隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展和精密加工需求的提高，作為納米技術(shù)核心的超精密加工技術(shù)得到了不斷的改進(jìn)，從而推動了微型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、表面工程、微結(jié)構(gòu)加工、生物工程與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等各種新學(xué)科朝著精密化方向發(fā)展。小模數(shù)齒輪是指模數(shù)≤1mm 的齒輪，小模數(shù)齒輪作為一種重要的傳動元件，其加工和檢測變得日益重要。對小模數(shù)齒輪常利用接觸式微球頭測針進(jìn)行精密測量，可檢測齒距偏差、齒廓偏差、螺旋線偏差等參數(shù)。接觸式測針微球頭夾具作為鎢鋼測針微球頭的關(guān)鍵加工工具，對于小模數(shù)齒輪的精密 加工和檢測具有重要意義。
目前國內(nèi)在加工直徑100μm 以下的接觸式鎢鋼測針微球頭中存在測針的夾持與垂直度精度控制不夠、針尖與垂直激光斑點(diǎn)定位不準(zhǔn)等技術(shù)難點(diǎn)。為彌補(bǔ)在垂直激光束加工鎢鋼測針微球頭過程中針尖加工不均勻、所加工微球頭圓度不高等問題，設(shè)計(jì)了專用定位夾具。
1、垂直激光束燒蝕加工微球頭
接觸式測針微球頭
所加工的鎢鋼測針零件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，在進(jìn)行垂直激光燒蝕試驗(yàn)過程中，需將總長28mm 的針件豎直固定在加工平臺正下方，在測針尖端加工微球頭。
接觸式測針微球頭常用材料為 WC-Co(碳化鎢-鈷)，是一種常見的硬質(zhì)合金，具有優(yōu)異的硬度和抗熱疲勞性，該類材料通常表現(xiàn)出兼顧硬度、耐磨性與強(qiáng)韌性的優(yōu)異力學(xué)特征，同時還具有高溫紅硬性、抗氧化腐蝕性等特殊性能。當(dāng) WC-Co類硬質(zhì)合金中 WC 相晶粒尺寸為超細(xì)/納米級(≤0.5μm)時，能有效克服傳統(tǒng)硬質(zhì)合金中硬度和韌性之間相互矛盾以及較大脆性和加工軟化等問題，且具有較高的硬度和韌性。
垂直激光束燒蝕微球頭加工問題分析
垂直激光束燒蝕加工微球頭是一種常見的微加工技術(shù)，它可以用于制作微型光學(xué)器件、微流體器件等。將激光束垂直照射到材料表面，通過調(diào)節(jié)激光照射參數(shù)，控制加熱時間和功率，逐步去除材料，形成微球頭的形狀。此次試驗(yàn)采用鎢鋼(碳化鎢-鈷)制作測針微球頭，實(shí)驗(yàn)室所用激光加工儀器為 BC-2900銦尼鐳斯激光加工平臺，如圖2所示。
在對鎢鋼測針進(jìn)行微球頭加工的試驗(yàn)過程中，通過多次的參數(shù)調(diào)節(jié)、位置調(diào)整以及加工形狀的改變，在超景深顯微鏡的觀測下得到了測針微球頭試樣。
在進(jìn)行激光燒蝕實(shí)際加工時，存在以下問題：①測針的夾持與垂直放置難以精確控制;②針尖與垂直激光斑點(diǎn)定位不準(zhǔn);③測針針尖受力面不均勻和微球頭圓度不高等。
2、小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測針微球頭夾具整體設(shè)計(jì)
為解決上述問題，設(shè)計(jì)了小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測針微球頭夾具。
所設(shè)計(jì)的夾具其主要目的是解決夾持與定位兩大問題，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高所加工微球頭的精度與圓度，夾具的功能包括：鎢鋼測針的夾持，激光束與加工面的定位，加工過程的實(shí)時觀測，輔助加工提高精度。所設(shè)計(jì)的小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測針微球頭夾具如圖3所示。
3、小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測針微球頭夾具組件設(shè)計(jì)
下面主要介紹小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測針微球頭夾具中各主要組件的結(jié)構(gòu)。
微球頭測針夾持組件
測針夾持組件由上層彈簧夾持單元1、旋轉(zhuǎn)底座 6、半球形磁鐵7、微型水平儀8組成，通過采用上層彈簧夾持單元上方的兩對對稱安裝的緊固彈簧，以及下方的滑動導(dǎo)軌連接，實(shí)現(xiàn)了對鎢鋼微球頭測針的夾持和放松功能。上層彈簧夾持單元能夠固定鎢針在水平方向上的位置，如圖4(a)所示。同時，在夾持單元平面上安裝微型水平儀，并通過最下方的微調(diào)螺旋底座對夾持平面進(jìn)行調(diào)平。這使得鎢鋼微球頭測針能夠垂直于夾持平面，在三個方向上得到固定，如圖4(b)所示。這樣的設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了夾持組件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
微球頭測針定位組件
測針定位組件由 X 方向定位平臺3和Y 方向定位平臺5組成，它們分別作為第一層和第二層安裝在旋轉(zhuǎn)底座的下方，通過高精度滾珠絲杠完成直線運(yùn)動。各定位平臺主要由滑動導(dǎo)軌與滾珠絲杠裝配而成。在 Y 方向定位平臺上安裝了聚焦定位攝影機(jī)，其鏡頭對準(zhǔn)針尖加工表面，用于觀測定位垂直激光束光斑的落點(diǎn)位置。X、Y 方向定位平臺裝配圖見圖5。
4、結(jié)論
本文所設(shè)計(jì)的夾具可解決以下問題：
(1)彈簧夾持單元垂直夾緊鎢鋼測針，通過平臺組件沿 X 軸和Y 軸方向的調(diào)節(jié)，對其頂部的夾持組件的水平方位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證將鎢鋼測針調(diào)整至激光束的正下方位置，結(jié)合聚焦定位攝影機(jī)進(jìn)行觀測，進(jìn)一步提高鎢鋼測針的位置控制精度，進(jìn)而提高加工精度。
(2)在緊固對稱彈簧作用下可相向夾緊鎢鋼測針的兩段部位，當(dāng)加工完拆卸時僅需手動便可將鎢鋼測針取下，鎢鋼測針拆裝方便，同時圓柱孔的直徑與鎢鋼測針直徑相匹配，使得夾緊牢固。
(3)X 方向平臺和Y 方向平臺利用高精度滾珠絲杠不僅可以實(shí)現(xiàn)精確定位，還可以實(shí)現(xiàn)水平面兩個方向移動調(diào)節(jié)，以確保精準(zhǔn)調(diào)節(jié)鎢鋼測針至垂直激光束的正下方，提高了加工精度，對稱設(shè)置的兩個上滑軌和下滑軌提高了調(diào)節(jié)過程的平穩(wěn)性。
參考文獻(xiàn)略.