精密机械结构强度和精度可靠性设计研究

2019-10-31蒋馨

魅力中国 2019年45期

蒋馨

（贵州航天南海科技有限责任公司，贵州遵义 563000）

现代化机械设计制造工业的发展可以推动我国现代化建设，可以让我国机械设计制造工业水平得到提升。而在机械加工中，精密加工技术占有重要地位，随着社会经济的快速发展，人们对于机械产品的要求也在随之提升，探讨现代化机械设计制造工艺及精密加工技术，改造传统机械加工工艺，可以推动机械制造行业的进一步发展。

一、精密机械结构可靠性设计概述

传统的机械设计方法主要是设计满足机械结构的使用要求和性能要求，基本原理是结构在承受外在载荷时，其承受的计算应力小于该结构所使用材料的许用应力。在保证产品安全可靠方面，一般是利用工程设计的经验，选择安全系数来修正结构的许用应力，以降低结构出现故障的概率。机械设备中，机械结构的尺寸由于加工工艺的影响存在一定的离散性，结构材料的性能也不是一成不变的，制造过程中的各个工艺环节也存在一定的不确定性，因此机械结构自身的性能是存在随机性的。此外，机械结构实际承受的载荷也会存在一定的随机性，有些还会随着时间的变化而变化。所以在进行机械结构的设计和分析时，要充分地考虑这些不确定因素的影响，才能使设计出来的机械结构更合理、更可靠。可靠性设计方法就是充分地考虑了机械结构的尺寸、材料性能和载荷数据等的分散性，以概率统计为数学基础进行设计的。可靠性设计的基本任务是结合系统的特殊性研究适用的可靠性设计方法，定量地给出产品或零部件的可靠性情况，根据要求的可靠度水平设计符合要求的结构或选择合适的设计方案，从而保证系统的可靠性。

二、精密机械结构强度和精度可靠性设计研究

（一）精密研磨技术

研磨作为工件加工的最后一道工序，对研磨技术有较高的要求，尤其是对表面粗糙度有较高要求的工件而言，因为研磨加工的表面为最终表面，所以对研磨精度有更高的要求。对集成电路基板上的硅片加工有着较高的精度要求，表面粗糙度要小于2mm，而传统的研磨技术已经无法满足这种加工精度的要求，需要进行原子级抛光才能满足要求。为了达到加工精度的要求，各种新型研磨技术应运而生。线修整固着磨料研磨和化学机械研磨都能对原件加工有较高的精度。

（二）电阻焊接技术

电阻焊接技术主要指的是在两电极之间压紧焊工件，通过电流，利用电流流经工件接触面与邻近区域产生电阻热，可以让其加工为塑性状态与熔化状态，进而形成金属结合。如电阻、电流密度、电极压力、电极材料和端面形状、通电时间等因素均会对电阻焊接技术的使用造成影响，其中焊接压力、焊接电流与焊接时间为主要三大影响因素。如果焊接压力过大，那么电阻焊接触电阻就会减少，对融合产生影响，如果焊接压力过小，就有可能产生气泡；如果焊接电流过大，焊接部位就会变形，表面就会变污，如果焊接电流过小，那么焊接部位热量相对不足，会对焊接强度造成影响；如果焊接时间过大，其就会有较大热量损失，会让焊机、电极受到损耗，如果焊接时间过小，那么就有可能影响焊接充分性和焊点强度。现阶段，依照焊接电流种类，可以将电阻焊接技术分为交流电流、直流电流和脉冲电流3种类型；依照对接头形式与工艺方法，可以将其分为搭接电阻焊、对接电阻焊两种类型；依照电源能量种类，可以将其分为电容储能与磁场储能两种类型。

（三）纳米加工技术

纳米加工技术主要指的是纳米级精度加工、纳米级表层加工，在纳米加工技术中，去除分子、原子，对其进行搬迁与重组为重要内容。纳米加工技术是我国现代化机械精密加工技术中的重点内容，如在激光核聚变反射镜、多面棱镜、大型天梯望远镜反射镜、计算机磁盘等构件的加工生产中，都可以对其进行纳米级加工，与此同时，这种纳米加工技术的发展可以进一步促进我国电子业、机械业、光学业、半导体业、测量技术领域的发展。依照加工方式，可以将纳米加工技术分为磨料加工、切削加工、复合加工与特种加工这4种主要类型，与此同时，还可以将其分为传统加工、非传统加工与复合加工。其中传统加工主要指的是刀具切削加工，利用固有磨料与游离磨料进行加工；非传统加工主要指的是应用多种能量来加工、处理材料；复合加工主要指的是复合应用多种加工方法。在纳米级加工技术中，可以对其进行机械加工、化学腐蚀、复合加工、能量束交工以及隧道扫描显微技术加工，在机械加工中，可以利用单晶金刚石刀具完成切削，利用CBN（CubicBoronNitride，立方氮化硼）砂轮与金刚石砂轮对其进行超精密磨削。

（四）精密机构转接轴可靠性设计

椭偏仪属于一种精密测量仪器，其中变角机构为带动仪器测量臂改变测量角度的运动机构，其精度保持性是仪器需要重点考虑的问题。某型椭偏仪变角机构示意图如图2所示，采用一个并联的曲柄连杆机构，滑块为主动件带动连杆，作用力经连杆传递给转接轴，转接轴带动从动转臂完成变角。转接轴是变角机构的一个重要组成部分，起连接连杆与转臂的作用，承载了转臂的所有重量，是机构中重要的薄弱环节之一。对于精密机械设备，精度是一个不容忽视的因素，该轴的变形会直接影响整个机构的传递精度。因此，在进行转接轴的可靠性设计时，须同时考虑强度和精度的可靠性。