CN104439919A - 利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，预先在要加工的薄壁特征下构建辅助支撑，辅助支撑的材料为低熔点合金，具体步骤如下：1）制作挠性元件毛坯。2）清洗挠性元件毛坯。3）加工填充辅助支撑材料的沟槽。4）辅助支撑材料的选择和填充。5）微细铣削加工出挠性元件的薄壁特征。6）拆卸夹具、移除和回收辅助支撑材料。7）去毛刺处理。8）挠性元件与毛坯母体分离。9）清洗挠性元件。方法考虑到加工的薄壁特征只有10-20um,极易变形和断裂，将低熔点合金堆置于薄壁底部，加工中作为辅助支撑，以达到增加薄壁特征的刚性的目的。

Description

利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法

技术领域

本发明涉及一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，属于微细铣削加工中加工薄壁零件的技术领域。

背景技术

目前，微电子机械***具有微型化、集成化、智能化的特点，与宏观***相比，能够大批量生产，成本低、性能高，甚至能够实现宏观***所无法实现的功能。其中微型薄壁挠性元件被广泛应用于惯性导航和控制技术领域。微型薄壁挠性元件尺寸小，具有高深宽比结构，是微惯性测量装置部件中加工难度较大、精度要求较高的部分。微型薄壁挠性元件的加工是未来惯性导航和控制领域的支撑技术和关键技术，将对人类的科学技术和工业生产产生深远的影响。

微细铣削加工技术是一种高效率、精度和低成本的微细机械加工工艺，可以应用于不同的复杂三维结构、曲面特征的微小型工件加工，工件材料广泛，近年来在航空航天、模具制造、汽车制造和精密机械等工业领域发展迅速。微细铣削加工薄壁零件的过程中，精确控制薄壁的厚度，减小薄壁的变形，防止薄壁的断裂以及保证加工后的工件表面质量是一直是研究的重要难题。Ratchev等针对薄壁零件的结构特点，采用有限元技术，通过变形分析获得包庇零件的变形模式，再利用数控优化技术对刀具路径进行适当的修正，可以保证薄壁零件的高精度加工要求，有利于加工质量和效率的提高[Ratchev S,Liu S,Becker A.A Error Compensation Strategy in Milling Flexible Thin-Wall Parts.Journal ofMaterials Processing Technology.2005:162-163,673-681]；日本的岩部育洋采用双轴机床分别从零件的两侧壁加工，从而抵消了薄壁的变形[岩部育洋.High accurate of thinwall shape workpiece by end mill.日本机械学会论文集.65(632)：415-420]；国内哈尔滨工业大学在这一领域取得重要成就，哈尔滨工业大学的王波等在微小型机床上通过优化加工工艺参数的方法，加工出带三维结构的惯性薄壁挠性元件，该器件挠性部位的薄壁厚度只有8um[王波，梁迎春，孙雅洲，谭亚明.带三维结构的惯性MEMS器件的微细铣削加工.传感技术学报.19(5):1472-1476]。但是探寻不同种加工材料的最优工艺参数过程也相对繁琐复杂，该方法对于加工不同材料的通用性较差,而且切削参数的选择较小也降低了加工效率。

以上这些研究虽然在一定程度上推动了薄壁工件的加工，但是对于薄壁厚度只有10-20um的微型薄壁挠性器件，以上方法的加工应用上还存在很大的不足。

近年来部分研究人员发现低熔点合金由于其独特的性质，已经被应用到医疗、铸造、自动控制和加工制造等领域。在微细铣削加工中，山东大学的万熠提出了用低熔点合金构造加工件的延伸边界，将毛刺的生成转化到低熔点合金上，以控制工件毛刺的生成[参见中国专利申请CN102211221A《利用低熔点合金来控制微细加工中毛刺产生的方法》]。但是该方法无法直接应用到薄壁挠性元件的加工中，需要进一步创造性劳动，做出相应的技术改进。

在薄壁挠性元件的加工中，将低熔点合金堆置作为薄壁特征的辅助支撑，以增加薄壁特征刚性，防止薄壁特征变形和断裂的研究并未得到深入研究，目前在薄壁挠性器件的加工中也并未见相关研究。

综上所述，探求一种高效率，低成本，高精度加工三维薄壁零件的加工方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，该方法考虑到加工的薄壁特征只有10-20um,极易变形和断裂，将低熔点合金堆置于薄壁底部，加工中作为辅助支撑，以达到增加薄壁特征的刚性的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，预先在要加工的薄壁特征下构建辅助支撑，辅助支撑的材料为低熔点合金，包括以下步骤：

1)制作挠性元件毛坯；

2)清洗挠性元件毛坯；

3)加工填充辅助支撑材料的沟槽；将清洗干净的挠性元件毛坯装夹到五轴微细加工中心上，使用激光对刀保证对刀精度；开动机床铣削加工挠性元件毛坯上表面，并以上表面为基准加工填充辅助支撑材料的沟槽；

4)辅助支撑材料的选择和填充；选择熔点为70℃的低熔点合金作为辅助支撑材料，加热低熔点合金使其融化并将其填充到步骤3)中加工的沟槽中；

5)微细铣削加工出挠性元件的薄壁特征；用硬质合金两刃平头立铣刀，从挠性元件毛坯上表面开始逐层铣削，加工微沟槽，铣削微沟槽过程中在槽底剩余15mm厚的薄壁特征；

6)拆卸夹具、移除和回收辅助支撑材料；加工完成后，将挠性元件从夹具中拆卸下来；进行辅助支撑材料的移除，具体操作是用镊子将元件放入盛有80℃热水的烧杯中；低熔点合金在热水作用下，从固态迅速转变为液态；液态低熔点合金的流动性增强，从沟槽中流出；此时用小型毛刷对薄壁底部做轻微扫刷，即能够将元件从烧杯中清洗干净，烧杯中的液态低熔点合金与水不相容，使用空冷或者注入凉水，待烧杯中温度降低，液态低熔点合金即转变为固态，实现低熔点合金的方便回收；

7)去毛刺处理；

8)挠性元件与毛坯母体分离；由于薄壁元件的薄壁特征刚性较低，为防止零件的变形，用线切割技术将薄壁元件和毛坯母体分离；

9)清洗挠性元件。

所述步骤1)中制作挠性元件毛坯，将母材用线切割技术加工出零件的毛坯长方体小块，其尺寸大小为35mm×20mm×10mm。

所述步骤2)中清洗挠性元件毛坯，线切割后的毛坯上面有较多的油渍和杂质，无法直接应用于加工，将毛坯小块用丙酮浸泡，再放入无水乙醇中用超声波清洗15分钟，即可去掉表面油污和杂质。

所述步骤3)中铣削的沟槽宽3mm,深2mm；使用的刀具是直径为3mm的平头立铣刀。

所述步骤7)的去毛刺处理，在加工的薄壁特征边缘和顶部会有微型毛刺的产生，借助显微镜和微型刀片将工件边角毛刺刮掉。

本发明提供了一种微型薄壁挠性元件加工方法，解决了微型薄壁挠性元件的加工难题。本发明所采用的辅助支撑材料是70℃的低熔点合金，该低熔点合金为深圳市金永安实业有限公司的铅锡合金或铋锡合金。考虑到加工挠性器件的薄壁特征只有10-20um,器件的长为5mm,宽为1mm，高为0.7mm，在加工过程中极易变形和断裂。该方法将低熔点合金先堆置于薄壁底部，作为薄壁件加工过程中的辅助支撑，以达到增加薄壁特征刚性的目的，从而防止器件薄壁加工过程中发生变形和断裂。

为了验证该方法的可行性，在五轴微加工中心(德国KERN-2520)进行铣削实验。该最大转速为50000rpm，X轴行程为250mm，Y轴行程220mm，Z轴行程250mm。其装备了光控单元，被应用于测量微铣刀具。实验中应用的微铣削刀具是两沟槽的硬质合金两刃平头立铣刀。该刀具由NS日进工具株式会社制造。名义直径为0.5mm，刃长0.7mm,有效刃长2mm。采用锥柄直径3毫米的主轴夹头,其长度为40mm。共进行两组实验，第一组实验中不设置辅助支撑进行加工，第二组设置辅助支撑。两组实验采用相同的切削参数，按照上述步骤1)-9)进行了完整的实验操作。

加工中切削参数的设置如下表所示：

切削参数

实验完成后，使用Keyence公司的数码显微镜***VHW-600E观察加工后的结果，在以上两种实验情况下，对比结果非常明显。当薄壁特征加工到15um的时候，没有构建辅助支撑的挠性件在薄壁特征处已经发生局部断裂和大变形。但是，构建了辅助支撑的挠性件的薄壁特征既没有断裂也没有发生较大变形。用该实验设备进一步测量了薄壁特征的三维形貌，观察结果同样验证了构建辅助支撑的元件相对于没有构建辅助支撑的元件，在薄壁特征处有更高质量的三维形貌。

附图说明

图1是微细铣削微型薄壁挠性元件加工流程图；

图2a、图2b分别是微型薄壁挠性元件的主视图和俯视图；

图3是毛坯尺寸示意图；

图4(a)-图4(d)是构建辅助支撑过程示意图；

图5是微型薄壁挠性元件三维示意图；

图6(a)、图6(b)是观察的两组实验条件下薄壁侧面形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种利用低熔点合金来辅助微细铣削加工微型薄壁挠性元件的方法，该方法流程如图1所示，需要加工的挠性元件如图2a、图2b所示，元件薄壁特征h设计尺寸为15um，具体实施如下：

(1)制作挠性元件毛坯。将母材用线切割技术加工出零件的毛坯长方体小块，其尺寸大小为35mm×20mm×10mm，如图3所示，其尺寸大小主要是为了配合机床的装夹加工方便。

(2)清洗挠性元件毛坯。线切割后的毛坯上面有较多的油渍和杂质，无法直接应用于加工。将毛坯小块用丙酮浸泡，再放入无水乙醇中用超声波清洗15分钟，即可去掉表面油污和杂质。

(3)加工填充辅助支撑材料的沟槽。将清洗干净的毛坯装夹到五轴微细加工中心上，使用激光对刀保证对刀精度。开动机床铣削加工毛坯上表面，并以上表面为基准加工填充辅助支撑材料的沟槽，如附图4(a)所示。铣削的沟槽宽3mm,深2mm。使用的刀具是直径为3mm的平头立铣刀。该沟槽用以填充辅助支撑材料。

(4)辅助支撑材料的选择和填充。为了显示出低熔点合金来辅助微细铣削加工微型薄壁挠性元件方法的可行性，将实验分为两组进行对比，第一组的沟槽底部不进行堆置处理，即不构造辅助支撑。第二组实验则在沟槽中进行辅助支撑材料的堆置，选择熔点为70℃的低熔点合金作为辅助支撑材料，加热低熔点合金使其融化并将其填充到步骤(3)加工的沟槽中，如图4(b)所示，为了保证加工的精度，操作过程工件不拆卸，以上操作过程在机床上完成。

(5)微细铣削加工出挠性元件薄壁特征。选用直径为0.5mm的硬质合金两刃平头立铣刀，从毛坯件上表面开始逐层铣削，加工微沟槽如图4(c)所示，铣削微沟槽过程中在槽底剩余15mm的薄壁特征，如图4(c)所示。

(6)拆卸夹具、移除和回收辅助支撑材料。加工完成后，将工件从夹具中拆卸下来。第二组构造辅助支撑的工件需要进行辅助支撑材料的移除，具体操作是用镊子将工件放入盛有80℃热水的烧杯中。低熔点合金在热水作用下，从固态迅速转变为液态。液态低熔点合金的流动性增强，从沟槽中流出。此时用小型毛刷对薄壁底部做轻微扫刷，即可将工件清洗干净，从烧杯中去除干净的工件如图4(d)所示。烧杯中的液态低熔点合金与水不相容，使用空冷或者注入凉水，待烧杯中温度降低，液态低熔点合金即转变为固态，实现低熔点合金的方便回收。

(7)去毛刺处理。在加工的薄壁特征边缘和顶部会有微型毛刺的产生，借助显微镜和微型刀片将工件边角毛刺刮掉。

(8)挠性元件与毛坯母体分离。由于薄壁元件的薄壁特征刚性较低，为防止零件的变形，用线切割技术将薄壁元件和毛坯母体分离。

(9)挠性元件的清洗。将薄壁元件清洗干净，晾干，即可完成薄壁零件的加工，清洗完成后的微型薄壁挠性元件三维形貌如图5所示。

加工完成后用VHX-600E大景深三维显微***观察了两组实验的薄壁特征如图6(a)、图6(b)所示，图6(a)显示的是第一组没有构造辅助支撑的工件，显然薄壁特征侧面已经发生明显的变形和断裂，图6(b)是构造了辅助支撑的工件，其侧面形貌非常完整，符合加工要求。

为了验证该方法的可行性，在五轴微加工中心(德国KERN-2520)进行铣削实验。该最大转速为50000rpm，X轴行程为250mm，Y轴行程220mm，Z轴行程250mm。其装备了光控单元，被应用于测量微铣刀具。实验中应用的微铣削刀具是两沟槽的硬质合金两刃平头立铣刀。该刀具由NS日进工具株式会社制造。名义直径为0.5mm，刃长0.7mm,有效刃长2mm。采用锥柄直径3毫米的主轴夹头,其长度为40mm。共进行两组实验，第一组实验中不设置辅助支撑进行加工，第二组设置辅助支撑。两组实验采用相同的切削参数，按照上述步骤1)-9)进行了完整的实验操作。

加工中切削参数的设置如下表所示：

切削参数

实验完成后，使用Keyence公司的数码显微镜***VHW-600E观察加工后的结果，在以上两种实验情况下，对比结果非常明显。当薄壁特征加工到15um的时候，没有构建辅助支撑的挠性件在薄壁特征处已经发生局部断裂和大变形。但是，构建了辅助支撑的挠性件的薄壁特征既没有断裂也没有发生较大变形。用该实验设备进一步测量了薄壁特征的三维形貌，观察结果同样验证了构建辅助支撑的元件相对于没有构建辅助支撑的元件，在薄壁特征处有更高质量的三维形貌。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种利用低熔点合金辅助加工薄壁挠性元件的方法，其特征是，预先在要加工的薄壁特征下构建辅助支撑，辅助支撑的材料为低熔点合金，具体包括以下步骤：

1）制作挠性元件毛坯；

2）清洗挠性元件毛坯；

3）加工填充辅助支撑材料的沟槽；将清洗干净的挠性元件毛坯装夹到五轴微细加工中心上，使用激光对刀保证对刀精度；开动机床铣削加工挠性元件毛坯上表面，并以上表面为基准加工填充辅助支撑材料的沟槽；

4）辅助支撑材料的选择和填充；选择熔点为70℃的低熔点合金作为辅助支撑材料，加热低熔点合金使其融化并将其填充到步骤3）中加工的沟槽中；

5）微细铣削加工出挠性元件的薄壁特征；用硬质合金两刃平头立铣刀，从挠性元件毛坯上表面开始逐层铣削，加工微沟槽，铣削微沟槽过程中在槽底剩余15mm厚的薄壁特征；

6）拆卸夹具、移除和回收辅助支撑材料；加工完成后，将挠性元件从夹具中拆卸下来；进行辅助支撑材料的移除，具体操作是用镊子将元件放入盛有80℃热水的烧杯中；低熔点合金在热水作用下，从固态迅速转变为液态；液态低熔点合金的流动性增强，从沟槽中流出；此时用小型毛刷对薄壁底部做轻微扫刷，即能够将元件从烧杯中清洗干净，烧杯中的液态低熔点合金与水不相容，使用空冷或者注入凉水，待烧杯中温度降低，液态低熔点合金即转变为固态，实现低熔点合金的方便回收；

7）去毛刺处理；

8）挠性元件与毛坯母体分离；由于薄壁元件的薄壁特征刚性较低，为防止零件的变形，用线切割技术将薄壁元件和毛坯母体分离；

9）清洗挠性元件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤1）中制作挠性元件毛坯，将母材用线切割技术加工出零件的毛坯长方体小块，其尺寸大小为35 mm×20 mm×10 mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤2）中清洗挠性元件毛坯，线切割后的毛坯上面有较多的油渍和杂质，无法直接应用于加工，将毛坯小块用丙酮浸泡，再放入无水乙醇中用超声波清洗15分钟，即可去掉表面油污和杂质。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3）中铣削的沟槽宽3mm,深2mm；使用的刀具是直径为3mm的平头立铣刀。

5.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤7）的去毛刺处理，在加工的薄壁特征边缘和顶部会有微型毛刺的产生，借助显微镜和微型刀片将工件边角毛刺刮掉。