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國(guó)內(nèi)外微小型數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介
日期：2009年11月05 來(lái)源：沈陽(yáng)第一機(jī)床廠 關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床
1．日本的微小型機(jī)床與微型工廠
盡管早在1970年Duaa等人就首次提出了微小型化機(jī)床的概念，但當(dāng)時(shí)只是作為硅胡加工制作的微電動(dòng)機(jī)的一種應(yīng)用，并沒(méi)有得到廣泛的重視。
1990年，日本通產(chǎn)省工：業(yè)技術(shù)院機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)室(MEL)提出了由微小型化機(jī)床和操9器組成微型工廠的概念，由此正式拉開(kāi)了微小型化機(jī)床研究的序幕。1996年，MEL開(kāi)發(fā)d0界上第一臺(tái)微型化的機(jī)床——微型車(chē)床。該機(jī)床尺寸長(zhǎng)x寬x高為32mm~25~mnx30．5mm，I量?jī)Hl跚z，數(shù)控機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)額定功率]．5W，轉(zhuǎn)速10000r／rain。圖‘—26所示為諄車(chē)床與硬69Q較圖。用該車(chē)床切削黃銅，加工表面粗糙度為Rzl．5gm，工件的圓度誤差為2．Sgm，最州'直徑可車(chē)削至6011m。日本金澤大學(xué)的ZinanLu和TakeshiYoneyama研究了一套微細(xì)車(chē)削系統(tǒng)，由檄細(xì)輒控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視ge組成。圖5-27所示為該微細(xì)車(chē)床的結(jié)構(gòu)原理圖。機(jī)床主軸用兩個(gè)微型滾動(dòng)軸承支承，沿z方向進(jìn)給；刀架z向固定不動(dòng)，以便于用光學(xué)顯微裝置觀察。
因?yàn)楣ぜ闹睆胶苄�，�?chē)削時(shí)沿x、r方向移動(dòng)的幅度不人，所以由刀架完成x和r向運(yùn)動(dòng)。機(jī)床長(zhǎng)約200mm，主電動(dòng)機(jī)功率0．5W，主軸轉(zhuǎn)速3000—15 000r／min連續(xù)可調(diào)，徑向跳動(dòng)在1四以內(nèi)，x、r、z軸的進(jìn)給分辨率均為4nm。用直徑0．3mm的黃銅絲毛壞，在這臺(tái)機(jī)床上加工出直徑10pm的外圓柱面，還加上出直徑120gm、螺距12．5gm的絲杠，表面粗糙度小于Rzlgm，該機(jī)床尺寸長(zhǎng)x寬x高為450rmnx300mmx380mm，土軸最高轉(zhuǎn)速200000r／min，工作臺(tái)三維直線進(jìn)給分辨串為0．1l,xm，全閉環(huán)控制，最大進(jìn)給速度為50mm／s，可實(shí)現(xiàn)3D曲面的數(shù)控加工。在7075鍋合金材料上加工深槽和薄壁結(jié)構(gòu)，其中槽深／寬比為40。通信人學(xué)合作研制的車(chē)床型超精密銑床，利用單刃單晶金剛石球頭銑／J(R30gm)，在直稈lmm的18K金材料上銑削加工的。能面表面高低差30gm，表面數(shù)控機(jī)床粗糙度RzO．058[xm。這是世，界上首例用切削方法實(shí)現(xiàn)的自由曲面的微細(xì)加丁。微型工廠的概念由日本MEL首先提出。MEL在開(kāi)發(fā)世界第‘臺(tái)微型車(chē)床之后，又相繼 開(kāi)發(fā)微型銑床、微型沖床和操作機(jī)械手等，并十1999年推山世界第一臺(tái)桌曲微型丁廠樣機(jī)。該樣機(jī)占地面積700mmx500mm，山車(chē)床、銑床、沖床、搬運(yùn)機(jī)械手和裝配用機(jī)械手組成，成功完成外徑900gm、長(zhǎng)3mm的樞軸球軸承的加了與裝配。2000年，MEL設(shè)計(jì)制作了第二臺(tái)微型丁廠樣機(jī)——便攜式微型刊。其質(zhì)量?jī)H23ks，可放在高x寬x長(zhǎng)為 380mmx625mmx490mm的特制旅行箱，1，攜帶方便。
2．美國(guó)的微小型機(jī)床
2000年，美同密丙根大學(xué)、伊利諾斯大學(xué)和西北人學(xué)共同組織發(fā)起以微細(xì)機(jī)械制造為主 題的專題討論會(huì)，分析采用小型化機(jī)床實(shí)現(xiàn)巾尺度精密加工的研究重點(diǎn)，推動(dòng)微細(xì)制造技術(shù)的研究與應(yīng)用。200數(shù)控機(jī)床1年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的“Micro／Meso-ScaleMachineToolSystems”研究計(jì)劃，旨在通過(guò)微小型化機(jī)床的并行生產(chǎn)達(dá)到批量生產(chǎn)十問(wèn)尺度微小軍什的目的。在該計(jì)劃下研制了兩臺(tái)微小型機(jī)床樣機(jī)，本體尺寸分別為250mmxl50mmx200mm和60mmx90mmxlOOmm，主軸最高轉(zhuǎn)速分別為]50000r／min和320000r／min。二者都采用閉環(huán)控制，其中前者還裝備了一個(gè)測(cè)力傳感器以測(cè)量微細(xì)切削力。試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)床刮以實(shí)現(xiàn)’維特征加下。另外，TaQin等研制了—‘臺(tái)微小刷加—L：中心。據(jù)稱，其土軸的回轉(zhuǎn)精度和驅(qū)動(dòng)進(jìn)給分辨率都較門(mén)本最早的微小型機(jī)床高l～2個(gè)量級(jí)。
3．我國(guó)的微小型機(jī)床
近年來(lái)，我國(guó)的一些高校和企業(yè)在微小型數(shù)控機(jī)床的研究和開(kāi)發(fā)中，取得 系列令址人矚目的成果。盡管微小型工廠的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，但2004年在上海舉行的微型工／國(guó)際會(huì)議，足以說(shuō)明我國(guó)的相關(guān)研究在世界舞臺(tái)上已占有相當(dāng)重要的地位。
2001年以來(lái)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫雅洲博十等發(fā)表了多篇很有價(jià)值的研究論文，介紹其研制的微小型機(jī)床試驗(yàn)臺(tái)，如圖5-32所示。該試驗(yàn)臺(tái)包括主軸系統(tǒng)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和{腕測(cè)系統(tǒng)。采用臥式三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)布局，主體尺寸長(zhǎng)x寬x高為300nmlxl50mmxl65mm：采用r，木NSK小型空氣渦輪主軸，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)140 000r／min，更換夾頭可裝央／J柄直徑40．8--4．0mm的刀具，跳動(dòng)量小于2Um；三維直線進(jìn)給下臺(tái)豎直軸行程為25mm，水平兩軸行程均為30mm；驅(qū)動(dòng)進(jìn)給均采用以色列生產(chǎn)的Nanomotion比電陶瓷超聲電動(dòng)機(jī)(HR系列)，配以專用的ABIA驅(qū)動(dòng)器盲接驅(qū)動(dòng)，分辨率達(dá)O．1gm；調(diào)速范圍兒10-~250innds。利用該試驗(yàn)臺(tái)， 采用直徑40．5mm、螺旋角30’的硬質(zhì)合金兩／J平頭扛銑刀，以轉(zhuǎn)速51000r／min、進(jìn)給速度5．1mm／s、背吃刀量50gm，對(duì)黃銅H62進(jìn)行銑削試驗(yàn)，槽底表面粗糙度為RdO．21gm。該機(jī)休采用高速空氣靜壓電主軸，最高轉(zhuǎn)速為90000r／min：永磁數(shù)控機(jī)床自線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)交叉滾柱支撐的高分辨率超精密滑臺(tái)，分辨率達(dá)0．05gm；外形輪廓尺寸高x寬x長(zhǎng)為300mmx400mmx500mrn，XYZ工作空間尺＼J為50mmx50mmx20mm，全閉環(huán)控制，能實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)加工精度。采用直徑40．2mm、螺旋角30’的硬質(zhì)合金兩刃球頭銑刀，對(duì)硬鋁LYl2材料進(jìn)行分層銑削，挾得薄壁結(jié)構(gòu)。其主要廠藝參數(shù)為： 仁軸轉(zhuǎn)速41 000r／rrdn，進(jìn)給速度10 mm／min，z方向吃刀量5～10gm，千切削。測(cè)暈結(jié)果表明，薄壁的千均厚度小于40gm，豎直槽部分平均深度大于500gm，實(shí)現(xiàn)了人深寬比結(jié)構(gòu)的微細(xì)銑削加廠。
上海交通大學(xué)來(lái)新民教授等研制的介觀尺度微型銑床試驗(yàn)臺(tái)，采用臥式結(jié)構(gòu)，總體尺寸高X貪X長(zhǎng)為270mmxl90mmx220mm，加工范圍為30mmx30mmx30mm；采用氣動(dòng)馬達(dá)，主軸最高轉(zhuǎn)速為120000r／min，跳動(dòng)度在II．tm以內(nèi)；三向力傳感器子系統(tǒng)采用Ki數(shù)控機(jī)床stler9317B三向高頻切削力傳感器：采用美國(guó)Optidyne公司激光干涉儀對(duì)丁作臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明定位精度1．62gm、重復(fù)定位精度0．313gm。利用該微型試驗(yàn)臺(tái)完成了上海交通大學(xué)校徽的微銑削加工，校徽直徑6mm，圖案高度10[xm，表明該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的加工復(fù)雜特征微小零件的能力。哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的MPM—1型新一‘代微小型超精密 3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，這是我國(guó)第一臺(tái)由企業(yè)推出的微小型機(jī)床。該機(jī)床工作臺(tái)x、r、z軸行程均為75mm：定位精度~0．5gm／75mm，重復(fù)定位精度~0．25gm，導(dǎo)軌直線度0．1~50mm：主軸轉(zhuǎn)速160 000r／min，回轉(zhuǎn)精度lgm，功率28W：顯微視覺(jué)系統(tǒng)放大倍數(shù)為200倍：／)具直徑最小可小到0．15mm。
來(lái)自企業(yè)界的微小型機(jī)床，還有—亡海機(jī)床廠有限公司與美國(guó)喬治亞理工學(xué)院合作開(kāi)發(fā)的名為“Elite’’的納米精度的微小型數(shù)控磨床。該機(jī)床創(chuàng)下中國(guó)磨床規(guī)格最小、精度最高的兩項(xiàng)紀(jì)錄，數(shù)控機(jī)床是具有國(guó)際首創(chuàng)水平的納米級(jí)進(jìn)給系統(tǒng)的外圓磨床；其外型尺寸高x寬x長(zhǎng)為210nmax220mmx230mm，轉(zhuǎn)速達(dá)到60000r／min：采用空氣密封冷卻系統(tǒng)；圓柱形砂輪最小直徑200gm。這臺(tái)納米數(shù)控磨床將用于航大工業(yè)的精密加工，滿足高糈，庹小孔、槽、臺(tái)階面的加丁。
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