專利名稱：并行精密加工方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工件的加工方法，特別是涉及一種對工件進(jìn)行并行精密加工的方 法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)代工業(yè)應(yīng)用中，許多微細(xì)結(jié)構(gòu)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(dǎo)致一系列微細(xì)結(jié)構(gòu)，雖然知道它們的價值，卻因?yàn)榻?jīng)濟(jì)不 實(shí)用而無法大規(guī)模應(yīng)用。比如，微槽冷卻可以有效解決關(guān)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(tài)仿真的結(jié)構(gòu)(微肋條形狀(riblet)，超疏水結(jié)構(gòu)) 可以有效降低運(yùn)動器件在流體中的磨擦阻力(>5%-50%)，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的效果。微肋 條結(jié)構(gòu)約為20微米高，20微米寬，50微米間距。要將此技術(shù)應(yīng)用于大面積結(jié)構(gòu)上，必須在 保證加工精度和質(zhì)量的同時，將生產(chǎn)效率與成本控制在實(shí)用范圍.而超疏水結(jié)構(gòu)需要實(shí)現(xiàn) 納米結(jié)構(gòu)。另外，薄膜劃片廣泛應(yīng)用于太陽能生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損壞控制仍有待進(jìn)一步 改進(jìn)以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率?？傮w上，目前微小結(jié)構(gòu)的加工主要用以下方法.其一為機(jī)械微細(xì)銑削。傳統(tǒng)機(jī)械微細(xì)加工需要將刀具做成細(xì)長結(jié)構(gòu)，比如，用微細(xì) 銑刀達(dá)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(zhǔn)方便， 此段至少為數(shù)毫米長，如3毫米長，然后過渡到可以裝卡的直徑。這種結(jié)構(gòu)在刀具遭遇應(yīng)力 時很容易變形或折斷，因此傳統(tǒng)機(jī)械微細(xì)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(yōu)點(diǎn)為 尺寸可以相對精確控制，熱影響小。缺點(diǎn)為可能產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力影響區(qū)，脆性材料可能產(chǎn)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(xì)加工的激光功率偏低(目前一般低于100W，2009年多為50W以下)，導(dǎo)致加 工速度偏低。另外，激光加工容易導(dǎo)致熱影響區(qū)及表面多余堆積，需要后續(xù)處理.激光加工 深度控制是一難點(diǎn)，需要因材料的不同而仔細(xì)標(biāo)定工藝參數(shù).激光微細(xì)加工，除了準(zhǔn)分子 激光，多為串行加工。太陽能薄膜劃線中人們已經(jīng)將多束激光并行使用，但并行的數(shù)量有限 (一般<20)。集成多個激光器面臨復(fù)雜的控制與可靠性挑戰(zhàn)。另外，激光的設(shè)備投入及運(yùn) 行成本相對偏高。其三為電火花加工.缺點(diǎn)是工具磨損與速度慢。電化學(xué)加工則存在環(huán)境污染問 題。所有電化學(xué)電火花加工都要求工件導(dǎo)電及應(yīng)用加工輔助介質(zhì)(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(dāng)代許多工業(yè)生產(chǎn)需要一種能夠高速，高精度，高質(zhì)量，低成本大尺寸 加工微槽及精密劃線的方法與系統(tǒng).。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種精密加工方法，以滿足當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)所需要 的高速，高精度，高質(zhì)量要求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種并行精密加工方法，將復(fù)數(shù)個微細(xì)結(jié)構(gòu) 成型于宏觀結(jié)構(gòu)上構(gòu)成刀具單元，利用驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)施所述刀具單元與待加工工件間 的相對運(yùn)動，通過所述微細(xì)結(jié)構(gòu)對所述工件進(jìn)行并行精密加工。本發(fā)明將微小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與工件間的高速運(yùn)動完成工件的漸進(jìn)去除，可以通過進(jìn)給量的控制精密控制切削 力；實(shí)現(xiàn)了高速精密并行加工的同時，避免了傳統(tǒng)機(jī)械微細(xì)加工的刀具易折損難題。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)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(jié)構(gòu)；b.在所述宏觀結(jié)構(gòu)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(xì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)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(jié)構(gòu)；b.單獨(dú)成型所述微細(xì)結(jié)構(gòu)；C.利用復(fù)數(shù)個間隔塊將所述微細(xì)結(jié)構(gòu)在所述宏觀結(jié)構(gòu)上 組裝起來。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述宏觀結(jié)構(gòu)為一旋轉(zhuǎn)軸，所述驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)包括 電機(jī)與NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；通過所述電機(jī)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將待加工工件安裝于 所述NC工作臺上或機(jī)器人系統(tǒng)上，接近所述旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)對所述工件的加工。本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于，所述宏觀結(jié)構(gòu)為一板狀結(jié)構(gòu)，所述驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)包 括平移驅(qū)動裝置與NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；通過所述平移驅(qū)動裝置驅(qū)動所述板狀結(jié)構(gòu)平 移運(yùn)動，將待加工工件安裝于所述NC工作臺上或機(jī)器人系統(tǒng)上，接近所述平移的板狀結(jié) 構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對所述工件的加工；并且，在加工時對所述微細(xì)結(jié)構(gòu)施加超聲振動，使所述微細(xì)結(jié) 構(gòu)在平移切削的同時擁有高頻小幅度振動。本發(fā)明還提供了一種并行精密加工系統(tǒng)，包括一驅(qū)動系統(tǒng)；一刀具單元，與所述 驅(qū)動系統(tǒng)保持傳動連接；以及一 NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；所述刀具單元包括一宏觀結(jié)構(gòu)以 及成型于所述宏觀結(jié)構(gòu)上的復(fù)數(shù)個微細(xì)結(jié)構(gòu)。


圖Ia為本發(fā)明的并行旋轉(zhuǎn)式精密加工系統(tǒng)原理示意圖；圖Ib為圖Ia中的A-A剖面圖；圖2為本發(fā)明的并行平板式精密加工系統(tǒng)原理示意圖；圖3為本發(fā)明中刀具單元的第一種制造方法流程示意圖；圖4為本發(fā)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(tǒng)加工示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參閱圖Ia所示，本發(fā)明的并行精密加工系統(tǒng)包括驅(qū)動系統(tǒng)10，刀具單元20，控制 系統(tǒng)30，輔助系統(tǒng)40，基座50以及NC工作臺60，其中驅(qū)動系統(tǒng)10在本實(shí)施例中為一主軸電機(jī)，用于驅(qū)動刀具單元20 ；刀具單元20包括一宏觀結(jié)構(gòu)21以及成型于宏觀結(jié)構(gòu)21上的復(fù)數(shù)個微細(xì)結(jié)構(gòu)22， 在本實(shí)施例中，宏觀結(jié)構(gòu)21為一旋轉(zhuǎn)軸；輔助系統(tǒng)40包括類似于傳統(tǒng)機(jī)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(qū)動系統(tǒng)10 (主軸電機(jī))直接或間接驅(qū)動，高速旋轉(zhuǎn)，同 時，工件70安裝在NC工作臺60上，接近旋轉(zhuǎn)的刀具單元20，進(jìn)行接觸式機(jī)械去除加工。相 對于普通串行加工，這里將微細(xì)結(jié)構(gòu)22并行集成于旋轉(zhuǎn)軸上。根據(jù)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(dāng)于一個微 型化的銑削或磨削加工系統(tǒng)，但這里將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一毫米的微細(xì)結(jié)構(gòu)22依產(chǎn)品加工需要，繼 成至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一毫米的軸面上，統(tǒng)一由主軸驅(qū)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(xì)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸由不銹鋼SS304組成，直徑為20毫 米，轉(zhuǎn)速為2000RPM，則加工面速度約為2米/秒。工件70進(jìn)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(xì)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(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的價 值再參閱圖2所示，在該實(shí)施例中宏觀結(jié)構(gòu)21為一板狀結(jié)構(gòu)，微細(xì)結(jié)構(gòu)22成形于板 狀結(jié)構(gòu)上，驅(qū)動系統(tǒng)10為一平移驅(qū)動裝置。通過平移驅(qū)動裝置驅(qū)動板狀結(jié)構(gòu)平移運(yùn)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(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對所述工件的 加工；并且，在加工時對所述微細(xì)結(jié)構(gòu)施加超聲振動，使所述微細(xì)結(jié)構(gòu)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(xù)的機(jī)械切削變?yōu)殚g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(xù)加工不利.超聲輔助 加工在大尺寸機(jī)械加工中已經(jīng)廣泛應(yīng)用.本發(fā)明將超聲輔助用到并行微細(xì)加工中.由于刀 具的小質(zhì)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(yīng)用。再參閱圖3所示，本發(fā)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(jié)構(gòu)21 ；加工旋轉(zhuǎn)軸時，軸精度由加工任務(wù)而定，軸偏差及圓周跳 動一般應(yīng)小于加工形狀的十分之一；b.在宏觀結(jié)構(gòu)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(xì)結(jié)構(gòu)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(xué)系統(tǒng)聚焦到成型區(qū)域，高強(qiáng)度激光將材料升華去除，形成所需微小結(jié)構(gòu)。更 具體地，可以用355納米波長，脈沖< 30納秒的紫外激光束達(dá)到約5-20微米甚至更小的結(jié)構(gòu)成型。光束可以通過掃描控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三位形體.對于熱效應(yīng)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(dá)到更高的精度.其它加工方法不再陳述，本領(lǐng)域技術(shù)人 員根據(jù)上述激光論述可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述微小結(jié)構(gòu)。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(jìn)一步參閱圖4所示，本發(fā)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(jié)構(gòu)21 ；b.單獨(dú)成型微細(xì)結(jié)構(gòu)22 ；c.利用復(fù)數(shù)個間隔塊24將所述微細(xì)結(jié)構(gòu)22在所述宏觀結(jié)構(gòu)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(wěn)定，有足夠的強(qiáng)度以保證加工 精度，間隔塊24與微細(xì)結(jié)構(gòu)22共享主軸或平板結(jié)構(gòu)這樣，將微細(xì)結(jié)構(gòu)22和間隔塊24模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，一者可以降低成本提高質(zhì)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(diào)節(jié)微細(xì) 結(jié)構(gòu)22的位置，適于多種要求，最后，可以將結(jié)構(gòu)根據(jù)需要或加長或減短。比如，微細(xì)結(jié)構(gòu) 22為1毫米寬，間隔塊24為1-100毫米寬，則可以將50個微細(xì)結(jié)構(gòu)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(xì)結(jié)構(gòu)22的 加工精度可以是很寬的范圍，如0.01-1000微米.顯然，應(yīng)用不同的尺寸組合可以將切削單 元靈活布置，且可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可以是水平式，也可 以是立式。如圖6所示，該發(fā)明的系統(tǒng)可以設(shè)計為便攜式，由人工或機(jī)器人拿著在復(fù)雜工件 上進(jìn)行加工。
權(quán)利要求
1.一種并行精密加工方法，其特征在于，將復(fù)數(shù)個微細(xì)結(jié)構(gòu)成型于宏觀結(jié)構(gòu)上構(gòu)成刀 具單元，利用驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)施所述刀具單元與待加工工件間的相對運(yùn)動，通過所述微 細(xì)結(jié)構(gòu)對所述工件進(jìn)行并行精密加工。
2.如權(quán)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(jié)構(gòu)；b.在所述宏觀結(jié)構(gòu)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(xì)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)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(jié)構(gòu)；b.單獨(dú)成型所述微細(xì)結(jié)構(gòu)；c.利用復(fù)數(shù)個間隔塊將所述微細(xì)結(jié)構(gòu)在所述宏觀結(jié)構(gòu)上組裝起來。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述宏觀結(jié)構(gòu)為一旋轉(zhuǎn)軸，所 述驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)包括電機(jī)與NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；通過所述電機(jī)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將待加工工件安裝于所述NC工作臺或機(jī)器人系 統(tǒng)上，接近所述旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)對所述工件的加工。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述宏觀結(jié)構(gòu)為一板狀結(jié)構(gòu)， 所述驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)包括平移驅(qū)動裝置與NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；通過所述平移驅(qū)動裝置驅(qū)動所述板狀結(jié)構(gòu)平移運(yùn)動，將待加工工件安裝于所述NC工 作臺或機(jī)器人系統(tǒng)上，接近所述平移的板狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對所述工件的加工；并且，在加工時對所述微細(xì)結(jié)構(gòu)施加超聲振動，使所述微細(xì)結(jié)構(gòu)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(tǒng)，包括 一驅(qū)動系統(tǒng)；一刀具單元，與所述驅(qū)動系統(tǒng)保持傳動連接；以及 一 NC工作臺或機(jī)器人系統(tǒng)；其特征在于所述刀具單元包括一宏觀結(jié)構(gòu)以及成型于所述宏觀結(jié)構(gòu)上的復(fù)數(shù)個微細(xì) 結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述微細(xì)結(jié)構(gòu)一體成型于所述宏觀結(jié)構(gòu)上。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述微細(xì)結(jié)構(gòu)單獨(dú)成型，并通過復(fù)數(shù)個間隔 塊組裝于所述宏觀結(jié)構(gòu)上。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于所述宏觀結(jié)構(gòu)為一旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于所述宏觀結(jié)構(gòu)為一平板結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種并行精密加工方法，將復(fù)數(shù)個微細(xì)結(jié)構(gòu)成型于宏觀結(jié)構(gòu)上構(gòu)成刀具單元，利用驅(qū)動與進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)施所述刀具單元與待加工工件間的相對運(yùn)動，通過所述微細(xì)結(jié)構(gòu)對所述工件進(jìn)行并行精密加工。本發(fā)明將微小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與工件間的高速運(yùn)動完成工件的漸進(jìn)去除，可以通過進(jìn)給量的控制精密控制切削力；實(shí)現(xiàn)了高速精密并行加工的同時，避免了傳統(tǒng)機(jī)械微細(xì)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(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者唐權(quán), 張文武 申請人:唐權(quán), 張文武