微细切削加工与微机械制造 - 文章

微细切削加工与微机械制造

作者：哈尔滨工业大学贾宝贤王振龙赵万生

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微机械技术在工业、农业、医疗、军事等领域的应用日益广泛。目前，微机械的加工方法有：由硅平面技术衍生的微蚀刻加工，由特种加工衍生的微细特种加工，由切削加工衍生的微细切削加工。

微型机电系统技术衍生于微电子技术，由于这种历史原因，硅微细加工在微机械制造中占据主要地位，硅微细加工具有批量制作、预组装及容易与微电子电路集成的技术特点，适合于微型传感器的制作，但成型结构形状有限，不利于微致动器的制作。

可以进行微细加工的特种加工方法主要有电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。这些特种加工方法有的设备昂贵、对环境要求较高，有的加工速度偏低。对于加工三维实体结构的零件来说，单独使用特种加工方法并没有优势可言。

可以用来进行微细加工的切削方法有：微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。

本文将介绍微机械制造中的切削加工方法及设备的研究进展情况。

1 微细车削

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，长32、宽25mm、高30.5mm，重量为100g（图1 为该车床与硬币的比较）；主轴电机额定功率1.5W，转速1000r/min。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度值为Rz1.5µm，加工工件的圆度为2.5µm，最小外圆直径为60µm。切削试验中的功率消耗仅为普通车床的1/500。

图1 世界上第一台微型车床

日本金泽大学的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微细车削系统，由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。机床长约200mm。在该系统中，采用了一套光学显微装置来观察切削状态，还配备了专用的工件装卸装置。图2为微细车床的结构原理图。主轴用两个微型滚动轴承支承。主轴沿Z方向进给，刀架固定不动，车刀与工件的接触位置是固定的，以便于用光学显微装置观察。因为工件的直径很小，车削时沿X-Y方向移动的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移动。车刀的刀尖材料为金刚石。驱动主轴的微电机通过弹性联轴器与主轴联接。机床的主要性能参数如下：主轴功率0.5W；转速3000~15000r/min，连续变速；径向跳动1µm 以内；装夹工件直径0.3mm；X、Y、Z轴的进给分辨率为4nm。用0.3mm 的黄铜丝为毛坯，在这台机床上加工出了直径10µm 的外圆柱面，还加工出了直径120µm、螺距12.5µm 的丝杠。该机床的明显不足是切削速度低，因此得不到满意的表面质量，表面粗糙度值为Rz1µm 以下。

图2 微细车床原理图

它的开发成功，证实了利用切削加工技术也能加工出微米尺度的零件。

从以上两例可知，并非机床的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微细车床的发展方向一方面是微型化和智能化，另一方面是提高系统的刚度和强度，以便于加工硬度比较大、强度比较高的材料。

2 微细钻削

微细钻削一般用来加工直径小于0.5mm 的孔。钻削现已成为微细孔加工的最重要工艺之一，可用于电子、精密机械、仪器仪表等行业，近来倍受关注。

在钟表制造业中，最早使用钻头加工小孔。随着工艺方法的不断改进，相继出现了各种特种加工方法，但至今，一般情况下仍采用机械钻削小孔的方法。近年来，研制出多种形式的小孔钻床，如手动操作的单轴精密钻床、数控多轴高速自动钻床、曲柄驱动群孔钻床及加工精密小孔的精密车床和铣床等。上世纪80年代后，由于NC技术和CAD/CAM的发展，小孔加工技术向高自动化和无人化发展。目前机械钻削小孔的研究方向主要有：难加工材料的钻削机理研究；小孔钻削机床研制和小钻头的刃磨、制造工艺研究；超声振动钻削等新工艺的研究等。

微细钻削的关键除了车削要求的几项之外，还有微细钻头的制作问题。目前，商业供应的微细钻头的最小直径为50µm，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方法。有人用聚焦离子束溅射技术制成了直径分别为1cmmicro;m、22µm 和35µm 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f10µm 的钻头，最小可达f6.5µm。

用WEDG技术制成的微细钻头的形状如图3所示，图4是其制作过程。

图3 用WEDG技术制成的微细钻头的形状

图4 用WEDG技术制作微细钻头的工艺过程

用WEDG技术制作的微细钻头，如果从微细电火花机床上卸下来再装夹到微细钻床的主轴上，势必造成安装误差而产生偏心。这将影响钻头的正常工作甚至无法加工。因此，用这种钻头钻削时，必须在制作该钻头的微细电火花机床上进行。

3 微细铣削

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15600 r/min。这台铣床能铣平面也能钻孔。

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。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。

图5所示为用该机床铣削的日语中叫做“能面”的微型脸谱。其加工数据由三坐标测量机从真实“能面”上采集，采用单刃单晶金刚石球形铣刀（R30µm），在18K金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为1mm，表面高低差为30µm，加工后的表面粗糙度值为Rz0.058µm。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工艺等技术所不及的。

图5 微型脸谱“能面”

目前数控铣削技术几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。与某些特种加工方法如电火花、超声加工相比，切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。
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。微细铣床的研究对于微型机械的实用化开发研究是很有价值的。

4 微细冲压

在仪器仪表制造业中，常常会遇到带有许多小孔的板件，板件上的小孔常采用冲孔的方法。

冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺度、增大微小凸模的强度和刚度以及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，装有一个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，制作微冲压加工的冲头和冲模，然后进行微细冲压加工，在50µm厚的聚酰胺塑料上冲出宽度为40µm的非圆截面微孔。

5 便携式工厂

MEL于1990年提出了微型工厂的概念，并在1999年设计制成了世界上第一套桌面微型工厂样机。它由车床、铣床、冲压机床、搬运机械手和装配用双指机械手组成，占地面积为70m×50cm，能进行加工和装配。为了演示和证明微型工厂的可携带性，MEL于2000年设计制作了第二套微型工厂样机——便携式微型工厂，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，可以像旅行箱一样拖着走。

图6 便携式工厂

6 结束语

随着对微机械需求的不断增加，微细切削技术将大显身手，各式各样的微细加工设备将会越来越多。加工设备的小型化的确带来了很多优点，如减少了能量消耗，减小了热变形误差，提高了响应速度等。但同时必须看到，如片面地追求小型化也会带来不利的方面，如宜人性较差，不便于装卸工件，机床的刚度小等。

虽然采用切削方法进行微细加工取得了进展，但是，这些方法也存在着本身难以克服的缺点，例如：加工时都存在切削力，不能加工比刀具硬的材料；工件小，切削速度低，限制了表面质量的提高等。微细切削技术与其它加工技术相互融合，可以克服这些缺点，从而进一步提高微细加工的微细程度和扩大工艺范围。

微细切削技术在微小型三维实体结构、致动器的制作上有其独到之处，且其批量制作可以通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。微型机械的加工一方面在向三维复杂形状的制作发展，同时也在向更高加工精度和更小尺度推进。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/31/2005)


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