微小型加工装备的国内外研究现状综述

顾佳超　徐恒斌　张文瀚

摘 要：随着社会经济快速发展，微小型加工装备得到了广泛关注。文章对微小型加工设备研究的国内外现状进行了综述，力求对微小型加工设备的研制提供一定的技术参考。

关键词：微小型；加工设备；现状

微小型机械加工系统是目前世界上重要的先进性技术，这种桥梁技术实现了微观加工制造领域与宏观加工制造领域的相互连接，并作为了21世纪重点技术的发展方向，国内外科研学者倾注了大量的物力，财力用于微小型加工设备的研究，并取得了一定显著的科研成果[1]。其中，日本、欧美等发达国家在微小型加工设备方面的研究起步较早，并且有许多技术已经实现了商品化，为世界微机械制造技术的发展做出了卓越贡献。相比之下，我国在微小型加工设备的研究方面起步较晚，但也取得了一定的科研成果。

1 国外微小型加工装备的研究现状

日本先进科学技术研究院（AIST）于1998年开发出了当时被认为是世界上最小的微小车床，这台微小车床的外型尺寸为长32mm，宽25mm，高30.5mm，其重量仅为100g[2]（如图1），在这台微小车床上装备有一个刀架和一个微机电驱动主轴，其定位精度达到25nm，通过对步进驱动进给方式的优化，实现了进给率为400μm/s的平滑进给，其主轴电机功率虽然仅有1.5w，但可实现最高10，000rpm的转速。

2005年位于日本的NANO株式会社成功研制出了一台小型的精密CNC加工机床[3]（如图2所示），该精密机床的加工精度能够达到微米级，并且已经实现了商品化。

西北大学和伊利诺伊斯大学两所大学院校共同研制出了一台主轴转速能够达到200，000rpm，进给系统的分辨率能够达到0.5μm的微小型车床[4]（如图3所示），密歇根大学在此方面也进行了大量的研究工作，并成功的研制出了一台能够进行三维复杂曲面加工的微小型加工单元[5]（如图4所示），这台微小型加工单元的主轴驱动方式采用气动涡轮机驱动，主轴的最高转速能够达到20，000rpm，主轴的回转精度能达到1μm，其定位精度能达到0.5μm。

弗朗恩霍夫研究院（Fraunhofer Institute）针对应用常规尺寸的机床加工微小型零件所出现的诸多问题，在微小型加工系统的研究方面进行了一系列的研究工作，并已成功研制出了微小型加工中心[6]（如图5所示）。

2 国内微小型加工装备的研究现状

在微小型加工设备研究方面我国起步相对较晚，但其发展却相对较快，并有一些技术已处于国际领先地位。国内有多家科研院所及高校开展了关于微小型制造技术方面的研究，其中哈尔滨工业大学，北京理工大学，南京航空航天大学，清华大学，长春理工大学等一批高等院校取得了卓越的研究成果。

哈尔滨工业大学的精密工程研究所于2007年研制出了一台微小型超精密三轴联动数控铣床[7]（如图6所示），该机床的外形尺寸为300mm×300mm×290mm，主轴最高转速达到了160，000rpm，主轴回转精度达到了1，工作台重复定位精度±0.25？滋m，位置精度±0.5？滋m/75mm，机床使用的刀具为进口刀具，最小直径为0.15mm。

北京理工大学研制了一台用于加工形状复杂的微小型轴类零件的微小型车铣加工中心[8]（如图7所示），该加工中心工作台的重复定位精度为±0.2μm，进行车削加工时车削主轴转速能够达到8000rpm，进行铣削加工时铣削头主轴转速能够达到60，000rpm。

多年来长春理工大学一直致力于超精密微小型加工设备的研究，并研制出了一台三轴联动数控铣床[9]，机床外形尺寸为400mm×400mm×500mm，主轴最高转速达到60000rpm，主轴径向跳动误差为±1μm，工作台采用滚珠丝杠精密滑台，其运动精度为±0.4μm/100mm。

参考文献

[1]邱峰.桌面式为小铣床结构设计与仿真分析[D].长春理工大学，2009.

[2]Ehmann K F，Bourell D.WTEC Panel Report on International Assessment of Research and Development in Micro manufacturing [R].USA：WTEC，2005.

[3]Andrew G.Phillip， Shiv G. Kapoor，Richard E.DeVor.A new acceleration-based methodology for micro/meso-scale machine tool performance evaluation. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2006，46：1435-1444.

[4]Zinan LU，Takeshi Yoneyama. Micro cutting in the micro lathe turning system[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture. 1999（39）：1171-1183.

[5]I.Nieminen，J.Paro，V.Kauppinen. HIGH-SPEED MILLING OF ADVANCED MATERIALS[J]. Joumal of Materials Processing Technology. 1996，56：24-36

[6]Jong-Kweon Park， Seung-Kook Ro，Byung-Sub Kim，et al. A Precision Meso Scale Machine Tools with Air Bearings for Micro factory.2007.

[7]赵岩，梁迎春.微细加工中的微型铣床、微刀具磨损及切削力的实验研究[J].光学精密工程，2007，15（6）：894-900.

[8]张之敬，金鑫.精密微小型制造理论、技术及其应用[J].机械工程学报，2007，43（1）：49-61.

[9]蔡美.微小铣床动态特性分析与优化研究[D].长春理工大学，2010.

作者简介：顾佳超（1988-），男，助教，硕士，主要从事机械设计制造与自动化方面的教学科研工作。