水果清洗机设计【全套设计含CAD图纸、SW三维模型】
材料加工技术 167(2005)515-528应用超精密机床的设计制造的小型和微型元件摘要:目前,潜在的必需品的可预测性,产能和生产力的基本生活必需品大问题仍然在超精密加工的微型/微型产品上。快速的需求和经济制造形状复杂的小型/微型产品在超精密机床设计也提出了新的挑战。在本文中,超精密机床的设计介绍描述其关键的机械元件和机床设计程序。重点是审查和评估国家的最先进的超精密加工工具。这也说明了微型/微型产品的应用前景。指出了机床开发,模具,工件材料和加工工艺的发展趋势。关键词:超精密机器的设计;超精密加工;小型和微型元件制造;三维微观结构和设备;台式超精密机1 介绍它被广泛称赞,精密制造的发展极大地改变我们的生活,提高人民生活水平方面。制造精度高,不仅提供常规产品的质量和可靠性,但也使得可能的全新产品,尤其是在机电一体化,小型化和高性能是重要的。令人印象深刻的例子是数码相机,手机,微创医疗器械作为生物技术或化学处理设备。高功能密度和减少尺寸和重量,使小型和微型产品更具竞争力。作为结果,小型和微型元件和产品的市场保持了高增长的潜力。最近已经出现了新的要求,在制造微型/微型产品,如三维复杂形状或自由曲面的微观结构和组件的制造。据发现,这些微观结构具有一些特殊的功能,包括导光,抗反射和自我清洁等的微观结构将进一步提高性能,实时三维微型结构和自由曲面的制造小型和微型。此外,真正的 3D 微型结构和自由曲面的加工也带动多种功能于一体,产品的集成。目前,MEMS 是微型元件的主要动力之一。硅是一种 MEMS 或微古典材料,但许多其他材料也同时出现了越来越多的应用领域,这是成为微电子产品.例子有关,作为一个新兴的 MEMS 应用领域的生命科学需要玻璃,陶瓷金属和塑料,而不是作为唯一的硅原料的微型元件。虽然传统的机械式超精密加工已被用于制造小型和微型组件/产品的一个重要手段,它仍然在制造微型/微型产品的可预测性,可生产性和生产力的大问题,特别是对于那些小型和微型元件/与复杂的表面形式/形状的产品。超精密机床的设计和加工技术,将不得不进行更改,以便实现快速和经济的制造,并确保这些组件和各种工程材料产品的机器和技术方便更广泛的受众(包括中小型企业)精密工程。在本文的重点将是超精密机床的设计,特别是小型和微型组件/产品的制造。设计准则机及其关键要素,将和市售机开始严格审查。微捏造的应用将说明和设计替补型超精密机及其应用,将进一步探讨。这些论文将结束了在学科领域的未来发展趋势的讨论。2 超精密机床的设计图 1 说明了一个三轴超精密铣机(芬欧汇川),设计和建立在亚琛的 IPT3。至于其他的超精密机床,它包括四大子系统。他们是机械结构,主轴及驱动系统,控制器和系统,测量和检验系统。这些子系统是必不可少的,即使是在模具及加工技术也同样重要的。2.1机械结构机械结构包括固定和移动机构。固定机构包括机底座,立柱和主轴箱住房等,它们通常都带有移动的物体,如工作表,幻灯片,纱锭和车厢。结构设计是至关重要的,因为一台机器的结构提供了机器的所有部件的机械支撑。当考虑在机械设计作为一个系统的背景下,一些主要的设计问题,包括 4:刚度和阻尼;结构配置;结构连接;结构的动态性能(如热稳定性和响应外部势力)。与移动轴和运行的稳定性的正常运作方面的结构设计将遵循以下原则:结构性高环刚度:结构循环包括主轴,轴承和住房,滑道和车架,驱动器,刀具和工夹具。所有的机械部件,并在传播路径中加入从驱动器中的反应来看,如最终效应(刀具)或重心,必须具有较高的刚度,根据负载变化 5,以避免变形。良好的阻尼性能,这可以通过选择机床导轨材料高阻尼能力的材料或结构的空腔填充铅粘性和质量阻尼或质量阻尼混凝土杆和油。如剪力板和调谐质量阻尼器的一些方法,也可以应用到潮湿的结构 4。对称性和闭环结构配置:“T”型配置普遍用于超精密车削和研磨机。近日,在英格兰的不良贷款提出了一种新的四面体结构已被应用在超精密研磨机 Tetraform 的 C。它采用闭环进行所有负载的内部阻尼的空间框架。设计产生非常高的静态刚度,加上出色的动态刚度 6。热弹性结构的循环:最大限度地减少空间热梯度系统的影响,使系统迅速达到和保持一种稳定的平衡。最大限度地减少热变形:通过使用控制技术的补救办法,而不是结构设计的角度来看,减少热变形。该方法包括分离机和流程的热源,迅速驱逐机内产生的热量,并保持使用的液体在一个恒定的温度,使用零或低的热膨胀材料热去除。在 LLNL 开发 LODTM 采用一些巧妙的方法,消除热相关的错误。例如,LODTM 是封闭在一个容器内的空气温度保持在 200.010C。测量帧从 Superinva 和壳中的水保持在 200.001C 被分发覆盖。为主轴轴承的外壳采用了冷却水的导体,在温度控制水发给删除之前,它会导致过度变形,轴承产生任何热量。由于采取了这些措施的结果,由于热变形在 24 小时内的最大漂移小于 25 纳米 4。隔离:环境影响封闭加工环境是必不可少的隔离来自外部周边机器的情况下的干扰,例如:从地板的震动,波动的室温,热转移7从其他机器,浮尘等。机床材料的选择是在确定最终的整机性能的关键因素之一。很多标准,可以考虑,包括稳定的时间,比刚度,同质化,制造难易和成本等 5。铸铁和花岗石是最广泛用于机器的基础材料和滑道,因为其良好的耐磨性,低的热膨胀,低应力引起的变形和高减振能力,尽管在过去几年有越来越多的使用聚合物混凝土花岗岩的缺点是,它可以吸收潮湿,所以它在干燥的环境中使用。对于这个原因,许多建设者用环氧树脂密封的花岗岩。为了获得高阻尼能力和刚性,重量轻,聚合物混凝土的普及,特别是一些精密仪器小规格机床。在某些应用情况下,较低的热膨胀系数和高维稳定的结构材料已使用在那些超级因瓦,合成花岗岩,陶瓷和,ZERODUR 8。图 1超精密铣床原理图.2.2.工作主轴主轴是精密机床主轴运动误差的关键因素,因为将有显着的影响表面质量和加工components.The 最常用的精密机床主轴的精度空气静压主轴和静压主轴。它们都具有高运动精度和高转速 speed.An 空气静压主轴低于油水压的刚度主轴,但低于油静压主轴的热变形。静压主轴广泛用于中小负荷能力而静压主轴往往在大型重载精密机床在机床应用。近日,槽技术已被用于在空气轴承的设计。沟槽的混合空气轴承结合了空气静力和空气动力学的设计原则,以优化超高速性能。静压电梯喂养加压空气轴承在传统的轴承设计 9通过孔板节流产生的。气动升力控制的额外螺旋沟槽到轴的加工,或轴颈表面。在轴承凹槽的好处包括显着改变轴承内的压力分布和提高承载能力和刚度。槽也改变轴承的空气速度梯度影响的旋转不稳定的基本机制,通常会提高门槛燕麦从不稳定发生 9。图 2 显示了空气轴承主轴的 IPT 弗劳恩霍夫,飞利浦,蔡司和克兰菲尔德大学精密芬欧汇川 10。结合外部加压型轴承,最高转速 100,000 rpm 和 30 N / m 的径向刚度与总运动误差小于 100 nm10在径向方向取得的螺旋槽技术。空气轴承导轨,空气/磁轴承滑道,油静压轴承滑道和空气轴承转台被广泛使用,因为他们在国家的最先进的超精密机床是高的议案的精确性。静压轴承的能力,通常用在因为他们的高负荷能力的大型机床,虽然额外的抽水系统,环境和散热问题需要考虑。图 2.芬欧汇川混合空气轴承铣削主轴.2.3.驱动器分为机床主轴和进给驱动的运行机制。主轴驱动器提供足够的角速度,扭矩和功率磁性或空气轴承主轴住房持有一个旋转的主轴。电动交流电动机和直流无刷电机的高速主轴始终建成主轴,以减少由主轴电机联轴器产生的惯性和摩擦。空气涡轮主轴也适用于超精密机床。压电致动器是一种短行程执行机构。这是非常有前途的应用在转盘驱动和导轨的驱动器,因为其高的议案精度和广泛的响应带宽。目前,压电陶瓷驱动器已应用于设计的优良工具定位为了获得高精度的议案刀具。结合机械柔性铰链的压电致动器经常被用于定位控制的钻石刀具。最近,快工具伺服(FTS)系统已经推出,如激光反射镜的结构和非旋转对称表面金刚石车削部件和产品,眼科镜片和镜片模具等 11。直线电机直接驱动和摩擦驱动两种超精密机床工具.Friction 驱动器上使用的长冲程驱动器是非常可预测和可重复性,由于规定水平的预紧力,在静定轮接触,从而在光滑的表面加工光学优越。摩擦驱动器之一,是很好的应用与摩擦轮驱动为 X 轴,形状精度小于 0.2 m/100mm 作为实现对芬欧汇川 11。直线电机驱动器可提供系统设计者一个优雅的替代它们产生的直接直线运动,因此消除了转换机制,如需要作为导致刚度,加速度,速度,平滑议案,准确性和可重复性方面可能更好的性能,螺丝,皮带传动和齿条和小齿轮,等 28。2.4.控制控制子系统包括电机,放大器,开关和激发在一个受控的顺序和时间的电气部件所使用的控制器。高速,多轴 CNC 控制器是必不可少的有效控制,不仅在轮廓的高精度位置环同步伺服驱动器,但也热和几何误差补偿,优化工具设置和形状方程(避免冗长的后处理直接进入)8。应用反馈控制的决议控制在纳米甚至亚纳米尺度可以得到的。利用先进的基于 PC 的控制系统将在未来的发展趋势是低成本的超精密机床。2.5.计量和检测系统计量和检测系统是超精密加工的基础上,在工业上得到广泛应用。另一方面,更高层次的计量和检测精度保证,也是对未来工程行业要求的精度更高的驱动超精密加工。快速,准确的定位刀具对工件表面和监测工具条件由操作者的视觉,应纳入检查制度,尤其是上线运行的目的。激光计量纳入机床被广泛用于饲料和位置控制在该决议纳米或亚纳米级水平。电容计,线性可变差动传感器(LVDT)和 photoeletronic 传感器通常是在小的工作距离的纳米位移检测 8。在这里,它采用激光的干涉测量系统如图 3,作为一个案例研究。刀尖必须精确图 3 建设 LODTM 表面滑动位移测量装置:(1)上光学框 3 干涉仪在真空系统;(2)探测器(三),(3)分光镜(4)摆动镜(5)波纹管,真空系统内的 6 个地点;干涉盖(6)(4)和探测器(4)内;(7)梁盖(8)光学台(9)Z 轴直尺(10)X 轴直尺;(11 激光光学单元)晚餐(12)SP125 氦/氖激光(13)氦/氖激光与稳定碘(14)中的 X 和 Z 方向的反馈平衡。为了满足阿贝原理图,激光干涉仪。 3 用于刀具位置控制。为 X 方向,一双的直尺,一个工具栏的每一侧,作为运动学引用。要测量的位置在 X方向,两束是针对每个直尺(即共四梁)。工具栏使用上下激光俯仰角误差被纠正梁,而平均测量值来自双方是用来消除轴对称造成的错误框架 12扩展。在 Z 方向的测量工具的高度,1 针对激光束对一双的直尺平行运动平衡和镜表(尽可能靠近底部的工具栏尽可能的刀尖)第三,在 Z 方向的激光束测量工具的位置。早期的激光束对在 Z 方向是用来消除错误的工具栏 X 轴旋转 12。除了纳入阿贝的原则,这种激光干涉仪具有精度高的另一个特殊的设计测量,即激光束管道包含一个真空 12。图 3.建设 LODTM 表面滑动位移测量装置:(1)上光学框 3 干涉仪在真空系统;(2)探测器(三),(3)分光镜(4)摆动镜(5)波纹管,真空系统内的 6 个地点;干涉盖(6)(4)和探测器(4)内;(7)梁盖(8)光学台(9)Z 轴直尺(10)X 轴直尺;(11 激光光学单元)晚餐(12)SP125 氦/氖激光(13)氦/氖激光与稳定碘(14)反馈探测器。2.6.超精密机床的主要特点超精密机床的主要特征被列为:高环刚度,固有频率高和良好的阻尼特性的工具机结构;高的热稳定性和机械稳定性;低震动;轴;运动精度高;控制精度高。2.7.超精密机床的设计过程正如图所示 4 超精密机床的设计要求五个基本步骤:任务的定义,概念设计,布局设计,详细设计和设计后续 4,但完整的设计过程中,总是反复的,并行的,非线性的,多学科和不限成员名额,任何创新和理性思考和任务定义提高的目的是,以确定本机的功能和规格。超精密机床的功能要求可能解决几何学,运动学,动力学,电力需求的考虑,材料,传感器和控制,安全,经济生产,装配,质量控制,运输,维护,成本和日程等,在这个阶段,它需要进行评估的国家的最先进的技术,使设计更加竞争力和成本是合理的。几个规格迭代后,将确定最终规格。以下的概念设计,机械设计的创新是非常重要的。脑力激荡是最通常被认为产生概念设计的方法4。在这个阶段这是由运动学分析,热机械分析,可以提出几个设计方案静态分析,动态分析和控制系统的分析。分析的结果,连同错误的预算和成本估算,将被用于检查一致性机器的规格,并最终选择最佳的设计方案。一旦完成概念设计的设计方案可以制定详细的设计。在详细设计阶段,它将完成机械系统设计,控制器,传感器和电子系统,电气,液压和气动支持系统的设计。详细设计完成后,仍有许多工作需要做为了使设计的成功,包括开发测试和用户的支持方案,更新设计和文件等。 4。的应用需求和应用于模具和加工技术的不断投入到设计过程中。3. 目前的超精密机床本节将简要介绍几个商业提供典型的超精密机床,光展示最先进的超精密机床的状态在同行业中应用的工具。3.1.金刚石车床单点金刚石车削一直稳定性好且使广泛的非铁金属,晶体和聚合物制造技术。 nanotch350 转换发光(摩尔纳米技术系统有限公司)和 NANOFORM“350(Precistech有限公司)是两种广泛使用的金刚石车削机 350 毫米摆幅能力。在这里,作为一个例子 NANOFORM 350 转换发光解释其特点.这种两轴超精密车床的特点是“T”型轴配置。正如图所示。 5 x 滑动沿 X 方向移动,主轴箱,而金刚石刀具沿 Z 方向移动,由 Z 幻灯片 13,是建立在机器底座和垂直两个幻灯片给对方。他们也都在同一高度,从而提高运动精度。 350 纳米转换发光采用高刚度静压导轨,国家的最先进的线性与正弦驱动放大器和 6000 转速重型槽补偿与长期热稳定性的液体冷却空气轴承的工作主轴电机14。随着纳米技术在电光学 350UPL 组件,航空航天,消费电子和计算机产业可以被加工表面光洁度好(在几个纳米)和形状精度高(几十纳米)。上转换发光纳米 350 可选磨光学元件和微粉磨直接系统在非金刚石切削材料磨镜片模具金属和陶瓷等。3.2.金刚石研磨机金刚石砂轮允许获得更多的材料,比金刚石车削。它是有能力制造了一系列包括光学玻璃,晶体,有色金属材料,聚合物和陶瓷。纳米 500FG(摩尔纳米技术系统有限公司)是一个典型的多轴金刚石砂轮机。它是能够产生任意形光表面(包括非球面和非轴对称)在 250 毫米脳 250 毫米脳 300 毫米加工形状信封。正如图 6 所示,纳米技术 500FG 有三个线性轴。他们是独立安装的 X 和 Z 轴用淭配置和 Y 轴安装的组成部分Z 轴,以消除鈥渟上涨鈥轴。滑道刚度为 350 牛顿/米。工作主轴的运动精度是低于 50纳米。回转工作台(B 轴)被用来进行磨削主轴。当更换磨削主轴用金刚石工具,机器也能转动操作 15。纳米 500FG 能够生成组件非轴对称和轴对称的几何图形,如球面,非球面,圆柱形光学,锥形几何;镜头和模内镶件,F- 镜片,非球面镜片和镜衍射元素;多边形和棱镜 15。为了追求更多的刚性结构,超精密磨床鈥摈 icoAce 机新型锥体空间框架结构的载入点有限公司委托最近。 PicoAce 移平磨适合或凸工作台面最大脴 305 毫米直径的或暴跌的平面磨削最大直径脴 200 毫米。一般安排 PicoAce 如图 7 16,主要机元素:杯形砂轮磨削主轴,旋转工作台上,X 和 Z 轴导轨安装在一个闭环结构。结构需要金字塔形帧的形式固定了坚实的矩形基地。杯砂轮主轴有一个垂直的轴和安排在圆柱 滑道滑动定位在基地集中。砂轮主轴的下方直接是转台安装在 X 轴的旁边。有了这本小说结构的静态 PicoAce 环刚度为 100 牛顿/米垂直方向。取得高 1 NMIS 议案的决议在 Z轴。它可以产生光学品质表面光洁度硬而脆的一系列地下损害低水平材料 16。为了追求更多的刚性结构,超精密磨床摈 icoAce 小说锥体空间框架结构的机器被载入点委托 Ltd.recently。PicoAce 是适合移动平或凸的工作表面磨削脴 305 毫米直径或暴跌的平面磨削的最大的脴 200 毫米,最大直径。一般安排 PicoAce 如图.7 16,主要机元素:杯形砂轮磨削主轴,旋转工作台上,X 和 滑道安装在一个闭环结构。结构需要一个金字塔形状的形式固定了坚实的长方形基地的框架。杯砂轮主轴有一个垂直的轴,并安排到集中在基础定位在一个圆柱形 滑道上下滑动。砂轮主轴的下方直接是转台安装在 X slidway。随着这种新型结构的静态 PicoAce 环刚度是在垂直方向的100 牛顿/米。 Z 轴达到 1 NMIS 高的议案的决议。它可以产生一系列硬而脆的材料 16地下损害低水平光学质量的表面光洁度。图 5. 350 纳米转换发光 .3.3.微型铣床库格勒 MICROMASTER 的 MM是一种高精度数控五轴铣床。据在亚琛 andKugler 有限公司开发,以满足特殊的要求和微加工和机械微小结构的要求弗劳恩霍夫的 IPT。其配置如图 8.MICROMASTER MM 是配备静压直线导轨的刚度和阻尼特性的改善。两个幻灯片(X 和 Y)是由直线电机驱动,以避免进给驱动系统和运动部件之间的机械耦合,高分辨率的线性表纳入这些轴。两个附加旋转轴(B 和 C 轴),使一个真正的五轴铣削机器上进行的 3。图 6.纳 500FG 米技术. 图 7.PicoAce 研磨机.本机的基础上细粒花岗岩,确保最高的长期稳定。气动振动绝缘系统是用来有效地抑制频率振荡5 Hz 的范围内。根据选择加工主轴和工具,各种有色金属,硬脆材料可以加工精度高。任意可编程数控控制过程序列和加工路径,也使制造几乎微观结构和自由曲面光学质量 17。FANUC Robonano 0iA 另一家知名的 5 个轴的铣床。机器配置如图 918.回转工作表(Baxis)进行在 X 轴。幻灯片是垂直运动,这招 20 毫米。 幻灯片可以切割系统在正常 X-Y 平面方向移动铣床。 罗伯安机的特点在平移和旋转轴采用气体静压轴承无摩擦伺服机制。空气静压导轨连接通过空气静压丝杠的浮动螺母滑机制。一纳米定位和流畅的饲料,实现了由 64 万脉冲编码器和空气静压轴承交流伺服电机。另一个的罗伯安机的特点是高速空气涡轮主轴和高精度夹持机制。在罗伯安钻石铣刀机高速空气涡轮主轴,由空气驱动,设置在 B 或 C 轴表。涡轮叶片和主轴的径向两端一边是从气体静压设备支持是建立在细微控制尖端的位置,主轴及支架之间。由于涡轮机驱动器只能在一个狭窄的范围内发展的有用功率该机采用三锭涵盖广泛的速度范围内(20,000-100,000 转)。罗伯安机已应用于三维精密机械加工和光学模具制造(模具光栅和非球面镜片) 18。图 8.MICROMASTER MM 五轴铣床.图 9.robonano0iA 和其运动轴布局.图 10.microproducts 应用市场3.4.超精密机床的主要规格工具超精密机床的主要规格上文所述的工具列于表 1。数据表 1 中列出的信息提供了一个良好的比较设计,规格,应用及特点市售超精密机工具。4.微型和小型产品中的应用图 10 说明了有前途的应用领域微型和小型产品和微 19。它还预计,微型产品将有越来越多的应用周围世界之窗。这是非常有趣地看到,IT 外设仍然是微型产品的最大市场。在 2005 年,微型产品的总营业额预计达到美国$ 38 亿美元,这是总营业额的2 倍在 2000 年。可应用于超精密加工散装硅加工,计算机铝基板内存磁盘等,在其他地区,如生物医学,汽车,家庭和电信总微产品的失误仍然稳步增长。超精密加工也是非常有前途的生产传感器,加速度传感器,执行器,微反射镜,纤维光学连接器和微显示器。虽然到 2006 年,预计将失去其主导地位,由于新基于 MEMS 技术的应用,如生物技术行业和通信(光纤和射频开关,例如,将成为一个主要的增长区域) 20。 “微型产品通常是一些集成产品子,机械部件和光学部件,而在小型或微型的尺寸。事实上,只有少数微型产品完全依赖电子产品。机械具有重大意义的微型光学零件产品。图 11 明显的失误,机械和光学部件在总占主导地位微型产品的营业额。它提供了信心,超精密技术市场的身影,甚至采取考虑到科技产品的不可预见的未来的应用,会很高。因此,纳米/微米加工趋势将是微机械和光学制造复杂的几何特征的组成部分(自由格式和微观)和其复制模具。主要的小型和微型产品将是 MEMS,机械元件,光学器件,微型模具和模具和其他3D 微设备等。MEMS 仍是一个微型产品的主要推动力。微加工提供一个符合成本效益的解决方案为低批量生产或 MEMS 的原型,因为没有昂贵口罩是需要的。它也可以用来制作三维复杂 MEMS 的大规模生产的口罩。图 12 说明硅片结构。将导致的微观结构通过增加表面活性,在太阳能电池的效率,增加多次反射光(光陷阱) 10。图 11 microproducts 学科的应用市场图 12.硅片结构 图 13.地面球形端面光纤连接器超精密加工,可以有效地制造微机械部件,如微型传感器(压力,流量和天然气),微致动器,微电机,微泵,微阀,编码器的磁盘和光纤镜组机械部件,等等。图.13显示了一个球形端面对光纤连接器,这是地面用树脂结合剂金石磨轮 21。平均表面粗糙度 Ra 为 6.9 nm,而在光纤连接器上的面积地面套圈表面粗糙度(氧化锆)30 纳米。使用单点金刚石车削金刚石砂轮许多微光学元件,可以加工高形状精度和表面光洁度好。这些光学组件包括微光学元件,如相机镜头,CCD 镜头;自由形式的光学如眼科镜头,扫描仪镜,棱镜反射器用于路牌,警告标志和服装,手机,TFT 面板显示器,等图 14 显示了表面结构的一面镜子,通过快速转身刀具超精密车床的伺服 11。表面的镜组成的旋转对称的一部分其中 1 非旋转对称的 90 面表面的叠加。镜子是用来作为一个集成光学加强在高功率激光器的光束质量 11。单点金刚石的不可缺少的优势车削,微铣削和纳米研磨适用于大规模生产的光学和三维复杂形状/形式的微模具,模具,压花模具制造机械零件。事实上,这应该是微焦点加工。据预计,将微加工集中用于中压模具制造注塑模具。图 15 显示了注射成型招商引资的工具加工微型铣削 22。 “模具材料淬硬钢(54 HRC),其位置在工件公差的形式是卤 5 米,表面完成镭0.25 中号。最小的铣刀直径是 0.2 毫米。总的加工时间是 50 分钟 22。图 14.快速转动工具:多方面的积 图 15.注塑模具制表.分镜激光束整形.5.制造小型和微型产品的发展趋势加工精度高,表面质量产生取决于机床的精度,模具,工件材料这同样适用于操作因素小型和微型元件和产品的制造。 5.1.超精密机床的发展趋势在超精密加工的发展趋势将被削减加工的成本,同时保持较高的精度。然而,迄今为止最微加工使用常规进行尺寸超精密机床。这当然会增加的投资和运行费用,这使制造业中小企业很难获得高附加值技术/业务。特别是在发展超精密工作台型机床及相关的纳米微细加工技术可能会导致更广泛地应用超精密在制造加工技术及其应用小型及微组件产品。型台式机的好处可能包括:机生产成本低;狭小的空间和能源效率;缓解局部环境控制(温度和振动等)和友好,因而运营成本低;实惠的制造技术图 16.一个替补型微型铣床的设计布局.图 16 说明了一个台式的微细机,目前正在由作者开发的欧盟 MASMICROproject 支持的设计布局 30本机旨在制造小型和微型元件在各种工程材料,如:(1) MEMS(硅)复杂的微观结构和微沟槽。(2) 光学元件(玻璃,聚合物,铝)复杂形状或自由曲面光学(透镜,反射镜,棱镜)和镜头百叶窗,显示器,光指导微观。(3) 医疗元件(聚合物,玻璃)隐形眼镜牙科。(4) 机械部件(铝,钢)微型传感器(压力,流量,气)光纤的机械部件(过滤器,波片)。(5) 模具(高强度铝,铜合金,钢)模具光学镜头和光纤元件反射箔模具。图 17.一些小型和微型元件图 17 显示了一些上面列出的小型和微型元件。5.2.模具金刚石刀具超精密加工中被普遍用于高导热,高硬度和耐磨性和高弹性和剪切模量,减少加工过程中刀具变形切割钻石晶体结构,可以产生非常锋利的切削刃。现在在几十尖端纳米可以实现的。此外,用于车削的专用工具,可能需要一些复杂的表面。一个例子是半半径钻石刀具大型加工步骤衍射镜子。边缘锐度是加工表面质量的关键。钻石微铣削可用于加工的微观结构。在弗劳恩霍夫的 IPT 金刚石立铣刀的直径 300米已被用于制造微沟槽。一个可调的钻石球头立铣刀用于制造曲面几何光学表面质量 3。如果一个光学表面质量不是必需的,其他类型的工具可以使用。正如图 18 所示.微铣刀直径 0.2-1.5MM 碳化钨直径。很多工作也已进行开发的 CVD 涂层更好的耐磨性和改善热性能等 24。图 18.微铣削工具 图 19.CVD 涂层磨料铅笔纳米磨削用金属结合剂或树脂结合剂金刚石砂轮,CBN 砂轮,已被广泛应用于制造的玻璃或陶瓷光学。眼镜的纳米金刚石研磨的理论和实验研究表明,平均晶粒尺寸的车轮是最重要的因素,影响加工表面粗糙度。如果小于 10 米,平均晶粒尺寸的车轮磨韧性模式的光学眼镜可以获取和很好的控制过程中的裂纹将被删除 25。最近,一些工作已经进行单一或多层,微磨料工具的使用 CVD 涂层。图 19 显示了一个非常小的巩固与化学气相沉积层 26硬质合金柄涂层磨料铅笔制造。这些微磨料工具的主要优点是灵活的形状和大约 2“M 3小钻石晶粒尺寸。因此韧性研磨模式可以实现。使用这些工具的不同硬而脆的材料,如硅,氧化铝,陶瓷和玻璃已成功实现 3高表面质量的接地。在微加工的最小特征尺寸是有限的工具的大小。有了这样一个商场工具的机械稳定性微型工具本身将成为维持的关键产品的精度。因此,在研究趋势微型工具似乎是:为最大限度地减少微模具制造方法;微型模具的几何和涂层性能的优化,以提高刀具寿命和精度的过程;刀柄平衡以及微型工具设置设备;微加工特性(特别是可加工);工具,在这个过程中的状态监测。5.3.工件材料工件材料的性能将在微细加工中发挥的重要作用。在工件材料研究的趋势将是:尺寸效应和微加工过程中的微观结构的影响。各种工程材料和新型复合材料,如玻璃,陶瓷,金属,塑料,聚合物和碳纤维复合材料,可加工性。工作举行,即刚性夹紧工件的内最低的失真和难以处理的小型和微型,小型部件 8。5.4.加工工艺微加工力学,热学和化学的加工接触区的负荷影响。它需要建立一个较完整的理解生成的表面加工工艺和质量上的负荷。此外,微加工工艺,已成为经济合理和大规模生产的方法进行调查。在加工过程中的研究趋势,但不限于:多尺度建模方法(有限元分析与分子动力学模拟相结合)为更好地理解的过程和表面生成 27,29。优化加工过程和它的变量。控制在加工工艺方面的产能,效率和可预见性。6.结束语小型和微型产品的市场,尤其是对那些与微观结构和自由曲面,小型和微型产品市场保持较高的增长潜力。可以利用传统的机械式超精密加工,在一个更可控的方式制作复杂形状的小型和微型元件和产品。超精密加工中不可缺少的优点是它适用于制造三维复杂组件/设备,包括微型模具,模具,压印模具的光学和机械部件的批量生产。它还提供了一个更具成本效益的解决方案,小批量生产或 MEMS 的原型。加工精度取决于机床的精度,刀具,工件材料和操作因素。超精密机床的性能取决于精度的关键要素,包括工作主轴和运动轴。替补型超精密机将是未来的发展趋势之一,因为它们可能使小型和微型产品经济和超精密加工制造业中小企业更广泛的观众可以负担的技术。努力也将需要进行微模具制造方法,处理过程中的微型工具和组件,工具和组件,控股和夹具,刀具状态监测。为了更好地理解的 MICO 加工过程中还需要可加工各种工程材料和多尺度建模方法的研究。致谢笔者想感谢的合作伙伴,在欧盟第六框架的 IP MASMICRO 财团/项目(合同编号:NMP2-CT-2004-500095-2)和有效的讨论,特别是在其 RTD 的 5 个小组的合作伙伴及其商讨,这对本文的形成非常有帮助。
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