微细超声加工机床关键零部件设计

连海山，郭钟宁，弓满锋，隋广洲

（1．岭南师范学院 机电工程研究所，广东 湛江 524048；2．广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

硬脆材料（陶瓷、玻璃、单晶硅、石墨）由于其密度低、强度高、对高温与酸碱性不敏感、不易磨损，在微细制造领域有着广泛的应用前景。然而由于高硬、高脆性，硬脆材料加工成型极具困难。大部分硬脆材料为非导电材料，不能使用电加工工艺对其进行加工；材料的硬度一般都比刀具的硬度大，不能使用传统的微车铣削加工；目前适合于硬脆材料微细加工的方法主要有微细激光加工与微细超声加工。微细激光加工几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热影响区以及难以加工高深宽比的零部件。微细超声加工既不依赖于材料的导电性、无宏观机械作用力，没有热作用、又可加工高深宽比微三维立体结构，零件表面质量及加工精度均较好，决定了微细超声加工在金属及非金属硬脆材料微结构加工方面具有得天独厚的优势[1]。

文献[2]设计出了一种新的微细超声加工单元，采用工件加振的方式，在硅片上加工出了最小直径为13μm，深度为50μm的深小孔。文献[3]利用自行开发的微细电火花与微细超声复合加工装置，在单晶硅100晶面加工出了直径18μm的圆孔和（28×28）μm的方孔，深度分别为41μm和65μm。文献[4]利用工件加振的微细超声加工工艺在微晶云母陶瓷上加工出了孔径为80μm、深度为530μm、孔侧壁锥度小于5°的通孔。文献[5]在硼硅酸盐上加工了直径为150μm，深度为500μm的高深径比的微孔。文献[6]研究了微细超声加工单晶硅的表面特征，微细超声加工后的单晶硅表面粗糙度能达到（5～10）nm。为了提高微细超声加工的效率，文献[7]采用EDM制作阵列孔，然后反铐制作阵列工具的方式，成功的在钠钙玻璃上加工出了20μm的阵列孔。

高精度的微细超声加工机床是实施微细超声加工的关键，而关键零部件的设计是微细超声加工机床的基础。

2 微细超声加工原理

微细超声加工的原理，如图1所示。利用微细超声振动的工具或工件，在有磨料的液体介质中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用来去除被加工工件的材料[8]。微细超声加工是在传统超声加工的基础上减小工具与磨粒尺寸以及振幅值实现的。为了简化机床的设计，微细超声加工通常采用工件加振，主轴旋转的方式进行加工[9]。微细工具采用块电极或线电极电火花磨削的方式在线制作，有利于减小甚至消除工具的安装偏心以及主轴的回转精度误差，保证在线制作的微细工具回转轴线与主轴的回转轴线一致。工件通过强力双面胶安装固定在微细超声振动工作台上。磨料工作液中的超微磨粒均匀的分布在溶液中，加工时采用滴液的方式施加到加工区域。

图1 微细超声加工原理图Fig.1 Illustration of the Principle of Mciro Ultrasonic Machining

3 关键零部件设计

依据微细超声加工的原理，设计该机床的时候必须满足以下加工需求：（1）微细工具可以在线制作，能够将毛坯工具电极加工到所需的微细尺寸；（2）根据加工需要可以选择将微细超声振动施加在微细工具或者工件上；（3）主轴转速可调；（4）可以实时控制微细超声加工中的加工力。为了满足以上加工需求，设计的微细超声加工机床总体结构示意图，如图2所示。包括微细超声主轴系统、微细超声工作台系统、运动控制系统与数据采集系统。对微细超声加工机床各组成系统中的关键零部件进行设计，包括微细超声加工主轴设计、微细超声振动工作液槽设计、运动控制系统硬件设计与数据采集系统硬件设计四大部分。

图2 微细超声加工机床示意图Fig.2 Diagram of Micro Ultrasonic Machining Machine Tool

3.1 主轴设计

主轴的设计必须具备两大功能：（1）要满足微细工具在线制作的功能；（2）要满足加工时微细工具既能做旋转运动又能沿轴向超声振动的功能。微细工具的在线制作目前主要有电火花加工与电化学两种加工方法，设计中采用的是块电极电火花反拷加工的方式对毛坯工具电极进行在线加工。按照块电极电火花反拷加工的原理，工具做旋转运动的同时需要将电火花电源的阳极引入到工具电极，需要解决如何将电火花电源阳极引线的电从静止的部件传输到做旋转运动的工具电极上。工具电极的超声振动是由安装在主轴上的微细超声振动系统产生的，加工时微细超声振动系统随主轴一起旋转。为了使设计的主轴加工时满足第二个功能，需要解决如何将超声电源的正负极引线连接到主轴微细超声振动系统的电极片上。综合以上所述，主轴设计的关键问题是如果解决将各电源引线的电从静止的部件传输到旋转运动主轴上的相应部分。目前实现电的静动传输主要有滑环、碳刷与电磁感应等结构。为了简化主轴的结构设计以及减少后期的维护，并能有效的实现三路引线电的静动传输问题，微细超声加工主轴采用滑环实现静动结构件的能量传输。

微细超声加工主轴的结构，如图3所示。图中的滑环依据实际的加工需要能够实现三路引线电的静动传输，滑环内圈通过轴肩定位、周向螺栓安装固定在旋转运动的主轴上，滑环的外圈通过螺栓固定在主轴座上。主轴通过两对角接触球轴承对安装固定于主轴座内，主轴的后端部分通过联轴器连接伺服电机，主轴的前端部分通过锥型定位螺栓紧固安装主轴微细超声振动系统。主轴微细超声振动系统的两路引线路径为：主轴微细超声电源—滑环外圈—滑环内圈—主轴进线孔—主轴穿线孔—主轴微细超声振动系统中的电极片；微细工具电极的引线路径为：电火花电源的阳极—滑环外圈—滑环内圈—主轴进线孔—主轴穿线孔—节面引线孔—微细工具。

图3 微细超声加工主轴结构示意图Fig.3 Spindle Structure of the Micro Ultrasonic Machining

3.2 微细超声振动工作液槽设计

微细超声振动工作液槽的设计除了能具备一般工作液槽的功能，还需要具备以下功能：（1）用于工件加振的微细超声加工；（2）用于电火花块反拷在线制作微细工具。为了实现以上功能，工作液槽设计时采用的是底部安装工作台微细超声振动系统以满足工作台能产生超声振动的功能，在工作槽的侧壁安装块电极辅助夹具以满足电火花块反拷加工的功能，微细超声振动工作液槽加工实物图，如图4所示。工件加振的微细超声加工中，通过强力双面胶将工件固定在超声振动工作台上，在超声电源的驱动下，能驱使工件做高频的机械振动。将电火花块反拷加工与超声振动工作台集成在同一个工作液槽中，还能够实现微细工具电火花块反拷加工过程中对电火花工作液施加超声振动，有利于电火花块反拷加工中加工产物的排除，改善电极加工质量。

图4 微细超声振动工作液槽Fig.4 Working Fluid Groove with Micro Ultrasonic Vibration

3.3 运动控制系统硬件设计

微细超声加工时，主要的运动为主轴的旋转运动与加工特定对象相对应的微细工具轨迹运动。微细超声加工机床整体采用立式结构，主轴安装在立式滑台上，立式滑台固定在大理石立柱上。在伺服电机的驱动下可以使主轴沿滑台作上下运动；微细超声加工主轴与辅助零部件具有一定的重量，立式滑台采用的是丝杠+双导轨的结构，选用的伺服电机具有自锁功能。为了防止主轴在通断电瞬间往下掉损坏机床，在电机与驱动器间连接了一个继电器，确保加工安全。由于微细超声加工时对平台的运动精度高，立式滑台的运动精度满足不了加工需求，加工时微细工具所要实现的轨迹运动由微三维运动平台控制。

微细超声加工整体运动系统硬件设计采用的是大位移运动部件与小位移运动系统相结合，立式滑台实现粗的对刀运动，使微细工具运动到微三维运动平台A轴的运动范围之内，精对刀与加工运动都依靠微三维运动平台实现。微三维运动平台，如图5所示。其安装固定在大理平台上，B轴、C轴、A轴的行程分别为100 mm、100 mm、10 mm，各轴的最小分辨率都是0.1μm。

图5 微三维运动平台Fig.5 Micro Three-Dimensional Motion Platform

3.4 数据采集系统硬件设计

任何闭环运动控制系统中，都必须有一个参量作为反馈信号以实现运动控制，在实际的运动控制过程中，通常作为控制参量的反馈信号主要有电流、电压、扭矩、声发射、速度以及力等。针对微细超声加工，微细电极的在线制作与微细超声加工过程中都需要对加工信号进行采集。电火花块反拷加工一般采用实时加工的电流或者电压信号作为运动控制系统的短路回退信号。在微细超声加工中，一般采用实时加工的力信号作为运动控制系统的反馈信号[3，9]。采用的是NI（NationalInstruments）公司的数据采集卡NI6361对加工信号进行采集的，采集卡的技术参数，如表1所示。

表1 NI6361数据采集卡主要技术参数Tab.1 The Major Technical Parameters About NI6361 Data Acquisition Card

4 结论

设计的微细超声加工机床可以根据实际加工需求将振动施加到工具或者工件上，该机床包括微细超声主轴系统、微细超声工作台系统、运动控制系统与数据采集系统，针对各系统中的关键零部件进行了详细的设计。设计的主轴能够实现工具电极在线加工以及微细超声振动的施加，在保证回转精度的前提下解决了电能在动静部件间的有效传输。设计的工作液槽可以施加超声振动，通过辅助夹具将块电极安装于工作液槽内，实现了一槽多用的功能，更换工作液类型可以实现电火花块反拷工具电极以及微细超声加工。采用宏微驱动的控制模式可以保证微细超声加工中的加工精度，将微细超声加工中的实时力与运动控制相结合形成闭环控制，可以实现恒力加工。