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國內(nèi)外微小型數(shù)控機床簡介


日期:2009年11月05 來源:沈陽第一機床廠 關(guān)鍵字:數(shù)控機床
    1.日本的微小型機床與微型工廠
    盡管早在1970年Duaa等人就首次提出了微小型化機床的概念,但當時只是作為硅胡加工制作的微電動機的一種應(yīng)用,并沒有得到廣泛的重視。
    1990年,日本通產(chǎn)省工:業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室(MEL)提出了由微小型化機床和操9器組成微型工廠的概念,由此正式拉開了微小型化機床研究的序幕。1996年,MEL開發(fā)d0界上第一臺微型化的機床——微型車床。該機床尺寸長x寬x高為32mm~25~mnx30.5mm,I量僅l跚z,數(shù)控機床主軸電動機額定功率].5W,轉(zhuǎn)速10000r/rain。圖‘—26所示為諄車床與硬69Q較圖。用該車床切削黃銅,加工表面粗糙度為Rzl.5gm,工件的圓度誤差為2.Sgm,最州'直徑可車削至6011m。日本金澤大學(xué)的ZinanLu和TakeshiYoneyama研究了一套微細車削系統(tǒng),由檄細輒控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視ge組成。圖5-27所示為該微細車床的結(jié)構(gòu)原理圖。機床主軸用兩個微型滾動軸承支承,沿z方向進給;刀架z向固定不動,以便于用光學(xué)顯微裝置觀察。
    因為工件的直徑很小,車削時沿x、r方向移動的幅度不人,所以由刀架完成x和r向運動。機床長約200mm,主電動機功率0.5W,主軸轉(zhuǎn)速3000—15 000r/min連續(xù)可調(diào),徑向跳動在1四以內(nèi),x、r、z軸的進給分辨率均為4nm。用直徑0.3mm的黃銅絲毛壞,在這臺機床上加工出直徑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,該機床尺寸長x寬x高為450rmnx300mmx380mm,土軸最高轉(zhuǎn)速200000r/min,工作臺三維直線進給分辨串為0.1l,xm,全閉環(huán)控制,最大進給速度為50mm/s,可實現(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)控機床粗糙度RzO.058[xm。這是世,界上首例用切削方法實現(xiàn)的自由曲面的微細加丁。微型工廠的概念由日本MEL首先提出。MEL在開發(fā)世界第‘臺微型車床之后,又相繼  開發(fā)微型銑床、微型沖床和操作機械手等,并十1999年推山世界第一臺桌曲微型丁廠樣機。該樣機占地面積700mmx500mm,山車床、銑床、沖床、搬運機械手和裝配用機械手組成,成功完成外徑900gm、長3mm的樞軸球軸承的加了與裝配。2000年,MEL設(shè)計制作了第二臺微型丁廠樣機——便攜式微型刊。其質(zhì)量僅23ks,可放在高x寬x長為 380mmx625mmx490mm的特制旅行箱,1,攜帶方便。
    2.美國的微小型機床
    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)起以微細機械制造為主 題的專題討論會,分析采用小型化機床實現(xiàn)巾尺度精密加工的研究重點,推動微細制造技術(shù)的研究與應(yīng)用。200數(shù)控機床1年,美國國家科學(xué)基金會(NSF)資助的“Micro/Meso-ScaleMachineToolSystems”研究計劃,旨在通過微小型化機床的并行生產(chǎn)達到批量生產(chǎn)十問尺度微小軍什的目的。在該計劃下研制了兩臺微小型機床樣機,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測力傳感器以測量微細切削力。試驗結(jié)果表明,該機床刮以實現(xiàn)’維特征加下。另外,TaQin等研制了—‘臺微小刷加—L:中心。據(jù)稱,其土軸的回轉(zhuǎn)精度和驅(qū)動進給分辨率都較門本最早的微小型機床高l~2個量級。  
    3.我國的微小型機床
    近年來,我國的一些高校和企業(yè)在微小型數(shù)控機床的研究和開發(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報道,但2004年在上海舉行的微型工/國際會議,足以說明我國的相關(guān)研究在世界舞臺上已占有相當重要的地位。
    2001年以來,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫雅洲博十等發(fā)表了多篇很有價值的研究論文,介紹其研制的微小型機床試驗臺,如圖5-32所示。該試驗臺包括主軸系統(tǒng)、進給驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和{腕測系統(tǒng)。采用臥式三坐標結(jié)構(gòu)布局,主體尺寸長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140 000r/min,更換夾頭可裝央/J柄直徑40.8--4.0mm的刀具,跳動量小于2Um;三維直線進給下臺豎直軸行程為25mm,水平兩軸行程均為30mm;驅(qū)動進給均采用以色列生產(chǎn)的Nanomotion比電陶瓷超聲電動機(HR系列),配以專用的ABIA驅(qū)動器盲接驅(qū)動,分辨率達O.1gm;調(diào)速范圍兒10-~250innds。利用該試驗臺,  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、進給速度5.1mm/s、背吃刀量50gm,對黃銅H62進行銑削試驗,槽底表面粗糙度為RdO.21gm。該機休采用高速空氣靜壓電主軸,最高轉(zhuǎn)速為90000r/min:永磁數(shù)控機床自線電動機直接驅(qū)動交叉滾柱支撐的高分辨率超精密滑臺,分辨率達0.05gm;外形輪廓尺寸高x寬x長為300mmx400mmx500mrn,XYZ工作空間尺\J為50mmx50mmx20mm,全閉環(huán)控制,能實現(xiàn)亞微米級加工精度。采用直徑40.2mm、螺旋角30’的硬質(zhì)合金兩刃球頭銑刀,對硬鋁LYl2材料進行分層銑削,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,進給速度10 mm/min,z方向吃刀量5~10gm,千切削。測暈結(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,實現(xiàn)了人深寬比結(jié)構(gòu)的微細銑削加廠。
    上海交通大學(xué)來新民教授等研制的介觀尺度微型銑床試驗臺,采用臥式結(jié)構(gòu),總體尺寸高X貪X長為270mmxl90mmx220mm,加工范圍為30mmx30mmx30mm;采用氣動馬達,主軸最高轉(zhuǎn)速為120000r/min,跳動度在II.tm以內(nèi);三向力傳感器子系統(tǒng)采用Ki數(shù)控機床stler9317B三向高頻切削力傳感器:采用美國Optidyne公司激光干涉儀對丁作臺進行測量,結(jié)果表明定位精度1.62gm、重復(fù)定位精度0.313gm。利用該微型試驗臺完成了上海交通大學(xué)校徽的微銑削加工,;罩睆6mm,圖案高度10[xm,表明該系統(tǒng)具有很強的加工復(fù)雜特征微小零件的能力。哈爾濱量具刃具集團有限責任公司開發(fā)的MPM—1型新一‘代微小型超精密 3軸聯(lián)動數(shù)控銑床,這是我國第一臺由企業(yè)推出的微小型機床。該機床工作臺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:顯微視覺系統(tǒng)放大倍數(shù)為200倍:/)具直徑最小可小到0.15mm。
    來自企業(yè)界的微小型機床,還有—亡海機床廠有限公司與美國喬治亞理工學(xué)院合作開發(fā)的名為“Elite’’的納米精度的微小型數(shù)控磨床。該機床創(chuàng)下中國磨床規(guī)格最小、精度最高的兩項紀錄,數(shù)控機床是具有國際首創(chuàng)水平的納米級進給系統(tǒng)的外圓磨床;其外型尺寸高x寬x長為210nmax220mmx230mm,轉(zhuǎn)速達到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、臺階面的加丁。

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