微制造:不断发展的新兴前沿技术
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在主要由医疗市场的需求,以及对体积更小的电子产品持续增大的需求推动下,微制造正成为工业加工领域一个不断增长的组成部分。
在主要由医疗市场的需求,以及对体积更小的电子产品持续增大的需求推动下,微制造正成为工业加工领域一个不断增长的组成部分。
最早从事微制造的企业主要有三个来源。首先是那些长期以来一直在成功地从事微型加工(如瑞士式车削)的企业。第二类企业包括那些对自己的设备进行了技术改造,以满足微制造特殊要求的制造商。例如,近年来许多刀具制造商都纷纷建立了小型刀具产品线。三是那些在最近几年引进了全新的微型设备(如台式微型机床和协助外科医生进行手术的机器人)的企业。
这些企业正在从事哪些工作呢?首先来看一家美国公司生产的高科技医疗产品。Intuitive Surgical公司主要设计、制造和销售达芬奇(da Vinci)外科手术系统。该公司的所有产品都是为实施微创手术(MIS)而设计的。MIS是指使用腹腔镜或内窥镜的外科手术,它是通过硬币大小(1-2cm)的切口(即操作口)来实施的。这种手术方式与传统的、切口大得多(往往长达150-300mm)的开放式手术截然不同。
达芬奇外科手术系统已成功应用于革命性的前列腺切除术和心脏二尖瓣修复术,以及其他一些微创手术。在手术过程中,该系统能通过很小的切口(操作口),将坐在控制台上的外科医生在器械控制器上的手部动作无缝转换为位于患者体内的手术器械对应的微小运动。它为外科医生提供了开放式手术的直观控制、动作范围、对人体组织的精细手术能力,以及三维可视性等特点,同时又使外科医生能通过很小的MIS操作口实施手术。
实际上,这种达芬奇外科手术系统并不能以任何方式自主运行。相反,该系统是用于将外科医生的手部动作无缝复制到微型手术器械的端部。手术时,外科医生坐在控制台上,眼睛注视着手术视场的三维图像,手指握住显示屏下方的主控制器,手臂和手腕相对于自己的眼睛自然定位。该系统采用主/从模式,将外科医生手臂、手腕和手指的动作精确、实时地转换为患者体内手术器械的运动。患者方执行机构包括3-4个机器人手臂(2-3个手术器械臂和一个内窥镜臂),用于执行外科医生的各种指令。全套的EndoWrist专用手术器械可在手术过程中为医生提供支持。这些手术器械具有7自由度运动能力,能逼真模仿人类手臂、手腕和手指的灵巧动作。每种器械都有特定的手术用途(如夹紧、缝合和处理人体组织)。在手术过程中,快速解锁杆可以加快更换器械的速度。配备了高清晰度、高分辨率三维内窥镜和图像处理设备的InSite视觉系统能够提供形象逼真、放大10倍的手术视场三维图像。

图1 Intuitive Surgical公司的机器人手术系统能将外科医生的手部动作转换为机器人手臂的动作指令

图2 制造心脏起搏器需要精度极高的微小零件,要用能进行微细切削而不会损坏零件的微型刀具加工
切削刀具要成功应用于微加工领域,就必须对其进行改造。提供高速微加工技术与装备的Datron Dynamics公司总裁Walter Schnecker解释说,“虽然传统CNC数控机床采用的大功率电机能为坚固的大尺寸刀具提供足够的加工动力,但对于纤细脆弱的微小尺寸刀具而言,这些机床特性却可能极具破坏性。为了用微型刀具高效加工许多医疗器件,需要采用专门为其设计的加工设备,以及不同于标准加工方法的特殊工艺。”
高速切削技术通常采用高转速、小步距和大进给率进行加工。用微型刀具切削时,由于系统移动速度很快,因此切削热来不及传入工件之中并造成各种加工问题。
Datron公司在医疗加工行业的用户发现,在许多情况下,采用该公司转速为60,000r/min的高速主轴,可将切屑负荷减小到0.127mm以下。这种切屑负荷能大大减小刀具与工件材料之间的切削力,从而减少切削热和刀具变形,并允许加工壁厚更薄的工件。Datron的微加工技术可提供很高的精度(0.002mm的分辨率、0.0127mm的绝对精度和0.0005mm的相对精度)。这种加工性能可以满足用户对微细结构(乃至印刷电路板)的加工需求。
京瓷(Kyocera)公司对微型刀具术有专攻,掌握了制造直径3.2mm以下刀具的专业知识与技能。该公司高级开发工程师Michael D. Tibbet解释说,“在微加工领域,我们将直径小于0.3mm的刀具归类为微型刀具。用大于0.3mm的刀具加工相对比较容易,而用小于0.3mm的刀具加工则变得颇具挑战性。”
微型刀具的典型市场包括电子、医疗、牙科以及汽车和航空等行业的零部件加工。Tibbet表示,“在电子行业,各种产品正变得越来越小,这就促使其关键零部件的尺寸公差缩小到0.001mm。在某些情况下,需要加工孔径小于0.5mm,深度超过20mm的深孔。医疗器械制造商还需要使用直径小至0.13mm的微型立铣刀进行加工,而且对加工表面光洁度要求非常高。”
满足这些要求的一个例子是医用导管的加工,导管直径仅为0.3mm,要求加工出的孔和槽光滑无毛刺。京瓷公司的工程师用直径0.25mm的立铣刀来加工这些工件特征。首先,加工一根外径0.4mm、壁厚0.08mm的管子。立铣刀采用最小的圆弧插补刀轨同时加工出两侧的工件特征。只在管子外壁出现了一个毛刺,并通过滚筒抛光予以去除。
微型攻丝加工也需要予以特别关注。硬质合金微型丝锥主要用于高速钢丝锥难以满足螺纹精度要求的加工场合。一般来说,生产精密硬质合金丝锥比生产同等精度的高速钢丝锥更容易一些,在微型丝锥的尺度范围内尤其如此。
瑞士Rollomatic公司的GrindSmart CNC620XS六轴联动数控工具磨床适合磨制高速钢和硬质合金微型丝锥。在加工软件的控制下,可通过一次装夹,完成对丝锥的所有磨削加工,包括磨制螺纹和刀槽、铲磨刀体、磨制锥尖、导程角和其他所有需要的锥尖几何形状。GrindSmart工具磨床上还设计了一个用于磨制小型丝锥的专用尾座,它采用可调压力式顶尖,能通过摆动移位自动装卸工件。该机床的CNC Fanuc i控制面板可显示50nm的直线轴标尺反馈。用于修整螺纹形状的机载砂轮修形器采用CNC驱动的旋转式修形器,其转速可通过编程设定和控制。通常,丝锥螺旋角小于60°,其锥尖圆弧半径可将螺纹牙型加工至孔底。GrindSmart提供的软件模块使编程人员可以选择螺纹牙型的形状。
微型零件加工完成后,工作却并未结束。测量也是微制造的一个重要组成部分。加工出的零件是否符合要求?为了回答这个问题,需要进行精确的测量。例如,L.S. Starrett公司生产的比较仪采用了分辨率为0.0013mm的Heidenhain刻度盘。这种度盘精度可确保生产线达到在1°范围内±0.0025mm的尺寸公差。该公司的光学比较仪采用50倍或100倍的放大倍数(取决于被测微型零件的尺寸)。当需要对微型零件进行分选时,采用标准样板有助于快速完成对零件的100%全检。

图3 Zeiss测量系统采用测力极小的微型测头,可避免测量微小零件时因测力过大造成的问题
Carl Zeiss IMT公司新产品经理Gerrit deGlee说,“为了应对测量微型零件的挑战,我们专门设计了Zeiss F25测量机,它能用接触式测头测量零件几何形状,甚至还可以用该测头进行扫描测量。测量微型零件与测量常规零件的区别在于,测头所施加的测力要比标准三坐标测量机的测力小大约100倍。测力减小的结果是可以采用较小的零件夹持力,并确保不会因为测头的触测而导致零件变形。”
Zeiss F25测量机可以使用直径仅为0.12mm的球测头。如此细小的测头使其能够检测许多其他测量机无法测量的微加工零件特征。deGlee说,“有些微型零件的几何形状可以用光学方法测量。F25测量机也具有光学边缘检测功能。零件公差的日益缩小意味着必须不断提高测量机的精度。F25的测量不确定度≤250nm,这是依照ISO 10360(《坐标测量机的验收、检测和复检检测》国际标准)确定的。”
Zeiss F25测量机是专门为检测微小零件而设计的,并与该公司的Calypso测量软件全面集成。deGlee提醒说,“为了满足检测微小零件的要求,用户必须拥有精确的测量机、可靠的控制系统、微型传感测头,以及能与硬件设备连接的合适软件,还需要有支持整个检测系统的组织机构。”
机器人对于微制造行业至关重要,因为它们正变得越来越小、越来越可靠,而且成本也越来越低。发那科机器人美国公司(Fanuc Robotics America Inc.)生产的六轴桌面型机器人为新的Fanuc R-J3iC控制器提供了集成的iRVision机器人视觉功能。该系统是该公司第一款内置了预设机器视觉功能的机器人,并为用户提供了机器人操控或过程反馈的单一来源。
LR mate 200 IC是最新款的迷你型机器人,它的速度比以前的型号更快,其重量从过去的45公斤减轻到27公斤,而且操作的重复精度更高。
据该公司物料输送部门总经理Richard Johnson介绍,Fanuc机器人设计理念的一个重大变化是给每个机器人都装上视觉系统。他解释说,“这样做可以降低系统成本,因为与必须对工件进行精确初始定位的‘瞎子’机器人相比,视觉机器人需要的相关设备更少。”这种视觉系统可以告诉机器人工件的位置,因此你很少需要(或完全不需要)使用夹具。在操作过程中,视觉系统通过拍摄图像、处理数据和发送信号来控制机器人的动作。如果需要,机器人可以拿起工件并将其放到镜头前,对微细零件特征进行检查,或把工件提交给测量设备检测。
在生产环境中,控制早期视觉系统的个人电脑难以始终保持其可靠性。而Fanuc视觉系统内置在机器人中,其可靠性大大提高。事实上,其摄像系统可以即插即用。
对一些实力雄厚的老牌机床制造商来说,适应与常规加工截然不同的微加工规则并非难事。牧野(Makino)机床公司长期专注于主要用于塑料工业的模具加工。该公司微加工市场经理Lee Richmond表示,“我认为,由于企业试图找到自己的利基市场,美国工业界正向制造尺度非常大和非常小的零件这两极发展。而这两类零件对尺寸精度的要求都越来越高。为了满足微制造市场的需求,我们的加工机床也在不断发展。例如,V22立式加工中心的主轴转速高达40,000r/min,工作行程为320×280×300mm,既适合加工较大的零件,也能加工微细结构。”

图4 沙迪克公司(Sodick Plustech)采用V-Line结构的两级柱塞式微型注塑机的螺杆工作原理与固定单螺杆压出机类似,以确保熔融塑料的精确输送
在放电加工(EDM)方面,牧野公司的EDAC 1电火花机床能对微小的尖角和微细结构进行高精度加工。
除了制造微型零件以外,还有许多微制造任务是加工较大零件上的微小特征。Richmond说,“我们有一个客户需要用于加工厚度为0.13mm(或更小)材料的连续冲模。他要求冲头与冲模之间的允许间隙量仅为0.002mm,而这种加工通常允许的间隙量为0.013mm。这个客户原来采用电火花加工加磨削的组合工艺,但他希望在一次装夹中完成加工。现在他实现了这一目标。”
放电加工(EDM)是微型零件制造商特别青睐的一种加工方式。瑞士Sarix公司的SX-100 /200系列微细电火花加工机床是专为高精度微型器械、微型零部件和微流体型腔微型注塑模具的中等批量加工而设计的。这两种型号的机床将先进的微细EDM技术与微细电脉冲成形(MFPS)发生器集成到一起,为加工出更小、更深、更精确的完美圆孔提供了新的可能性。该设备能加工出直径1mm-10µm、表面粗糙度达Ra 0.05µm的微细深孔。
SX-100/200机床采用内置的微型线切割装置对电极进行微细磨削,可以通过四轴联动加工出形状复杂的型面、薄壁和微细结构。该机床的孔深控制精度小于1µm。微细EDM装置能在各种难加工材料(如镍钛合金、钛合金、铂金、聚晶金刚石和硬质合金)上实现精度达± 0.5µm的微孔加工,而且不会改变材料特性。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2012年第2期
上载于:2014-1-27 22:09:14

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