微細超聲加工機床關鍵零部件設計

連海山，郭鐘寧，弓滿鋒，隋廣洲

（1．嶺南師范學院 機電工程研究所，廣東 湛江 524048；2．廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

硬脆材料（陶瓷、玻璃、單晶硅、石墨）由于其密度低、強度高、對高溫與酸堿性不敏感、不易磨損，在微細制造領域有著廣泛的應用前景。然而由于高硬、高脆性，硬脆材料加工成型極具困難。大部分硬脆材料為非導電材料，不能使用電加工工藝對其進行加工；材料的硬度一般都比刀具的硬度大，不能使用傳統的微車銑削加工；目前適合于硬脆材料微細加工的方法主要有微細激光加工與微細超聲加工。微細激光加工幾乎可以加工所有的材料，但是加工后的工件具有不可避免的熱影響區以及難以加工高深寬比的零部件。微細超聲加工既不依賴于材料的導電性、無宏觀機械作用力，沒有熱作用、又可加工高深寬比微三維立體結構，零件表面質量及加工精度均較好，決定了微細超聲加工在金屬及非金屬硬脆材料微結構加工方面具有得天獨厚的優勢[1]。

文獻[2]設計出了一種新的微細超聲加工單元，采用工件加振的方式，在硅片上加工出了最小直徑為13μm，深度為50μm的深小孔。文獻[3]利用自行開發的微細電火花與微細超聲復合加工裝置，在單晶硅100晶面加工出了直徑18μm的圓孔和（28×28）μm的方孔，深度分別為41μm和65μm。文獻[4]利用工件加振的微細超聲加工工藝在微晶云母陶瓷上加工出了孔徑為80μm、深度為530μm、孔側壁錐度小于5°的通孔。文獻[5]在硼硅酸鹽上加工了直徑為150μm，深度為500μm的高深徑比的微孔。文獻[6]研究了微細超聲加工單晶硅的表面特征，微細超聲加工后的單晶硅表面粗糙度能達到（5～10）nm。為了提高微細超聲加工的效率，文獻[7]采用EDM制作陣列孔，然后反銬制作陣列工具的方式，成功的在鈉鈣玻璃上加工出了20μm的陣列孔。

高精度的微細超聲加工機床是實施微細超聲加工的關鍵，而關鍵零部件的設計是微細超聲加工機床的基礎。

2 微細超聲加工原理

微細超聲加工的原理，如圖1所示。利用微細超聲振動的工具或工件，在有磨料的液體介質中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊以及由此產生的氣蝕作用來去除被加工工件的材料[8]。微細超聲加工是在傳統超聲加工的基礎上減小工具與磨粒尺寸以及振幅值實現的。為了簡化機床的設計，微細超聲加工通常采用工件加振，主軸旋轉的方式進行加工[9]。微細工具采用塊電極或線電極電火花磨削的方式在線制作，有利于減小甚至消除工具的安裝偏心以及主軸的回轉精度誤差，保證在線制作的微細工具回轉軸線與主軸的回轉軸線一致。工件通過強力雙面膠安裝固定在微細超聲振動工作臺上。磨料工作液中的超微磨粒均勻的分布在溶液中，加工時采用滴液的方式施加到加工區域。

圖1 微細超聲加工原理圖Fig.1 Illustration of the Principle of Mciro Ultrasonic Machining

3 關鍵零部件設計

依據微細超聲加工的原理，設計該機床的時候必須滿足以下加工需求：（1）微細工具可以在線制作，能夠將毛坯工具電極加工到所需的微細尺寸；（2）根據加工需要可以選擇將微細超聲振動施加在微細工具或者工件上；（3）主軸轉速可調；（4）可以實時控制微細超聲加工中的加工力。為了滿足以上加工需求，設計的微細超聲加工機床總體結構示意圖，如圖2所示。包括微細超聲主軸系統、微細超聲工作臺系統、運動控制系統與數據采集系統。對微細超聲加工機床各組成系統中的關鍵零部件進行設計，包括微細超聲加工主軸設計、微細超聲振動工作液槽設計、運動控制系統硬件設計與數據采集系統硬件設計四大部分。

圖2 微細超聲加工機床示意圖Fig.2 Diagram of Micro Ultrasonic Machining Machine Tool

3.1 主軸設計

主軸的設計必須具備兩大功能：（1）要滿足微細工具在線制作的功能；（2）要滿足加工時微細工具既能做旋轉運動又能沿軸向超聲振動的功能。微細工具的在線制作目前主要有電火花加工與電化學兩種加工方法，設計中采用的是塊電極電火花反拷加工的方式對毛坯工具電極進行在線加工。按照塊電極電火花反拷加工的原理，工具做旋轉運動的同時需要將電火花電源的陽極引入到工具電極，需要解決如何將電火花電源陽極引線的電從靜止的部件傳輸到做旋轉運動的工具電極上。工具電極的超聲振動是由安裝在主軸上的微細超聲振動系統產生的，加工時微細超聲振動系統隨主軸一起旋轉。為了使設計的主軸加工時滿足第二個功能，需要解決如何將超聲電源的正負極引線連接到主軸微細超聲振動系統的電極片上。綜合以上所述，主軸設計的關鍵問題是如果解決將各電源引線的電從靜止的部件傳輸到旋轉運動主軸上的相應部分。目前實現電的靜動傳輸主要有滑環、碳刷與電磁感應等結構。為了簡化主軸的結構設計以及減少后期的維護，并能有效的實現三路引線電的靜動傳輸問題，微細超聲加工主軸采用滑環實現靜動結構件的能量傳輸。

微細超聲加工主軸的結構，如圖3所示。圖中的滑環依據實際的加工需要能夠實現三路引線電的靜動傳輸，滑環內圈通過軸肩定位、周向螺栓安裝固定在旋轉運動的主軸上，滑環的外圈通過螺栓固定在主軸座上。主軸通過兩對角接觸球軸承對安裝固定于主軸座內，主軸的后端部分通過聯軸器連接伺服電機，主軸的前端部分通過錐型定位螺栓緊固安裝主軸微細超聲振動系統。主軸微細超聲振動系統的兩路引線路徑為：主軸微細超聲電源—滑環外圈—滑環內圈—主軸進線孔—主軸穿線孔—主軸微細超聲振動系統中的電極片；微細工具電極的引線路徑為：電火花電源的陽極—滑環外圈—滑環內圈—主軸進線孔—主軸穿線孔—節面引線孔—微細工具。

圖3 微細超聲加工主軸結構示意圖Fig.3 Spindle Structure of the Micro Ultrasonic Machining

3.2 微細超聲振動工作液槽設計

微細超聲振動工作液槽的設計除了能具備一般工作液槽的功能，還需要具備以下功能：（1）用于工件加振的微細超聲加工；（2）用于電火花塊反拷在線制作微細工具。為了實現以上功能，工作液槽設計時采用的是底部安裝工作臺微細超聲振動系統以滿足工作臺能產生超聲振動的功能，在工作槽的側壁安裝塊電極輔助夾具以滿足電火花塊反拷加工的功能，微細超聲振動工作液槽加工實物圖，如圖4所示。工件加振的微細超聲加工中，通過強力雙面膠將工件固定在超聲振動工作臺上，在超聲電源的驅動下，能驅使工件做高頻的機械振動。將電火花塊反拷加工與超聲振動工作臺集成在同一個工作液槽中，還能夠實現微細工具電火花塊反拷加工過程中對電火花工作液施加超聲振動，有利于電火花塊反拷加工中加工產物的排除，改善電極加工質量。

圖4 微細超聲振動工作液槽Fig.4 Working Fluid Groove with Micro Ultrasonic Vibration

3.3 運動控制系統硬件設計

微細超聲加工時，主要的運動為主軸的旋轉運動與加工特定對象相對應的微細工具軌跡運動。微細超聲加工機床整體采用立式結構，主軸安裝在立式滑臺上，立式滑臺固定在大理石立柱上。在伺服電機的驅動下可以使主軸沿滑臺作上下運動；微細超聲加工主軸與輔助零部件具有一定的重量，立式滑臺采用的是絲杠+雙導軌的結構，選用的伺服電機具有自鎖功能。為了防止主軸在通斷電瞬間往下掉損壞機床，在電機與驅動器間連接了一個繼電器，確保加工安全。由于微細超聲加工時對平臺的運動精度高，立式滑臺的運動精度滿足不了加工需求，加工時微細工具所要實現的軌跡運動由微三維運動平臺控制。

微細超聲加工整體運動系統硬件設計采用的是大位移運動部件與小位移運動系統相結合，立式滑臺實現粗的對刀運動，使微細工具運動到微三維運動平臺A軸的運動范圍之內，精對刀與加工運動都依靠微三維運動平臺實現。微三維運動平臺，如圖5所示。其安裝固定在大理平臺上，B軸、C軸、A軸的行程分別為100 mm、100 mm、10 mm，各軸的最小分辨率都是0.1μm。

圖5 微三維運動平臺Fig.5 Micro Three-Dimensional Motion Platform

3.4 數據采集系統硬件設計

任何閉環運動控制系統中，都必須有一個參量作為反饋信號以實現運動控制，在實際的運動控制過程中，通常作為控制參量的反饋信號主要有電流、電壓、扭矩、聲發射、速度以及力等。針對微細超聲加工，微細電極的在線制作與微細超聲加工過程中都需要對加工信號進行采集。電火花塊反拷加工一般采用實時加工的電流或者電壓信號作為運動控制系統的短路回退信號。在微細超聲加工中，一般采用實時加工的力信號作為運動控制系統的反饋信號[3，9]。采用的是NI（NationalInstruments）公司的數據采集卡NI6361對加工信號進行采集的，采集卡的技術參數，如表1所示。

表1 NI6361數據采集卡主要技術參數Tab.1 The Major Technical Parameters About NI6361 Data Acquisition Card

4 結論

設計的微細超聲加工機床可以根據實際加工需求將振動施加到工具或者工件上，該機床包括微細超聲主軸系統、微細超聲工作臺系統、運動控制系統與數據采集系統，針對各系統中的關鍵零部件進行了詳細的設計。設計的主軸能夠實現工具電極在線加工以及微細超聲振動的施加，在保證回轉精度的前提下解決了電能在動靜部件間的有效傳輸。設計的工作液槽可以施加超聲振動，通過輔助夾具將塊電極安裝于工作液槽內，實現了一槽多用的功能，更換工作液類型可以實現電火花塊反拷工具電極以及微細超聲加工。采用宏微驅動的控制模式可以保證微細超聲加工中的加工精度，將微細超聲加工中的實時力與運動控制相結合形成閉環控制，可以實現恒力加工。