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微细加工技术概述及其应用


2011





季学期研究生课程考核

(读书报告、研究报告)







目:

微细超精密机械加工技术原理及系统设计

学生所在院(系) 机 电 工 程 学 院

: 学 生 所 在 学 科: 机 械 设 计 及 理 论 学 学 学 考 生 核 类 结 生 姓 名: 杨 嘉 号: 1 0 S 0 0 8 2 1 4 别: 学 术 型 果 阅 卷 人

微细加工技术概述及其应用 微细加工技术概述及其应用
摘要
微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法,现代微细加工技术已经不仅 仅局限于纯机械加工方面,电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工,从微细 加工的发展来看, 美国和德国在世界处于领先的地位, 日本发展最快, 中国有很大差距。 本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细 加工技术的实际应用。 关键词:微细加工;电火花;微铣削 关键词

1 微细加工技术简介及国内外研究成果
1.1 微细加工技术的概念 微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。在微机械研究领域中,从尺寸 角度,微机械可分为1mm~10mm的微小机械,1?m~1mm的微机械,1nm~1?m的纳米机 械,微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义 上的微细加工,其方式十分丰富,几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方 式,微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。从基本加工类型看,微细加工可大 致分为四类:分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式,如分解、蒸发、溅 射、切削、破碎等;接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式,如 蒸镀、淀积、生长等;变形加工——使材料形状发生改变的加工方式,如塑性变形加工、 流体变形加工等;材料处理或改性和热处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大 规模集成电路的加工制作, 正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技 术和产业蓬勃兴起。目前,微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求,已 在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面 发挥日益重要的作用,特别是微机械研究和制作方面,微细加工技术已成为必不可少的 基本环节。 现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面,电、磁、声等多种手段已经 被广泛应用于微细加工,微细超精密加工的主要方法如下: 微细电火花加工技术的研究起步于20世纪60年代末, 是在绝缘的工作液中通过工具 电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、 局部高温来熔化和汽化蚀除金属的一种加工技 术。由于其在微细轴孔加工及微三维结构制作方面存在的巨大潜力和应用背景,得到了

高度重视。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的制作、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、系统控制及加工工艺方法等。 微细切削技术是一种由传统切削技术衍生出来的微细切削加工方法, 主要包括微细 车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。微细车削是加工微小型回转类零件 的主要手段,与宏观加工类似,也需要微细车床以及相应的检测与控制系统,但其对主 轴的精度、刀具的硬度和微型化有很高的要求。图1.1为用单晶金刚石刀头加工的微型 丝杠。微细钻削的关键是微细钻头的制备,目前借助于电火花线电极磨削可以稳定地制 成直径为10um的钻头,最小的可达6.5um。微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加 工,生产效率高,便于扩展功能,对于微机械的实用化开发很有价值.

图1.1

微细磨削是在小型精密磨削装置上进行的,能够从事外圆以及内孔的加工。已制备 的微细磨削装置,工件转速可达2 000 r/min,砂轮转速为3 500r/min,磨削采用手 动走刀方式。为防止工件变形或损坏,用显微镜和电视显示屏监视着砂轮与工件的接触 状态。 微细磨削加工的微型齿轮轴, 材料为硬质合金, 轮齿表面粗糙度可达到Ra0.049 um。 微机械元件的加工很多情况下要完成三维形体的微细加工, 需要采用不同的蚀刻技 术。蚀刻的基本原理是在被加工零件的表面贴上一定形状的掩膜,经蚀刻剂的淋洒并去 除反应产物后,工件的裸露部分逐步被刻除,从而达到设计的形状和尺寸。根据沿晶向 的蚀刻速度分为等向蚀刻与异向蚀刻。 若工件被蚀刻的速度沿各个方向相等则为等向蚀 刻,它可以用来制造任意横向几何形状的微型结构,高度一般仅为几微米。 所谓微细电解加工是指在微细加工范围内(1~l 000 nm),利用金属阳极电化学溶 解去除材料的制造技术,其中材料的去除是以离子溶解的形式进行的,在电解加工中通 过控制电流的大小和电流通过的时间,控制工件的去除速度和去除量,从而得到 高精度、微小尺寸零件的加工方法。 加工间隙的大小直接影响微细电解加工的成形精度与加工效果,通过降低加工电 压、提高脉冲频率和降低电解液浓度,电解微细加工间隙可控制在10um以下。图1.2是 用幅值为2 V、脉宽为3S、频率为33 MHz的脉冲电源在镍片上加工深为5um的螺旋槽,使 用的电解液为0.2 mol/L的HCL溶液,其加工间隙为600nm,表粗糙度度100 nm。

图 1.2

1.2 微细加工技术的研究现状 从国际上微细加工技术的研究与发展看,主要形成了以美国为代表的硅基MEMS 制造技术,以德国为代表的LIGA 制造技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等 主要流派。他们的研究与应用情况基本上代表了国际微细加工的水平和方向。在美国, 以Moore公司和Precitech公司为代表,专门从事超精密加工技术研究和装备生产;在欧 洲,英国Cranfield大学的超精密工程中心(CUPE)是世界著名的超精密加工技术研究单 位之一;日本对超精密加工技术的研究相对美、英、德来说起步较晚,却是当今世界发 展最快的国家。 日本通产省工业技术院机械工程实验室(MEL)于1996 年开发了世界上第一台微型 化的机床-微型车床[3],长32mm、宽25mm、高30.5mm,重量为100g,主轴电机额定 功率为1.5W,转速10000r/min。用该机床切削黄铜,沿进给方向的表面粗糙度值为 Rz1.5?m,加工工件的圆度为2.5?m,最小外圆直径为60?m。切削试验中的功率消耗仅 为普通车床的1/500。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15600r/min。此外,日本FANUC 公司和电 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。 日本东京大学 Masuzawa T 等人在电火花反拷加工的基础上利用线状电极替代反拷 模块研制成功的线电极电火花磨 WEDG(Wn ElectricDischarge Grinding)技术成功地解 决了微细电极的制作, 使微细电火花加工进入了实用化阶段, 成为微细加工领域的热点。 图 l 为 wEDG 加工微型轴的原理,线电极沿着导向器中的槽以 5~10 mm/min 的低速滑 动,就能加工出圆柱形的轴。 日本东京大学生产技术研究所利用WEDG技术,制作微冲压加工的冲头和冲模,然后 进行微细冲压加工,在50 p.m厚的聚酰胺塑料上冲出宽度为40um的非圆截面微孔。 前苏联在20世纪60年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床。在美国,利用工具旋转 同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果。 日本已经制成新型UMT27三坐标数控 超声旋转加工机, 功率450W, 工作频率20kHz, 可在玻璃上加工孔径<φ1.6mm、 深150mm 的深小孔,其圆度可达0.005mm,圆柱度为0.02mm。英国申请了电火花超声复合穿孔的

专利,该装置主要用于加工在导电基体上有非导电层的零件。1996年,日本东京大学在 超声加工机床上,利用电火花线切割工艺在线加工出微细工具,并成功地利用超声加工 技术在石英玻璃上加工出直径为<φ15?m的微孔。 1998年又成功地加工出直径为<φ5?m 的微孔。 我国的超精密加工技术起步晚于国外, 微细结构表面及微小元件超精密加工技术的 研究才刚刚起步,近年来,我经过政府和研究部门的努力,在超精密加工技术的研究领 域已经取得了很大进步,在某些单项关键技术的研发方面甚至已经达到了国际先进水 平。中科院长春光机所进行了光学零件的超精密研抛技术方面的研究,实现了离轴非球 面的加工;哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、微纳米切削加工机理、金刚石刀具晶 体定向和刃磨、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密加工时的去除机制等方面开展了卓 有成效的研究工作;清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位 移工作台、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究;国防 科技大学自主研发了离子束和磁流变抛光技术, 在抛光工艺与装备的研究方面取得了长 足进展,可以稳定实现L/50以上精度的光学加工;天津大学微纳制造技术工程中心引 进了美国Nanoform350型超精密机床,开展了自由曲面加工技术,将柱面坐标系应用于 加工技术,并实现自由曲面的超精密加工。

2..微细加工技术应用实例 2..微细加工技术应用实例
2.1用微细加工方法加工摩擦副表面微凹坑 2.1用微细加工方法加工摩擦副表面微凹坑 用微细加工方法加 由摩擦学理论可知,摩擦副表面阵列微凹坑中储存的润滑油可在表面间产生流体润 滑膜,可充分利用两相对运动表面挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况,在这种结 构中规则微凹坑的表面形貌对流体润滑有着非常重要的影响。 基于近年来摩擦学理论在微细加工领域的基础研究和实际应用状况, 确定阵列微凹 坑结构参数为: 单个结构截面形状为正方形、 菱形、 圆形; 微凹坑边长(直径)200—500um 之间,深度100um左右;成阵列分布时,微凹坑尺寸与间距成一定比例;表面粗糙度要 求Ral.6um左右。由微凹坑截面形状,确定工具电极单体为正方形、菱形、圆形等微凸 起形状,并呈阵列排布;为了便于制作,并留有较大加工损耗余量,电极凸起高度设计 为3.0 mm,远大于微凹坑深度,可进行多次加工试验。 微凸起工具电极单体细长,实际加工时存在超声振动,因此需有足够的强度、良好 的刚度及耐磨性, 微细电加工时还须具备良好的导电性。 综合材料特性及电极工作要求, 选用调质45钢作为工具电极材料。图2.1所示为正方形微凸起工具电极外形,后尾部螺 纹与机床连接。首先车削微凸起工具电极基本外形,包括外形锥体、阶梯端部及螺纹部 分;再用电火花线切割加工出两个对称平面作为夹持部,以方便工具电极的安装锁紧; 最后采用AGIECUTCHALLENGE ECUT 2F精密低速走丝线切割机,选用直径0.10 mm镀锌铜 丝,加工图1b所示微凸起工具头,加工电参数:放电电流13 A,加工速度8.6 mm/min,

电极丝张力4 N,冲液压力0.02 MPa。先在一个方向进行“方波轨迹”微细线切割加工, 切割

图2.1

的微凸起宽度:0.40 mm,深度:3.00 mm,间距:0.60 mm,一个方向加工完毕,将 工件旋转90。,再次进行“方波轨迹”线切割加工,完成正方形微凸起的加工。加工结 果见图2.2.

图2.2

图2.3所示为微细超声电解复合加工示意图。 电解部分采用高频脉冲(或低压直流)电 源,电解液采用低浓度钝化性NaN03水溶液。微电流电解产生钝化,由于加工区的微细 阴极随变幅杆作超声频振动,电解液及微细磨料的超声频振动冲击及“负压空化”效应 可去除电解钝化膜及加工产物,保持加工过程持续进行。加工原理如图2.3所示,其中 Amin为微凸起工具电极与工件问最小间隙,约为单个磨粒直径。微细磨粒的存在使工具 与工件间保持很小的间隙,可避免发生短路。同时,在线路中串入电涡流传感器,将加 工中的电流参数通过数字存储示波器及PC机进行记录和分析,对加工参数进行在线调 节,可保证加工稳定进行。 试验中调节超声频系统保持在共振状态,工具端面产生雾化,超声功率30 W;工件 与工具间静压力0.80 N;加工时间3 min;磨料1 600#碳化硅;磨料悬浮液浓度15%; 电解液为596 NaNOs水溶液,采用“静液”人工方式定时供给磨料;幅值为2 v/3 V/4 V的5 000 Hz脉冲电压;试件材料选用硬质合金YG8、40Gr和紫铜。

图2.3

2.2中间尺度零件微细铣削的实现 2.2中间尺度零件微细铣削的实现 中间尺度零件 微细铣削是一种加工能力强、成形精度高的微小零件机械加工方式,使用cNc加工 中心可实现2D,2.5D简单特征到复杂3D曲面零件的微细加工.中间尺度微细铣削加工 涵盖了多种关键性使能技术,如微细铣削装备、微细铣削刀具、计量、微小零件的装夹 与操作、中间尺度微细铣削加工机理、表面抛光等,以下逐一分析论述. 高性能微细铣削机床系统的开发是开展微细铣削研究的最重要环节.机床的性能主 要与主轴、伺服工作台和控制系统有关,微细铣削所用刀具的直径非常小,为了达到加 工所需的理论切削线速度,微细铣削机床主轴应同时具有高回转精度及高转速,这就需 要先进的电主轴和空气轴承作为技术设备支撑.为了获得高的定位精度,微细铣削机床 工作台一般采用精密滑台加直接驱动的形式, 在保证导轨直线度的同时消除普通滚珠丝 杠驱动方式具有的间隙误差.控制上需采用全闭环控制方式,配置高精度的光栅尺,机 床工作台的定位精度达到lum以内。 微细铣削技术应用的重要因素.刀具几何制约加工特征尺寸,刀具受力制约工艺参 数优化和加工效率,刀具磨损和刀具寿命制约微细铣削加工的实用性.因此,要实现微 细制造技术的推广应用,必须针对刀具开展研究,综合考虑刀具几何、切削过程刀具受 力、刀具柔性等因素,开展刀具制造、刀具磨损、刀具寿命等研究,这是微细铣削研究 的关键问题。 微细铣削技术的实现与应用中,对微小零件尺寸和表面质量的测量技术必不可少, 如光干涉仪测量、扫描探针显微镜(SPM)、电子束聚焦比较仪测量等技术.另外用于过 程反馈和控制的内置传感技术也是微细铣削技术研究中的一项重要使能技术, 如微力测 量、内置应变仪测量、微变形测量等技术。 绝大多数常规的夹具和操作方法不适合于中间尺度微小零件的加工、装配和输送, 这包括零件在设备上的定位与夹紧、零件从一个设备到其他设备之间的搬运、零件的收 集以及不同零件之间的连接和装配.因此,零件的装夹与操作是关键的必要条件,应尽 可能地做到最小化. 微细铣削加工机理研究对于合理选择切削参数、保证微细铣削加工质量、降低生产

成本和提高生产率意义重大.工件材料力学性能是开展机理研究的基础,建立工件材料 本构关系描述尺度的影响,采用有限元法对微切削过程进行建模,可揭示尺度效应产生 的机理.工件材料的微观结构对微细切削过程有显著的影响,这就需要开展对材料微观 结构观测与描述以及晶粒力学性能建模等方面的研究。 南京航空航天大学研制了一款微铣削机床,系统采用立式三坐标结构,包括水平面 上的x,lr二维工作台和垂直的z向主轴安装滑台,本体尺寸为300111nl×400 mm×500 mm,工作空间为50×50×40mm。系统工作平台采用直线电机驱动交叉滚柱支撑导轨的二 维滑台结构,导轨直线度为±o.1un/25 mm;主轴为空气静压电主轴,其最高转速可 达90000r/min,径向跳动量小于0.5um;经实测,机床定位精度可达1.53um。 通过测量铣削平面的表面粗糙度评价机床的加工精度. 对表面粗糙度要求高的大尺 寸零件来说,通常在铣削之后还需进行一系列改善表面粗糙度的后处理工艺.然而,对 于中间尺度特征的微小零件来说,难以通过后处理工艺改善表面粗糙度.作为微细铣削 加工工艺,如何确保零件的表面粗糙度达标尤为重要.平面微细铣削加工材料为工业硬 铝LYl2。使用Talor Hobson Foml20表面粗糙度轮廓仪(分辨率0.5 nm)测得表面粗糙度 值为215nm.图2.4为根据采样数据,利用Matlab绘制的一段工件表面形貌轨迹曲线,采 样长度为12um,测量步距2 nm,每齿进给量2.4um。

图2.4

总结
本文对微细超精密加工的基本概念与工艺原理做了简要的描述,同时对近些年 国内外在微细超精密加工方面取得的成就做了整理和总结, 微细超精密加工是个已经成 熟应用的技术,但是在加工精度逐步走向纳米级的时代具有巨大的发展潜力,我国应当 在微细加工的基础研究与设备研制方面加大研究力度,早日赶上世界先进水平。 通过微细加工的课程学习,我对机械加工方法又有了一个新的认识,微观世界的加 工理论与宏观世界的加工理论有着很大不同, 材料在纳米级加工时所表现出来的性质是 不能用传统的理论去解释的。同时我也感觉到自己的知识面还不够广,纳米级加工有传 统的超精密车床,同时也有许多化学加工方法,微细加工的检测设备也大有不同。 希望以后能和老师多交流,马上就要做毕业设计了,虽然我的课题不是精密加工方 面的,但老师讲课时的一些思维和方法也使我对自己的课题有了新的灵感,这些解决问 题的方式方法都是我将来参加工作后宝贵的财富。

参考文献
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