自制世界上最小的車床

　　車床在我們的印象中，都是大個的，今天大家就跟小編看一下世界上最小的車床有多小，你絕對想象不到它有多小。

　　微機械技術在工業、農業、醫療、軍事等領域的應用日益廣泛。目前，微機械的加工方法有：由矽平面技術衍生的微蝕刻加工，由特種加工衍生的微細特種加工，由切削加工衍生的微細切削加工。

　　微型機電系統技術衍生於微電子技術，由於這種歷史原因，矽微細加工在微機械製造中佔據主要地位，矽微細加工具有批量製作、預組裝及容易與微電子電路整合的技術特點，適合於微型感測器的製作，但成型結構形狀有限，不利於微致動器的製作。

　　可以進行微細加工的特種加工方法主要有電火花加工、電化學加工、超聲加工、鐳射加工、離子束加工、電子束加工等。這些特種加工方法有的裝置昂貴、對環境要求較高，有的加工速度偏低。對於加工三維實體結構的零件來說，單獨使用特種加工方法並沒有優勢可言。

　　可以用來進行微細加工的切削方法有：微細車削、微細銑削、微細鑽削、微細磨削、微衝壓等。

　　這裡將介紹微機械製造中的切削加工方法及裝置的研究進展情況。

　　1、 微細車削

　　日本通產省工業技術院機械工程實驗室***MEL***於1996年開發了世界上第一臺微型化的機床——微型車床，長32、寬25mm、高30.5mm，重量為100g***圖1 為該車床與硬幣的比較***;主軸電機額定功率1.5W，轉速1000r/min。用該機床切削黃銅，沿進給方向的表面粗糙度值為Rz1.5μm，加工工件的圓度為2.5μm，最小外圓直徑為60μm。切削試驗中的功率消耗僅為普通車床的1/500。

　　日本金澤大學的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微細車削系統，由微細車床、控制單元、光學顯微裝置和監視器組成。機床長約200mm。在該系統中，採用了一套光學顯微裝置來觀察切削狀態，還配備了專用的工件裝卸裝置。圖2為微細車床的結構原理圖。主軸用兩個微型滾動軸承支承。主軸沿Z方向進給，刀架固定不動，車刀與工件的接觸位置是固定的，以便於用光學顯微裝置觀察。因為工件的直徑很小，車削時沿X-Y方向移動的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移動。車刀的 刀尖材料為金剛石。驅動主軸的微電機通過彈性聯軸器與主軸聯接。機床的主要效能引數如下：主軸功率0.5W;轉速3000~15000r/min，連續變 速;徑向跳動1μm 以內;裝夾工件直徑0.3mm;X、Y、Z軸的進給解析度為4nm。用0.3mm 的黃銅絲為毛坯，在這臺機床上加工出了直徑10μm 的外圓柱面，還加工出了直徑120μm、螺距12.5μm 的絲槓。該機床的明顯不足是切削速度低，因此得不到滿意的表面質量，表面粗糙度值為Rz1μm 以下。

　　它的開發成功，證實了利用切削加工技術也能加工出微米尺度的零件。

　　從以上兩例可知，並非機床的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微細車床的發展方向一方面是微型化和智慧化，另一方面是提高系統的剛度和強度，以便於加工硬度比較大、強度比較高的材料。

　　2、 微細鑽削

　　微細鑽削一般用來加工直徑小於0.5mm 的孔。鑽削現已成為微細孔加工的最重要工藝之一，可用於電子、精密機械、儀器儀表等行業，近來倍受關注。

　　在鐘錶製造業中，最早使用鑽頭加工小孔。隨著工藝方法的不斷改進，相繼出現了各種特種加工方法，但至今，一般情況下仍採用機械鑽削小孔的方法。近年來，研製出多種形式的小孔鑽床，如手動操作的單軸精密鑽床、數控多軸高速自動鑽床、曲柄驅動群孔鑽床及加工精密小孔的精密車床和銑床等。上世紀80年代後，由於NC技術和CAD/CAM的發展，小孔加工技術向高自動化和無人化發展。目前機械鑽削小孔的研究方向主要有：難加工材料的鑽削機理研究;小孔鑽削機床研製和小鑽頭的刃磨、製造工藝研究;超聲振動鑽削等新工藝的研究等。

　　微細鑽削的關鍵除了車削要求的幾項之外，還有微細鑽頭的製作問題。目前，商業供應的微細鑽頭的最小直徑為50μm，要得到更細的鑽頭，必須藉助於特種加工方法。有人用聚焦離子束濺射技術製成了直徑分別為1cmmicro;m、22μm 和35μm 的鑽、銑削刀具。但是，聚焦離子束濺射裝置複雜，加工速度較慢。用電火花線電極磨削***WEDG***技術則可以穩定地製成f10μm 的鑽頭，最小可達f6.5μm。

　　用WEDG技術製作的微細鑽頭，如果從微細電火花機床上卸下來再裝夾到微細鑽床的主軸上，勢必造成安裝誤差而產生偏心。這將影響鑽頭的正常工作甚至無法加工。因此，用這種鑽頭鑽削時，必須在製作該鑽頭的微細電火花機床上進行。

　　3 、微細銑削

　　MEL開發的微細銑床，長170mm，寬170mm，高102mm。主軸用功率為36W 的無刷直流伺服電機，轉速約為15600 r/min。這臺銑床能銑平面也能鑽孔。

　　日本FANUC公司和電氣通訊大學合作研製的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實現了自由曲面的微細加工。這種超精密切削加工技術可使用切削刀具對包括金屬在內的各種可切削材料進行微細加工，而且可利用CAD/CAM技術實現三維數控加工，生產率高，相對精度高。

　　圖5所示為用該機床銑削的日語中叫做“能面”的微型臉譜。其加工資料由三座標測量機從真實“能面”上採集，採用單刃單晶金剛石球形銑刀***R30μm***， 在18K金材料上加工出的三維自由曲面。其直徑為1mm，表面高低差為30μm，加工後的表面粗糙度值為Rz0.058μm。這是光刻技術領域中的微細加 工技術，如半導體平面矽工藝以及同步輻射X射線深度光刻、電鍍工藝和鑄塑工藝組成的LIGA工藝等技術所不及的。

　　目前數控銑削技術幾乎可以滿足任意複雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法如電火花、超聲加工相比，切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

　　微細銑削可以實現任意形狀微三維結構的加工，生產率高，便於擴充套件功能。微細銑床的研究對於微型機械的實用化開發研究是很有價值的。

　　4 、微細衝壓

　　在儀器儀表製造業中，常常會遇到帶有許多小孔的板件，板件上的小孔常採用衝孔的方法。

　　衝小孔技術的研究方向是如何減小衝床的尺度、增大微小凸模的強度和剛度以及微小凸模的導向和保護等。

　　MEL開發的微衝壓機床，長111mm，寬66mm，高170mm，裝有一個100W的交流伺服電機，可產生3kN的壓力。伺服電機的旋轉通過同步帶傳動和滾珠絲槓傳動轉換成直線運動。該衝壓機床帶有連續的衝壓模，能實現衝裁和彎板。

　　日本東京大學生產技術研究所利用WEDG技術，製作微衝壓加工的衝頭和沖模，然後進行微細衝壓加工，在50μm厚的聚醯胺塑料上衝出寬度為40μm的非圓截面微孔。

　　5 、行動式工廠

　　MEL於1990年提出了微型工廠的概念，並在1999年設計製成了世界上第一套桌面微型工廠樣機。它由車床、銑床、衝壓機 床、搬運機械手和裝配用雙指機械手組成，佔地面積為70m×50cm，能進行加工和裝配。為了演示和證明微型工廠的可攜帶性，MEL於2000年設計製作 了第二套微型工廠樣機——行動式微型工廠，重量為23kg，被放在長625mm、寬490mm、高380mm、重11kg的箱子裡。箱子底部裝有小輪，可 以像旅行箱一樣拖著走。

　　6、 結束語

　　隨著對微機械需求的不斷增加，微細切削技術將大顯身手，各式各樣的微細加工裝置將會越來越多。加工裝置的小型化的確帶來了很多優點，如減少了能量 消耗，減小了熱變形誤差，提高了響應速度等。但同時必須看到，如片面地追求小型化也會帶來不利的方面，如宜人性較差，不便於裝卸工件，機床的剛度小等。

　　雖然採用切削方法進行微細加工取得了進展，但是，這些方法也存在著本身難以克服的缺點，例如：加工時都存在切削力，不能加工比刀具硬的材料;工件小，切削 速度低，限制了表面質量的提高等。微細切削技術與其它加工技術相互融合，可以克服這些缺點，從而進一步提高微細加工的微細程度和擴大工藝範圍。

　　微細切削技術在微小型三維實體結構、致動器的製作上有其獨到之處，且其批量製作可以通過模具加工、電鑄、注塑等方法實現。微型機械的加工一方面在向三維複雜形狀的製作發展，同時也在向更高加工精度和更小尺度推進。