專利名稱：并行精密加工方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種工件的加工方法，特別是涉及一種對工件進行并行精密加工的方 法與系統。
背景技術：
當代工業應用中，許多微細結構的加工面臨一個矛盾，即尺寸越小，精度要求越 高，制造時間和成本就越高。這導致一系列微細結構，雖然知道它們的價值，卻因為經濟不 實用而無法大規模應用。比如，微槽冷卻可以有效解決關鍵部件的熱控制問題，所需微槽尺寸約為100微 米寬，200-300微米深，間距200微米。但是，用目前的方法在金屬或陶瓷上加工大量的大 尺寸微槽成本太高。又比如，有一些生態仿真的結構(微肋條形狀(riblet)，超疏水結構) 可以有效降低運動器件在流體中的磨擦阻力(>5%-50%)，達到環保節能的效果。微肋 條結構約為20微米高，20微米寬，50微米間距。要將此技術應用于大面積結構上，必須在 保證加工精度和質量的同時，將生產效率與成本控制在實用范圍.而超疏水結構需要實現 納米結構。另外，薄膜劃片廣泛應用于太陽能生產中，要求選擇性去除某些層而精確停止于 指定層。這要求擁有約50微米的平面精度，小于100納米的Z向精度，同時將對膜結構的 破壞極小化。太陽能劃片目前普遍用激光加工，但深度控制及結構損壞控制仍有待進一步 改進以進一步提高轉換效率。總體上，目前微小結構的加工主要用以下方法.其一為機械微細銑削。傳統機械微細加工需要將刀具做成細長結構，比如，用微細 銑刀達到0. 05毫米分辨率的銑削，需要先具備至少0. 05毫米直徑的刀具頭，為對準方便， 此段至少為數毫米長，如3毫米長，然后過渡到可以裝卡的直徑。這種結構在刀具遭遇應力 時很容易變形或折斷，因此傳統機械微細加工的加工分辨率一般在0. 1毫米以上以避免頻 繁的刀具折損。加工速度有限，適用材料也受限于刀具。相對其它非接觸式加工，其優點為 尺寸可以相對精確控制，熱影響小。缺點為可能產生機械應力影響區，脆性材料可能產生微 剝離。此法為串行加工。其二為激光升華式加工。激光可以匯聚到很小尺寸，從而將各種材料升華去 除.但用于微細加工的激光功率偏低(目前一般低于100W，2009年多為50W以下)，導致加 工速度偏低。另外，激光加工容易導致熱影響區及表面多余堆積，需要后續處理.激光加工 深度控制是一難點，需要因材料的不同而仔細標定工藝參數.激光微細加工，除了準分子 激光，多為串行加工。太陽能薄膜劃線中人們已經將多束激光并行使用，但并行的數量有限 (一般<20)。集成多個激光器面臨復雜的控制與可靠性挑戰。另外，激光的設備投入及運 行成本相對偏高。其三為電火花加工.缺點是工具磨損與速度慢。電化學加工則存在環境污染問 題。所有電化學電火花加工都要求工件導電及應用加工輔助介質(去離子水或電解液)。其它工藝如水刀加工或超聲加工，存在精度不夠或速度偏慢的問題。
綜上所述，當代許多工業生產需要一種能夠高速，高精度，高質量，低成本大尺寸 加工微槽及精密劃線的方法與系統.。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種精密加工方法，以滿足當代工業生產所需要 的高速，高精度，高質量要求。為解決上述技術問題，本發明提供了一種并行精密加工方法，將復數個微細結構 成型于宏觀結構上構成刀具單元，利用驅動與進給系統實施所述刀具單元與待加工工件間 的相對運動，通過所述微細結構對所述工件進行并行精密加工。本發明將微小結構集成于大尺寸的精密主軸上，主軸具備充足的剛性，通過眾多 微小結構與工件間的高速運動完成工件的漸進去除，可以通過進給量的控制精密控制切削 力；實現了高速精密并行加工的同時，避免了傳統機械微細加工的刀具易折損難題。本發明的進一步改進在于，通過以下方法加工所述刀具單元a.加工出所述宏觀 結構；b.在所述宏觀結構上均勻沉積厚度精確控制的耐磨層；C.在所述耐磨層上去除多余 材料，形成所述微細結構。本發明的進一步改進在于，通過以下方法加工所述刀具單元a.加工出所述宏觀 結構；b.單獨成型所述微細結構；C.利用復數個間隔塊將所述微細結構在所述宏觀結構上 組裝起來。本發明的進一步改進在于，所述宏觀結構為一旋轉軸，所述驅動與進給系統包括 電機與NC工作臺或機器人系統；通過所述電機驅動所述旋轉軸旋轉，將待加工工件安裝于 所述NC工作臺上或機器人系統上，接近所述旋轉的旋轉軸，實現對所述工件的加工。本發明的進一步改進在于，所述宏觀結構為一板狀結構，所述驅動與進給系統包 括平移驅動裝置與NC工作臺或機器人系統；通過所述平移驅動裝置驅動所述板狀結構平 移運動，將待加工工件安裝于所述NC工作臺上或機器人系統上，接近所述平移的板狀結 構，實現對所述工件的加工；并且，在加工時對所述微細結構施加超聲振動，使所述微細結 構在平移切削的同時擁有高頻小幅度振動。本發明還提供了一種并行精密加工系統，包括一驅動系統；一刀具單元，與所述 驅動系統保持傳動連接；以及一 NC工作臺或機器人系統；所述刀具單元包括一宏觀結構以 及成型于所述宏觀結構上的復數個微細結構。
圖Ia為本發明的并行旋轉式精密加工系統原理示意圖；圖Ib為圖Ia中的A-A剖面圖；圖2為本發明的并行平板式精密加工系統原理示意圖；圖3為本發明中刀具單元的第一種制造方法流程示意圖；圖4為本發明中刀具單元的第二種制造方法示意圖；圖5為工件在刀具單元上方的并行加工示意圖；以及圖6為便攜式并行精密系統加工示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。參閱圖Ia所示，本發明的并行精密加工系統包括驅動系統10，刀具單元20，控制 系統30，輔助系統40，基座50以及NC工作臺60，其中驅動系統10在本實施例中為一主軸電機，用于驅動刀具單元20 ；刀具單元20包括一宏觀結構21以及成型于宏觀結構21上的復數個微細結構22， 在本實施例中，宏觀結構21為一旋轉軸；輔助系統40包括類似于傳統機床的冷卻射流噴氣與廢屑回收單元等。加工時，刀具單元20由驅動系統10 (主軸電機)直接或間接驅動，高速旋轉，同 時，工件70安裝在NC工作臺60上，接近旋轉的刀具單元20，進行接觸式機械去除加工。相 對于普通串行加工，這里將微細結構22并行集成于旋轉軸上。根據工件70的不同要求，刀 具單元20可以有不同的軸向長度。配合圖lb，在局部剖面上，該刀具單元20相當于一個微 型化的銑削或磨削加工系統，但這里將遠遠小于一毫米的微細結構22依產品加工需要，繼 成至遠遠大于一毫米的軸面上，統一由主軸驅動，完成并行切削.其對加工速度的提高由 以下計算說明.比如，微細結構22為梯形，高度為300微米，長度寬度同為200微米，軸向及圓周 方向間距約為400微米，分布長度為500毫米。旋轉軸由不銹鋼SS304組成，直徑為20毫 米，轉速為2000RPM，則加工面速度約為2米/秒。工件70進給速度為5毫米/秒.則在一 米見方的面積上僅需400秒即可完成寬200微米深200微米的微槽加工。若用激光微細加 工，目前的可行加工時間則約為一個月。此計算說明該方法對實現微細結構廣泛應用的價 值再參閱圖2所示，在該實施例中宏觀結構21為一板狀結構，微細結構22成形于板 狀結構上，驅動系統10為一平移驅動裝置。通過平移驅動裝置驅動板狀結構平移運動，將 待加工工件70安裝于所述NC工作臺60上，接近所述平移的板狀結構，實現對所述工件的 加工；并且，在加工時對所述微細結構施加超聲振動，使所述微細結構22在平移切削的同 時擁有高頻小幅度振動；這種振動可以將連續的機械切削變為間歇性切削，降低刀具加工 中的溫升，又可以將切削材料變成碎屑，避免長屑的形成。長屑對后續加工不利.超聲輔助 加工在大尺寸機械加工中已經廣泛應用.本發明將超聲輔助用到并行微細加工中.由于刀 具的小質量，相對于大尺寸的刀具，對超聲的能量要求也大為降低，利于集成和廣泛應用。再參閱圖3所示，本發明中刀具單元20的第一種制造方法流程示意圖。其加工步 驟為a.加工出宏觀結構21 ；加工旋轉軸時，軸精度由加工任務而定，軸偏差及圓周跳 動一般應小于加工形狀的十分之一；b.在宏觀結構21上均勻沉積厚度精確控制的耐磨層23 ；沉積方法包括但不局限 于PVD，CVD,電鍍，等.耐磨層可以是但不局限于金剛石，SiC等；c.在耐磨層23上去除多余材料，形成所述微細結構22。成型工藝包括但不局限 于激光，電子束，光刻，超聲加工等等。以激光成型為例，將納秒(10~-9秒)或更短脈沖的 激光束通過光學系統聚焦到成型區域，高強度激光將材料升華去除，形成所需微小結構。更 具體地，可以用355納米波長，脈沖< 30納秒的紫外激光束達到約5-20微米甚至更小的結構成型。光束可以通過掃描控制實現復雜的三位形體.對于熱效應敏感的材料，如陶瓷或 玻璃，則可以用更短脈沖的激光器，如匹秒(10~-12秒)或飛秒(10:15秒)激光器。電子 束加工與激光加工類似，但可以達到更高的精度.其它加工方法不再陳述，本領域技術人 員根據上述激光論述可以實現本發明所述微小結構。注意，耐磨層可以沉積到平滑表面上，也可以沉積到三維表面上。后者尤其適用于 高比例刀具的耐磨層沉積。進一步參閱圖4所示，本發明中刀具單元20的第二種制造方法示意圖。其加工步 驟為a.加工出宏觀結構21 ；b.單獨成型微細結構22 ；c.利用復數個間隔塊24將所述微細結構22在所述宏觀結構上組裝起來。間隔塊24可以用各種材料加工而成，要求為尺寸穩定，有足夠的強度以保證加工 精度，間隔塊24與微細結構22共享主軸或平板結構這樣，將微細結構22和間隔塊24模塊化、標準化，一者可以降低成本提高質量，二 者可以僅在需要時更換受損單元而不必將整個刀具單元20更換，三者可以靈活調節微細 結構22的位置，適于多種要求，最后，可以將結構根據需要或加長或減短。比如，微細結構 22為1毫米寬，間隔塊24為1-100毫米寬，則可以將50個微細結構22用49個9毫米寬間 隔塊24串行組裝到主軸上，形成500毫米寬的加工面，切削間隔為10毫米，微細結構22的 加工精度可以是很寬的范圍，如0.01-1000微米.顯然，應用不同的尺寸組合可以將切削單 元靈活布置，且可以實現各種精度的并行加工。如圖5所示，工件可以位于刀具單元20上面。同理，加工系統可以是水平式，也可 以是立式。如圖6所示，該發明的系統可以設計為便攜式，由人工或機器人拿著在復雜工件 上進行加工。
權利要求
1.一種并行精密加工方法，其特征在于，將復數個微細結構成型于宏觀結構上構成刀 具單元，利用驅動與進給系統實施所述刀具單元與待加工工件間的相對運動，通過所述微 細結構對所述工件進行并行精密加工。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于通過以下方法加工所述刀具單元a.加工出所述宏觀結構；b.在所述宏觀結構上均勻沉積厚度精確控制的耐磨層；c.在所述耐磨層上去除多余材料，形成所述微細結構。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于通過以下方法加工所述刀具單元a.加工出所述宏觀結構；b.單獨成型所述微細結構；c.利用復數個間隔塊將所述微細結構在所述宏觀結構上組裝起來。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于所述宏觀結構為一旋轉軸，所 述驅動與進給系統包括電機與NC工作臺或機器人系統；通過所述電機驅動所述旋轉軸旋轉，將待加工工件安裝于所述NC工作臺或機器人系 統上，接近所述旋轉的旋轉軸，實現對所述工件的加工。
5.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于所述宏觀結構為一板狀結構， 所述驅動與進給系統包括平移驅動裝置與NC工作臺或機器人系統；通過所述平移驅動裝置驅動所述板狀結構平移運動，將待加工工件安裝于所述NC工 作臺或機器人系統上，接近所述平移的板狀結構，實現對所述工件的加工；并且，在加工時對所述微細結構施加超聲振動，使所述微細結構在平移切削的同時擁 有高頻小幅度振動。
6.一種并行精密加工系統，包括 一驅動系統；一刀具單元，與所述驅動系統保持傳動連接；以及 一 NC工作臺或機器人系統；其特征在于所述刀具單元包括一宏觀結構以及成型于所述宏觀結構上的復數個微細 結構。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于所述微細結構一體成型于所述宏觀結構上。
8.如權利要求6所述的系統，其特征在于所述微細結構單獨成型，并通過復數個間隔 塊組裝于所述宏觀結構上。
9.如權利要求6至8中任一項所述的系統，其特征在于所述宏觀結構為一旋轉軸結構。
10.如權利要求6至8中任一項所述的系統，其特征在于所述宏觀結構為一平板結構。
全文摘要
一種并行精密加工方法，將復數個微細結構成型于宏觀結構上構成刀具單元，利用驅動與進給系統實施所述刀具單元與待加工工件間的相對運動，通過所述微細結構對所述工件進行并行精密加工。本發明將微小結構集成于大尺寸的精密主軸上，主軸具備充足的剛性，通過眾多微小結構與工件間的高速運動完成工件的漸進去除，可以通過進給量的控制精密控制切削力；實現了高速精密并行加工的同時，避免了傳統機械微細加工的刀具易折損難題。
文檔編號B24B7/00GK102114551SQ20091024787
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者唐權, 張文武 申請人:唐權, 張文武