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小型化、精密化是机械产品的重要发展趋势

2019-08-20 09:42:25

(1)机械产品的小型化发展趋势

随着机械科学技术的发展,小型化产品已经成为当代机械产品发展的主要趋势,尤其是以MEMS为代表的集机、电、控制、信息技术为一体的微小型装备是现代机械发展的重要方向。从特征尺寸上,微小型机械可以划分为小型机械(整体尺度在1mm-10mm之间)、微型机械(整体尺度1μm-1mm)和纳米机械(整体尺度1nm-1μm)三大类。

由于具有体积小、重量轻、机构坚固、精度高等特点,微小型机械在医疗、信息、军事、汽车、生物工程、航空航天领域得到了广泛的应用,微小型机械研发已成为各国重点发展的项目。

(2)机械产品的精密化发展趋势

精密化是当代机械产品的主要特征,它一方面是指对产品、零件的精度要求越来越高,另一方面是指对产品、零件的加工精度要求越来越高。在现代超精密机械中,对精度要求极高,如人造卫星的仪表轴承,其圆度、圆柱度、表面粗糙度等均达纳米级;基因操作机械,其移动距离为纳米级,移动精度为0.1纳米。在微电子领域,电子产品对加工精度的依赖程度非常高,一般晶体管的制造误差为50微米,一般磁盘为5微米,一般磁头磁鼓是0.5微米,集成电路为0.05微米,超大型集成电路达0.005微米,而合成半导体为1纳米。

“精密化”也可以是指加工精度及其发展,20世纪初,超精密加工的误差是10微米,30年代达1微米,50年代达0.1微米,70至80年代达0.01微米,至今达0.001微米,即1纳米。细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求,如离子束加工可达纳米级,借助于扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜的加工,则可达0.1纳米。

微细切削是小型精密机械零件的常用加工方法

目前,小型精密机械零件的加工方法主要有两类:一类是在传统切削加工基础上发展而来的以塑变剪切去除材料为特征的微细切削技术,包括微细车削、微细钻削、微细立铣削、微细飞切、微细冲压加工、微细磨料流喷射加工等;另一类是基于特殊加工机理的特种加工方法,包括微细电加工、高能束加工、半导体材料微细加工技术、生长型微细加工等。

(1)微细切削工艺

微细切削是指在精密及超精密切削机床上,借助高分辨率的实体工具,利用机械力的作用对工件材料直接进行去除的加工技术。其中微细车削、微细铣削加工是其较常用的工艺方法。

在机械制造加工行业中,使用较广泛的一种加工方式就是车削加工,微细车削也属于车削的一种,车削加工的普遍规律也同样适用于微细车削,除了具有普通车削的特点以外,在加工制造微小型管套、微小型轴等零件方面有其的优点。此外在切削参数的选择上也有自已的特点,和切削系统的动特性选取,如切削速度,实际选择的切削速度常根据所用机床的动特性即选择较小的转速,件表面质量的影响越大。为了提高零件表面质量,背吃刀量。

因为转速越高,机床振动越大,对零微细车削一般都采用较小的进给量和铣削加工是较具柔性的切削工艺,微细铣削是一种制造多种材料微细部件和复杂三维结构的通用方法,而且已经成为满足微小型三维复杂形状零件和材料多样性加工的有效途径,同时也是实现微米级和中间尺度机械设备及零部件的主要制造技术之一。微细铣削加工进行微小型零件的加工时,灵活性和速度都较大,具有加工成本低、生产效率和相对精度高、相应基础技术的研究比较成熟等特点。

(2)微细特种加工工艺

微细特种加工工艺主要包括微细电火花加工、微细高能束加工、光刻加工等。微细电火花加工的原理同普通电火花加工并无本质区别,其加工的表面质量主要取决于电蚀凹坑的大小和深度,即单个放电脉冲的能量,而其加工精度则与电极损耗、伺服稳定性等因素密切相关。

微细高能束加工包含电子束微细加工和离子束微细加工。电子束加工是在真空条件下,利用聚焦后的能量密度极高的电子束,以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上,在极短的时间(几分之一微秒)内,其能量的大部分转变为热能,使被冲击的工件材料达到几千摄氏度以上的高温,从而使材料的局部熔化和汽化,而实现加工的目的。电子束加工可用于打孔、切割、蚀刻、焊接、热处理和曝光加工等。由于电子束能够极微细的聚焦,甚至能聚焦到0.1μm,因此成为一种精密微细的加工方法。

离子束加工是在真空条件下,将由离子源产生的离子经过电场加速,获得具有一定速度的离子投射到材料表面,是一种对材料进行成形和表面改性的加工方法。由于离子束加工应力、变形极小,适合于各种材料的微细加工,并且加工质量高。

相比于其他微细加工的方法,微细切削具有较高的加工精度、可加工材料丰富、加工柔性高、能加工复杂的三维立体结构等众多优点,与此同时,随着微细切削相关技术的研究和发展,微细切削已经成为小型精密零件制造的主要方法。