對(duì)小模數(shù)齒輪常利用接觸式微球頭測(cè)針進(jìn)行精密測(cè)量，由于其體積較小、表面形貌復(fù)雜，對(duì)加工的測(cè)針微球頭直徑、圓度等精度有很高的要求。首先簡要分析了利用鎢鋼制作小模數(shù)齒輪接觸式測(cè)針的優(yōu)點(diǎn)，并利用垂直激光束進(jìn)行了微球頭加工試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及出現(xiàn)的問題設(shè)計(jì)了加工鎢鋼測(cè)針微球頭的專用定位夾具;其次利用緊固彈簧的彈性勢(shì)能實(shí)現(xiàn)對(duì)加工針件的夾持與放松，并搭建 X/Y 滾珠絲杠定位平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了夾持與定位相結(jié)合;最后在加工平面引入半球形磁鐵與調(diào)速馬達(dá)，從而進(jìn)一步提高了所加工微球頭的精度與圓度。
　　隨著工業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)元件，其加工和檢測(cè)變得日益重要。對(duì)小模數(shù)齒輪常利用接觸式微球頭測(cè)針進(jìn)行精密測(cè)量，可檢測(cè)齒距偏差、齒廓偏差、螺旋線偏差等參數(shù)。接觸式測(cè)針微球頭夾具作為鎢鋼測(cè)針微球頭的關(guān)鍵加工工具，對(duì)于小模數(shù)齒輪的精密 加工和檢測(cè)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(cè)針微球頭中存在測(cè)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(cè)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(cè)針微球頭

　　所加工的鎢鋼測(cè)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(tái)正下方，在測(cè)針尖端加工微球頭。


　　接觸式測(cè)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(shí)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(jí)(≤0.5μm)時(shí)，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(shí)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(cè)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(tái)，如圖2所示。


　　在對(duì)鎢鋼測(cè)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(cè)下得到了測(cè)針微球頭試樣。

　　在進(jìn)行激光燒蝕實(shí)際加工時(shí)，存在以下問題：①測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)針的夾持，激光束與加工面的定位，加工過程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，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(cè)針微球頭夾具如圖3所示。


　　3、小模數(shù)齒輪接觸式鎢鋼測(cè)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(cè)針微球頭夾具中各主要組件的結(jié)構(gòu)。

　　微球頭測(cè)針夾持組件

　　測(cè)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(duì)對(duì)稱安裝的緊固彈簧，以及下方的滑動(dòng)導(dǎo)軌連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎢鋼微球頭測(cè)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(shí)，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(duì)夾持平面進(jìn)行調(diào)平。這使得鎢鋼微球頭測(cè)針能夠垂直于夾持平面，在三個(gè)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(cè)針定位組件

　　測(cè)針定位組件由 X 方向定位平臺(tái)3和Y 方向定位平臺(tái)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(dòng)。各定位平臺(tái)主要由滑動(dòng)導(dǎo)軌與滾珠絲杠裝配而成。在 Y 方向定位平臺(tái)上安裝了聚焦定位攝影機(jī)，其鏡頭對(duì)準(zhǔn)針尖加工表面，用于觀測(cè)定位垂直激光束光斑的落點(diǎn)位置。X、Y 方向定位平臺(tái)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(cè)針，通過平臺(tái)組件沿 X 軸和Y 軸方向的調(diào)節(jié)，對(duì)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(cè)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(cè)，進(jìn)一步提高鎢鋼測(cè)針的位置控制精度，進(jìn)而提高加工精度。

　　(2)在緊固對(duì)稱彈簧作用下可相向夾緊鎢鋼測(cè)針的兩段部位，當(dāng)加工完拆卸時(shí)僅需手動(dòng)便可將鎢鋼測(cè)針取下，鎢鋼測(cè)針拆裝方便，同時(shí)圓柱孔的直徑與鎢鋼測(cè)針直徑相匹配，使得夾緊牢固。

　　(3)X 方向平臺(tái)和Y 方向平臺(tái)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(gè)方向移動(dòng)調(diào)節(jié)，以確保精準(zhǔn)調(diào)節(jié)鎢鋼測(cè)針至垂直激光束的正下方，提高了加工精度，對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)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.