适用于微机械制造的常规加工方法

点击数：7557 次录入时间：03-04 11:59:32 整理：http://www.55dianzi.com 机床

微机械在科学技术、工农业生产及军事等领域的应用日益广泛，目前所谓的微机械，大致分为两大类：一类称之为微机械电子系统(MEMS)，侧重于用集成电路可兼容技术加工制造的元器件，是将微电子和微机械集成在一起，即把微机构及其致动器、控制器、传感器、信号处理器以及接口、通讯和电源等集成在一个微小的空间内，发挥机械功能的集成型机电一体化系统。另一类就是微缩后的传统机械，如微型机床、微型汽车、微型飞机、微机器人等。

随着对微机械需求的日益增长，微细加工的方法也在不断增加和发展，各种常规的加工方法，包括传统的切削加工和一些特种加工方法也在向微细加工领域延伸。如常规加工方法中的车削、铣削、钻削、磨削、冲压等，特种加工方法中的电火花、电化学、超声、激光、离子束、电子束等。实践证明，常规切削加工在微型三维结构、微致动器的制作上有不可替代的作用，其所用设备及其运行环境比较简单，一次性投资较小，生产纲领柔性大，既适应于微机械的中小批量生产，又可以通过模具加工、电铸、注塑等方法实现批量生产。

微细切削加工技术

一般认为，切削加工中不可避免地存在切削力，当被加工零件加工到微细尺度时，将产生很大的变形甚至发生破坏，因此，切削加工无法实现微细加工。但是，经过不断探索和实践，微细切削也加工出了微米尺度的零件。下面介绍车削、钻削、铣削、冲压等微细加工时的特点以及所取得的成就。

1. 微细车削

车削是加工回转类零件的有效方法，加工微小型零件时也不例外。微细车削的关键在于：1)微型化的车床；2)车削状态监测系统；3)高转速、高回转精度的主轴；4)高分辨率的伺服进给系统；5)刀尖足够小、硬度足够高的车刀。

日本通产省工业技术院机械工程实验室(MEL)于1996年开发了世界上第1台微型化的车床样机，该车床长32mm、宽25mm、高30.5mm，重量为100g；主轴电机额定功率1.5W ，转速10,000r/min。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度为R_max1.5µm，加工工件的圆度为2.5µm，加工出的最小外圆直径为60µm。

日本金泽大学研究了一套微细车削系统，由微细车床、控制单元、光学显微系统和监视器组成，机床长度约200mm。由于被加工工件很小，用肉眼观察很困难，故采用光学显微系统来观察切削状态。机床的主轴功率：0.5W；转速：3,000～15,000r/min，连续变速；径向跳动：1µm以内；装夹工件直径：Ø0.3mm；X、Y、Z轴的进给分辨率为4nm。用扫描隧道显微镜上的金刚石探尖作为车刀，在直径为Ø0.3mm 的黄铜丝毛坯上加工出了直径为Ø10µm的外圆柱面，还加工出了直径为Ø120µm、螺距12.5µm的丝杠。它证实了利用切削加工也能加工出微米尺寸的零件。

2. 微细钻削

微细钻削一般用于加工直径小于Ø0.5mm的孔，现已成为微细孔加工的最重要工艺之一，近来倍受关注。微细钻削的关键之一是微细钻头的制备。目前，商业供应的微细钻头的最小直径为Ø50µm，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方法，如用聚焦离子束溅射技术制成了直径分别为Ø13µm、Ø22µm 和Ø35µm的钻、铣削刀具。但是，聚焦离子束溅射设备复杂，加工速度较慢。用电火花线电极磨削(WEDG)技术则可以稳定地制成Ø10µm的钻头，最小可达Ø6.5µm。用该钻头在单晶硅上钻出的孔直径Ø6.7µm，深度10µm。

3. 微细铣削

微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产率高，便于扩展功能。微细铣削的研究对于微型机械的实用化开发很有价值。日本MEL开发的微细铣床，长170mm，宽170mm，高102mm。主轴用功率为36W 的无刷直流伺服电机，转速约为15,600r/min。这台铣床能铣平面也能钻孔。

日本FANUC公司与电气通信大学合作研制的车床型超精密铣床，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这种超精密切削加工技术可使用切削刀具对包括金属在内的各种可切削材料进行微细加工，而且可利用CAD/CAM技术实现三维数控加工，生产率高、相对精度高。为用该机床铣削的日语中叫做“能面”的微型脸谱。这些加工数据由三坐标测量机在真实“能面”上采集，采用单刃单晶金刚石球形铣刀(SR=30µm)，在18K金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为Ø1mm，表面高低差为30µm，加工后得到的表面粗糙度为R_z0.058µm。这是光刻技术领域中的微细加工技术，如半导体平面硅工艺，以及同步辐射、X射线深度光刻、电镀工艺和铸塑工艺组成的LIGA工艺等所不及的。

4. 微细冲压

在仪器仪表制造业中，常见到带有许多小孔的板件，板件上的小孔常用冲孔方法加工，生产率高，加工的小孔尺寸稳定，凸模磨损慢，寿命长。在大批量生产时，其成本比其他方法低得多。冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺寸，增大微小凸模的强度和刚度，保证微小凸模的导向和保护等。

MEL开发的微冲压机床，长111mm，宽66mm，高170mm。装有1个100W的交流伺服电机，可产生3kN的压力。伺服电机的旋转通过同步带传动和滚珠丝杠传动转换成直线运动。该冲压机床带有连续的冲压模，能实现冲裁和弯板。

日本东京大学生产技术研究所利用WEDG技术、EDM技术复合，可以制作微冲压用的冲头和冲模，然后进行微细冲压加工，在50µm厚的聚酰胺塑料上冲出了宽度为40µm的非圆截面微孔。

5. 微型工厂

日本MEL于1990年提出了微型工厂的概念，并于1999年设计制成了世界上第1台桌面型微型工厂样机，占地面积为70cm×50cm，能进行车削、铣削、冲压加工和装配。为了证明微型工厂的可携带性，MEL于2000年设计制作了第2台微型工厂样机——便携式微型工厂。它由微型车床、铣床、冲压机、搬运机械手、双指机械手及电路、控制装置等组成，重量为23kg，被放在长625mm、宽490mm、高380mm、重11kg的箱子里。箱子底部装有小轮，可以像旅行箱一样推着走。

微细特种加工技术

1. 微细电火花加工

实现微细电火花加工的关键在于微电极的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测及系统控制等。日本东京大学增泽隆久等应用线电极电火花磨削(WEDG)技术，圆满地解决了微细电极的制作和安装问题，加工出了Ø2.5µm的微细轴和Ø5µm的微细孔。用WEDG技术还可以为微细电解、微细超声、微细钻削、微细铣削、微细冲压等制备工具，是用WEDG技术制作的Ø6.5µm微细钻头。

由于复杂形状的微小电极本身极难甚至无法制作，而且加工过程中电极的严重损耗，使得成型电极的形状很快改变，而无法进行高精度的三维曲面加工。因此人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削工艺进行微细三维轮廓的电火花加工。东京大学生产技术研究所利用简单形状的微细电极，通过微细电火花铣削加工出了微汽车模具，并用该模具翻制出了长、宽、高分别为500µm、300µm、200µm的微汽车模型。

1997年，日本松下公司制作出了分度圆直径为Ø300µm、齿高50µm的微型齿轮及宽5µm、长150µm的微槽。

是用微细电火花加工出的微三维结构，该结构在155µm的圆柱上具有多种机械成分，如半球、槽、齿轮、螺杆。

2. 微细电解加工

电解加工是利用金属阳极电化学溶解去除材料的加工方法。通过降低加工电压、提高脉冲频率和降低电解液浓度，已经能够将加工间隙控制在10µm以下。德国Roll Schuster和G.Ertl等提出了一种双电层约束刻蚀加工超微立体结构的电化学微细加工方法，其加工用的电解槽安装在一个压电陶瓷驱动的具有X、Y、Z 3个自由度微定位平台上，通过微定位平台的空间运动，在硅片上加工出超微三维立体结构。

3. 微细超声加工

与光刻加工相比，微细超声既可加工出深宽比大的三维结构，又可用较小的投入进行生产，这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。微细超声加工除了加工尺寸微小外，与传统超声加工有相同的原理和特征。日本东京大学用工件激振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为Ø5µm的微孔。

微细超声加工一般分为两步，先用线电极或块电极电火花磨削工艺制备工具，再用该工具对工件进行加工。

4. 微细激光加工

微细激光加工具有很多优点：1)工艺步骤少，对原型制造可采用高柔性的CNC编程；2)加工速度快、效率高，能进行连续的批量生产；3)对加工场合和工作环境要求不高，也不需要贵重的加工工具；4)可以加工任何材料：不管是软的硬的，也不管是导电的还是不导电的，如聚合物、陶瓷、玻璃、晶体、导体、半导体、绝缘体、压电材料、生物材料、非平面基片、各种厚度的薄模等；5)与平板刻蚀工艺以及光掩膜工艺有很好的兼容性；6)加工精度高，激光束光斑直径可达Ø1µm以下，可进行超微细加工。

近来，激光加工也开始向微三维结构方向发展，德国海德尔堡器械微技术公司开发了微三维结构高精密激光加工机床，在这台机床上，他们用波长355nm 的紫外线在陶瓷等高硬度材料上用分层去除的方法，得到了微三维结构。每次去除深度为1.3µ，结构总深度为150µ。得到的表面质量可以和电火花加工相媲美，但它不受材料物理特性的限制。在用氪氟(KrF)准分子激光器加工出的模具中复制出的镍转子涡轮，直径为Ø470µm，高130µm。一旦用准分子激光微细加工技术制备了原模，这种方法就可以以很低的单价成本大量复制微机械零件。

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