計制造與自動化方面的教學(xué)科研工作。