第 2 章模具微细加工技术

目录
第 2 章模具微细加工技术 (1)
1 微细加工的概念 (1)
2 微细加工方法 (2)
3 微细车削加工 (2)
3.1 微细车削工艺及基本方法 (2)
3.2 微细车削车床及其加工技术 (5)
4 微细铣削加工 (10)
4.1 微细铣削工具 (10)
4.2 微细铣削工艺 (12)
4.3 微细锐削机床及其加工技术 (16)
5 微细钻削加工 (19)
5.1 微细钻削工艺特点 (19)
5.2 微细钻头 (19)
5.3 小孔加工机床 (22)
5.4 微孔加工注意事项 (22)
5.5 微细钻削应用 (23)
6 微细变形加工 (25)
6.1 变形加工的优缺点 (26)
6.2 变形加工用于微细加工技术时的注意事项 (26)
6.3 应用实例 (28)
7 微细磨料加工 (28)
7.1 磨料的种类 (28)
7.2 研磨加工 (29)
7.3 磨削加工 (29)
7.3 磨削加工 (31)
8 微细磨料喷射加工 (32)
8.1 加工原理与特点 (32)
8.2 基本工艺方法及参数选择 (33)
8.3 磨料喷射加工应用 (35)
9 化学方法的微细加工 (35)
9.1 一般化学刻蚀 (35)
9.2 化学抛光 (37)
9.3 化学镀膜 (39)
10 微细电火花线切割加工技术 (39)
10.1 微细电火花钱切割加工的关键技术 (39)
10.2 微细电火花钱切割拥工技术的应用 (41)
11 微细电火花加工（简称 MEDM) (43)
11.1 概述 (43)
11.2 微缅电火花加工的特点和应用 (43)
11.3 微细电火花加工原理 (44)
11.4 微细电火花加工的工具电极制作 (45)
11.5 高精度微进给驱动装置 (46)
11.6 微小能量脉冲电源技术 (49)
11.7 电火花分层铣削中电机的损耗 (49)
11.8 应用实例 (49)
12 微细电化学加工技术 (55)
12.1 微细电化学蚀刻加工 (56)
12.2 超短脉冲微细电化学加工 (58)
12.4 微细电铸成形 (61)
13 高能束微细加工 (67)
13.2 微细电子束加工 (97)
13.3 微细离子束加工 (106)
14 微细超声加王 (115)
14.1 微细超声加工机理和特点 (115)
14.2 超声加工应用 (117)
15.1 光刻加工基本过程 (120)
15.2 紫外光刻 (125)
15.3 粒子束光刻 (125)
15.4 光刻胶 (126)
15.5 深度光刻技术 (127)
16 LIGA 和准 LIGA 工艺 (128)
16.1 LIGA 工艺特点 (128)
16.2 LIGA 的基本工艺过程 (129)
16.3 准LIGA 技术 (131)
16.4 LIGA 和准 LIGA 微细加工应用 (134)
参考文献 (142)
第 2 章模具微细加工技术
1 微细加工的概念
微细加工技术是指制造微小尺寸零件的生产加工技术。

从广义的角度来说，微细加工包括了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法，如切削加工、磨料加工、电火花加工、电解加工、化学加工、超声波加工、微波加工、等离子加工、外延生长、激光加工、电子束加工、离子束加工、光刻加工、电铸成形等。

从侠义的角度来说，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，它们是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代、微电子时代、光电子时代的关键技术之一。

微小尺寸加工和一般尺寸加工的不同点，主要表现在以下几方面。

(1）精度的表示方法一般尺寸加工时，精度是用其加工误差与加工尺寸的比值（即精度比率）来表示的，如现行的公差标准中，公差单位是计算标准公差的基本单位，它是基本尺寸的函数，基本尺寸愈大，公差单位也愈大，因此，属于同一公差等级的公差，对不同的基本尺寸，其数值就不同，但认为具有同等的精确程度，所以公差等级就是确定尺寸精确程度的等级。

在微细加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用去除的一块材料的大小来表示，从而引人加工单位尺寸（简称加工单位）的概念，加工单位就是去除的一块材料的大小。

所以，当徽细加工0.01 mm尺寸零件时，必须采用微米加工单位进行加工；当微细加工微米尺寸零件时，必须采用亚微米加工单位来进行加工，现今的超徽细加工已采用纳米加工单位。

(2）微观机理以切削加工为例，从工件的角度来看，一般尺寸加工和微细加工的最大差别是切屑大小不同。

一般加工时，由于工件较大，允许的被吃刀量就比较大。

在微细加工时，从强度和刚度上都不允许有大的吃刀量，因此切屑很小。

当吃刀量小于材料晶粒直径时，切削就得在晶粒内进行，这时晶粒就作为一个一个的不连续体来进行切削。

一般金属材料是由徽细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。

一舷切削时，吃刀量较大，可以忽视晶粒本身大小而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和徽细加工的微观机理是不同的。

(3）加工特征一般加工时多以尺寸、形状、位置精度为加工特征，在精密加工和越精密加工时也是如此，所采用的加工方法偏重于能够形成工件的一定形状和尺寸。

微细加工却以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、离子束、
激光束三束加工为基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。

这是因为它们各自所加工的对象不同而造成的。

2 微细加工方法
微细加工方法和精密加工一样，可以分为切削加工、磨料加工、特种加工和复合加工四种类型，而且从方法上来说，两者几乎没有什么分界。

同一种加工方法，既可以用于精密加工，也可以用于微细加工。

对于微细加工，由于加工对象与集成电路关系密切，故从机理来说还可分为分离加工（亦称切削加工）、结合加工（亦称附着加工）和变形加工（亦称流动加工)，见表 6.1-1 所示。

3 微细车削加工
微细车削也是金属切削的一种，它也服从金属切削的普遍规律，但由于金刚石刀具的特殊物理化学性能和极薄切削层等因素使得微细车削过程具有相当的特殊性。

3.1 微细车削工艺及基本方法
(1) 切削速度对加工表面质量的影响微细金刚石切削要求得到极为光滑的加工表面和加工精度，这就要求刀具有很高的尺寸耐用度。

刀具的磨损，将以己加工表面的质量是否下降超差为依据。

金刚石刀具的尺寸耐用度甚高，切削时刀具的磨损亦甚慢，因此微细切削时，切削速度将不受刀具耐用度的制约，这是与普通切削规律不同的。

实际选择的切削速度，常根据所用机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。

因为在该转速时表面粗糙度值最小，加工质量最高。

使用动特性好、振动小的精切设备可以使用高的切削速度，提高加工效率。

（2）进给量和修光刃对加工表面质量的影响为使加工表面租糙度减小，微细车削时都采用很小的进给量，并且刀具制成带修光刃的。

表 6.2-1 中是不同进给量时的表面粗糙度，可看到在使用有修光刃的刀具时，f < 0.02 mm/r 时，进给量再减小对表面粗糙度影响不大。

金刚石刀具的修光刃，可以减小加工的超光滑表面粗糙度值。

但是，修光刃长度过长对减小加工表面粗糙度值的效果不大。

实验表明：在徽细车削时修光刃的长度一般取（0.05 -0.10) mm 较为适宜。

对有修光刃的金刚石车刀，加工时要精确对刀，使修光刃和进给方向一致。

生产中常用显微镜来精确对刀。

为易于对刀，可将修光刃制成曲率半径较大的围弧刃，这种刀具使用方便，但制造较复杂。

(3) 刀刃锋锐度
刀刃锋锐度对加工表面质量有很大影响，刀刃锋锐度可用刀具刃口半径 p 来表征。

当要求工件加工成具有m μ1级的离精度时，必须使用切削刃的钝圆半径及刃 口的粗糙度都在 1 阳以内的极其锋锐的切削工具，而且还要用 笔l 间的微小切削深度进行切削。

图 6.2-1 所示为切削刃的钝圆半径和吃刀深度的关系。

切削刃的钝圆半径若大子吃刀深度时，将出现上滑现象而不能进行切削。

超微细切削时，加工表面变质层必须严格加以控制。

变质层厚度和变形程度与刀刃锋锐度有关：
l ） 刀刃锋锐度不同时，加工表面变质层的冷硬和显微硬度有明显差别；
2） 刀刃锋锐度较锋锐（m μρ3.0=）情况下，加工表面仍有较大的冷硬存在，在要求变质层很小的情况下，应努力使刀具研磨得更锋锐。

微切削加工表面层的残余应力，不仅影响材料的疲劳强度和耐磨性，也影响加工零件的前期尺寸稳定性。

有关实验结果可知：
l) 用较锋锐 （m μρ3.0=） 与稍钝的 （m μρ6.0=） 金刚石车刀切削时，前者比后者加工表 面残余应力要低得多。

2） 切削深度减小使残余应力减小。

但当切 削深度减小到某临界值时 ，再继续减小切削深度，却使加工表面应力增大。

目前我国常用的金刚在刀具的刀刃锋锐度m μρ3.0~2.0=闷，最小切削厚度可达（ m μρ026.0~014.0=）,若需加工切削厚度为 1nm 的工件，刀具刃口半径必须小于 5nm 。

而目前对这种极为锋利的金刚石刀具的刃磨和应用都非常困难。

ρ是徽细和超徽细切削加工中的一个关键技术参数，日本等国目前已可制作出2nm 的刀尖，我国尚有较大差距。

(4) 金刚石刀具
用天然单晶金刚石刀具进行微细切削加工。

如切削条件正常，无意外损伤，刀具的耐用度很高。

金刚石刀具的耐用度常以其切削长度表示，在正常切削条件下，可达数百千米。

金刚石刀具的磨损可分为机械磨损、破损和碳化磨损。

实际 使用中，金刚石刀具由于刀刃产生微小崩刃而不能继续使用，常达不到上述耐用度，这主要是由切削时振动或刀刃碰撞引起的。

因此在使用金刚石刀具时要极其小心，同时设计刀具时应正确选 择金刚石晶体方向，以保证刀刃有较高强度。

设计时，金刚石刀具前角根据加工材料选择，可参考表 6.2-1 中推荐的数值。

表 6.2-1金刚石刀具前角的选择 加工材料
前角数值 材料加工 前角数值 塑料
︒︒5~5.2 锌硫酸、硒酸锌 ︒51- 铝合金、纯铜、黄铜、
青铜、玻璃钢
︒5-~0 锗、硅 ︒52- 陶瓷、玻璃 ︒︒-5-2~20 磷酸二氢钾晶体
︒54- 图 6.2-2 是美国 Contour 精密刀具公司生产的几种标准金刚石车刀，它采用圆弧修光刃，圆弧半径 mm R )15~5.0(=由用户自选。

后角采用10°，刀具前角根据加工材料可按表 6.2-1 选用。

图 6.2-2圆弧修光刃金刚石车刀
金刚石车刀一般是把金刚石固定在小刀头上的，小刀头用螺钉或压板固定在车刀刃杆上。

金刚石在小头上的常用固定方法见表 6.2-2。

表 6.2-2金刚石小刀头的固定方法 名称
特点
机械架固定
需要将金刚石底面或加工面磨平，用压板加压固定在小刀头上。

此方法固定时需要大颗粒的金刚石
粉末冶金固定 真空中烧结，使金刚石固定在小刀头上。

此方法可用较小的
金刚石，对金刚石的使用较为经济，因而得到广泛应用，但
由于使用热压真空烧结炉，价格较高
粘接或焊接固定 可用无机粘结剂或其他粘结剂，但粘结强度不高，金刚石容易掉下来。

钎焊是一 种很好的固定金刚石的方法。

金刚石晶体毛坯用特殊合金侨焊在钼片上，有钼片后可以容易地钎焊
在小刀头或刀杆上
(5） 积屑瘤与工作液
积屑瘤的产生对加工表面粗槌度影响极大。

实验表明在加工硬铝时，切削速度在 min /)816~12(m v = 范围内都有积屑瘤产生，而且v 的变化会直接影响积屑瘤的高度 仇0h ，当v 较低时，0h 最高；当大v 于min /314m 时积屑瘤趋于稳定，高度变化不大。

刀刃的微观缺陆也直接影响积屑瘤的高度。

积屑瘸对表丽粗糙度的影响是： 积屑瘤高度大，表面扭糙度值大；积屑瘾小，表面粗糙度值小。

要减小表面粗糙度值，应消除或减小积屑瘤，使用合理的工作液可达到此目的。

加工硬铝时用航空煤油为工作液，可明显降低表面粗糙度值；加工铝合金和纯铜时，用酒精或煤油为工作液，这两种工作液效果都很好，可任意选用；加工黄铜时，用切削液无明显效巢，低速时加工表面粗糙度值不大，故加工黄铜可不用工作液。

3.2 微细车削车床及其加工技术
(1） 微型车床
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一微型车床。

其规格为：长 32 ㎜，宽 25 ㎜，高 30.5 mm ，重量为100 g ，主轴电机额定功率 l.5 W ，转速1000r/min 。

图 6.2-3 为该车床的实物照片及其与硬币的比较。

用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度值为m R z μ5.1，加工工件的圆度为m μ5.2，簸小外圆直径为m μ60。

切削试验中的功
率消耗仅为普通车床的1/5000。

图 6.2-3 日本 MEL 开发的微型机床
此后日本 Olympus 阳光学有限公司开发的微型线性编码器，检测滑动导轨的运动，通过闭环控制运动分辨率达m μ1.0，同时装备了袖珍式用户数控装置，提高了加工精度和柔性，成为目前世界上最小的微型数控车床。

加工直径为 m μ200黄铜圆柱体时 ，其表面粗糙度 Ry 可达 m μ5.0， 圆度误差约为 m μ4.0。

1999 年由日本金沉大学研制的一套尺寸约200 mm 的微细车削系统。

它由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。

图 6.2-4 为微细车床的结构示意图及其实物照片。

机床的主要性能参数如下：主轴功率 0.5 W ；转速 (3000 ～15 000 ) r/min ，连续变速；径向跳动m μ1 以内；装夹工件直径 0.3 mm ；X 、Y 、Z 轴的进给分辨率为 4nm 。

利用该微细车床可加工不同形状的回转体零件，如阶梯轮廓切削、端面切削、糟切削、键孔和螺纹车削等。

图 6.2-5 是其加工的部分实物照片。

用直径为 0.3 mm 的黄铜丝为毛坯，单点金刚石刀具加工，图 6.2-5（a ）为阶梯轮廓面、小端面直径约 m μ200；( b ）为车削端面，直径约 m μ100；（c ） 为切槽加工，糟深约 m μ30长约 m μ100；(d ）为镗孔加工；（e ） 是该车床连续车削切出的微细轴，最小直径为m μ10；（f) 为加工出的微细丝杠，螺距为m μ25.1直径约m μ120；螺牙约为60°。

图 6.2-4 一种微细加工的结构示意图及其实物照片日本
表 6.2-3 一种不重磨金刚石刀片规格
形状刀尖半径尺寸/mm
外径A 厚度T 刀尖半径R 孔径
6.35 2.38 0.1
3.75 0.2
0.4
6.35 2.38 0.8
3.75
图 6.2-5 微细加工实例
(2） 金属薄片微结构微细车削机床
金属薄片微结构可用微细车床实现微加工，如图 6.2-6 所示。

金属部片被
绕在一个安装在微细车床主铀端的圆盘上，然后借助弹簧拉力拉紧，可调整式的微刀具被安装在圆盘下面可滑动的支撑架上，使用 CNC 装置控制支撑架和主轴，沿着平行于槽的方向，以微刀具的形状切人微薄片表面，加工实例如图 6.2-7所示。

所加工的材料是m μ100厚的薄铝片，使用矩形金刚石微刀具进行加工，切削宽度为 m μ85，深度m μ70， 间距m μ115，剩余部分的厚度是m μ30。

在图6.2-7 中还可以看到原来的研磨痕迹和边缘的毛刺，如果需要进一步加工去毛刺，可以使用平面切削金刚石微刀具进行加工处理。

图 6.2-6 微细车床实现微细加工加
图 6.2-7 微细车床加工的槽
4 微细铣削加工
在传统机械加工中，铣削是最常用的加工方法之一。

在微结构制作及材料去
除加工中，微细铣削加工技术已经表现出极强的发展潜力，可以获得较高的加工效率和表面质量。

尤其是在复杂结构的加工中，微细铣削加工方法更具有其独特优势。

采用硅微加工和 LIGA 制造技术进行微幽面轮廓加工是很困难的，微细镜削是对光刻、半导体平面硅工艺及 LIGA 技术等微细加工工艺的一种补充，特别是当加工比较大的复杂结)10(m μ>时微细铣削加工更为有效。

4.1 微细铣削工具
在微细锐削加工中徽细工具必不可缺少，其制作技术可谓微细镜削的难点之
一。

采用离子束力加工技术制作微细铣刀被认为是一种可行的方法。

在真空条件下，将离子源产生的离子束经加速聚焦，形成高速离子束流，打击到工件上进行加工。

它是靠离子撞击工件使其变形、破坏等进行微机械加工，而不是靠动能转化成热能来去除材料的。

图 6.2-8 是用离子束加工方法制作微细铣刀的示意图。

离子束可进行正交扫描，刀具毛坯前端直径约为m μ25，后瑞直径可较大。

先沿前端圆柱面离子铣削出长为m μ90、径向切深为m μ5微小刻面（图示离子束正在加工之中，还没完全切穿加工成型），该面与圆柱体端面竖直中心线成 7°角，实际上加工出了一个后刀面，切穿则可形成锋锐刃口。

图6.2-8 为美国Sandia 国家实验室和路易斯安那州技术大学微制造学院用此方法加工出的2 刃、4 刃和 6 刃微细镜刀。

图 6.2-10 是离子点制作的碳化钨 4 刀刃微细铣刀刃口的SEM 照片，正交微刻画形成的刀刃口非常锋锐，刃口半径 m μρ1.0≤。

根据微细铣刀的设计和选材的不同，微细铣刀的制作约需要（2 ～ 3) h 。

微细工具制作时间与材料去除量有关 ，图6.2-9 中6微刻面（6 刃） 微细铣刀与2微刻面( 2 刃）微细铣刀相比 ，前者比后者实际去除材料少，所以虽然面多但离子束加工制作时间却相对较短。

图 6.2-8 离子束加工出的 2 刃、4 刃、6 刃微铣刀
图 6.2-9 离子束加工微细铣削刀示意图
图 6.2-10 微细铣刀刃口 SEM 照片
除了离子铣削、刻蚀法外，还有采用冶金成型UGA 工艺等方法来制作微细加工工具或工具毛坯，也可用这几种方法的组合来制作微细工具。

图 6.2-1l 是德国FZK 研究中心与MBB 公司合作研制制作的微细成型金刚石铣刀，通过改变金刚石微刀具的形状可以加工矩形、三角形和半、圆形糟。

图 6.2- 11a 是一个矩形金刚石微刀具的缩微照片，金刚石微刀具的切削刃宽度是100 µm，可微细铣削矩形槽；图 6.2-l1b 所乐的是模形金刚石微型刀具，头部模形角为楔形，切削探度为500 µm，可微铣锐削V 形槽。

图 6.2-11 金刚石成型微细刀具
4.2 微细铣削工艺
用微细铣刀（如采用图6.2-9 离子刻蚀制作的微型刀具）可对不同材料进行微细切削加工。

美国Sandia 国家实验室David P.Adams 和路易斯安那州技术大学Michael J. Vasile 等人在附PMMA（聚甲基丙烯酸甲醋，有机玻璃）、6061-T4铝合金、黄铜和4340钢不同材料上成功地加工出槽等微结构，微细铣削工艺参数及表而粗糙度值见表 6.2-4。

采用（2～3) mm/min 低速进给量、每次吃刀深度注≥0.5 µm；刀刃口半径小子切削厚度，约为0.1µm；（15 - 25µm）深的槽被切出，糟长达数毫米；没加润滑剂加工的切削条件除外，低进给量加工出糟的表面粗糙度值小，约为200nm或更小。

此外，在所有这些材料上切出的槽，其侧面与底面的垂直度非常好，微细铣削设备为Boston数控镜床。

表 6.2-4 微铣铣削加工工工艺参数及表面粗糙度
刀具
工件材料转速/
1
min-
⋅r
进给量/
1
min-
⋅
mm
每次切
深\µm
平均槽宽/
槽宽偏差
/ µm
槽底表面粗
糙度
m
R
a
μ/
材料刀刃数直径
/µm
高速钢 4 24.0 PMMA 18000 2.0 0.5 26.2/1.5 92 高速钢 4 26.0 铝合金10000 2.0 1.0 28.2/1.1 92 高速钢 2 23.6 铝合金18000 2.0 0.5 3.0/2.0 458 WC 4 21.7 铝合金18000 3.0 1.0 23.0/1.1 117 高度高 5 25.0 黄铜10000 2.0 1.0 28.8/0.7 139 WC 4 22.5 4340钢18000 3.0 1.0 23.5/1.0 162
*微细铣削加工期间不加润滑油，仅铣切22次完成
使用2刃微细立铣刀在铝合金材料上加工出糟的示例见图 6.2-12，切削条件采用表 6.2-4 中第三行数据。

图 6.2- 12a 为切出槽的全貌．图 6.2- 12b 为工件侧面切出槽局部放大视图的 SEM 照片。

可以看出，两侧面几乎垂直于底面 ，槽宽与刀具直径匹配，前者比后者大 2 µm 。

槽宽误差是由刀具半径误差和主轴径向跳动误差造成的。

经检定刀具半径误差和主轴径向跳动误差（测量长度为 2 mm ，从刀具端部算起）也为 2 µm 左右，因而可以认为槽宽与微细镜刀直径之间的误差是由刀刃切削时的偏心就可能发生的径向微跳动造成的。

总的说来，2 刃微细立锐刀切出的槽宽在数毫米长度上是一致的。

采用光学千涉仪测量表面粗糙度值为 458nm （相对较大），由于缺少润滑剂，影响了微细铣削加工时的性能。

值得注意的是，在2 次铣削走刀期间，刀具发生了磨损，从开始加工算起，这时估计微细铣刀巳旋转6104.3⨯次，大约去除了36100.6m x μ⨯的材料。

图6.2-13 是在黄铜材料上切出糟的示例，采用5刀刃微细立铣刀，切削条件采用表 6.2-4 中第五行数据。

图6.2-13a 为切出槽的全貌，图 6.2-13b 为局部放大 SEM 照片，切出的总长为 l0mm ，槽宽 28.81µm ，这个形貌特征需要铣削走刀25次才能完成。

采用每次镜切深度 2.5µm 和5.0 µm 时，加工 PMMA 材料的工艺参数及表面租糙度效果如表 6.2-5 所示。

图 6.2-12 铝合金上 2 刃微细立铣刀加工的槽
图 6.2-13 黄铜上上 5 刃微细立铣刀加工的槽
表 6.2-5 每次切深（2.5～5 ）µm时加工PMMA材料工艺参数与效果
刀具
工作材料转速/
1
min-
⋅r
进给量/
1
min-
⋅
mm
每次切
深\µm
平均槽宽/
槽宽偏差
/ µm
槽底表面
粗糙度
m
R
a
μ/
材料刀刃数直径/µm
高速钢 4 28.0 PMMA 20000 2.0 5.0 27.6/1.4 180 高速钢 4 28.0 PMMA 20000 2.0 2.5 30.6/1.7 195 高速钢 4 28.0 PMMA 20000 2.0 2.5 29.1/1.8 190 有些论述认为微刀具切削加工的切屑是挤压形成的，实际上刀刃切削行为是
确实存在的。

实验表明，在分别加工PMMA和6061铝合金时，中途关掉润滑，让工
件吹干，此时用光学显微镜观察，发现在移动的刀具旁边有切屑被排出，再加工PMMA工件后也发现有明显的切削痕迹。

图 6.2-14 是微细镜削加工的PMMA工件照片，工件上表面镜削出 4 条平行槽，微细铣刀转速为 20r/min，仍采用 2 mm/min 小进给盘，采用2.5µm和 5.0µm二种每次吃刀深度进行加工,图中明显
看到有卷曲的切屑被切出。

在清洗加工的工件后，刀具切削痕迹显露出来，发
现在对黄铜、PMMA、铝合金和钢所有这些材料加工时均是如此。

在采用（3 ～ 50) mm/min 较大进给对 6061-T4 铝合金进行加工时的工艺
参数及表面粗糙度效果见表 6.2-6。

刀具转速 18000r/min，每次走刀吃深
1.0µm，使用 2 刃 WC 立锐刀，直径 21.7µm，成功地加工出深 25µm、长 7 mm
的槽。

表 6.2-6 每次切深（3～50 ）mm/min 时加工PMMA 材料工艺参数与效果 刀具
工作材料 转速/ 1min -⋅r 进给量/ 1min -⋅mm
每次切深\µm 平均槽宽/ 槽宽偏差
/ µm 槽底表面粗糙度 m R a μ/ 材料 刀刃数 直径/µm WC 2 21.7 铝合金 18000 3.0
1.0 23.1/1.1
117 WC 2 21.7 铝合金 18000 10.0
1.0 2
2.0/0.6 83 WC 2 21.7 铝合金 18000 25.0
1.0 23.1/0.6 82 WC 2 21.7 铝合金 18000
25 1.0 22.5/0.5 102 如表 6.2-6 中所列，微细锐削加工出的糟宽在（22.0 ～23.1)µm 范围内，基本上约等于刀具直径,误差也在表中列出；所测量糟底面的表面租糙度nm R a 200<,而且在进给量加大时，表面租糙度值并没有因此而增大变劣，见图
6.2-6。

该图是槽拐角局部照片，切削条件采用表 6.2-6 中第二行数据，糟侧丽与底面非常垂直，底面可见微细切削加工痕迹，槽顶角处的切屑毛刺清晰显示．切屑毛刺且不容易由溶液冲洗掉。

在微小尺度加工时，用单晶金刚石刀具进行第 2 次精切（填涂氨基丙烯酸盐或醋）或用电化学抛光的方法去除毛刺是可能的 ，德国Karlsruhe 研究中心 (FZK) Schaller 等人的研究证实了这种方法可行 性，图6.2-16 右都为用硬金属刀具在黄铜上微切加工的槽，槽顶毛剌较多；左部为用金刚石微型刀具第二次精加工的槽，糟深 55µm 精切前为 (35µm ～40µm ),糟顶光滑毛刺极少。

另外，用电化学抛光法，在工件棱角等处蚀除 （ 1～
2)µm ，可去除毛刺获得很光滑的表面 。

在微注模和热压纹模上也已开展微结构消除毛刺的实验。

减少或去除毛刺的方法之一是可通过选择易 分离的材料加工。

用直径 50 µm 刀具切削加工微结构的实例见图6.2-17，这是一个微结构光学掩 膜，这个掩膜用作光粒子分析系统的进 一步研 究 圈中光学显微镜孔的图形具有双曲线．是由直径 50µm 的硬金属刀具切出，材料为 50 µm 厚 的黄铜薄片。

图 6.2-14 微切片 PMMA 的照片 图 6.2-15 微切铝合金工件照片
图 6.2-16 切槽去毛刺前后比较图 6.2-17 微切除的双曲线孔
4.3 微细锐削机床及其加工技术
( 1 ) FMUC 公司研制的车床型散细统床和微小型加工中心
日本F川UC 公叶利也气通信大学合作研制的车床型坦精密镜床，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面微细加工。

这种超精密切削加工技术使用切削刀具，可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，具有生产率高、相对精度商的优点。

1）车床型超精密锐床。

其结构示意困如图 6.2-18 所示，该机床是在 X，Z ，C 三轴控制车床上附加了一根可绕Y 轴回转的B 轴，用于调整刀具轴线的空间位置。

机床底座使用空气一油减振器，以隔离来自地面的振动和吸收机床自身发生的振动，使静态振幅衰减到纳米量级。

机床的 X、Z 两轴采用气浮导轨，B，C 两轴采用径向推力气静压轴承。

工作台的导向结构为方形导轨，动力传递采用面节流型空气静压丝杠螺母副。

螺母与工作台的滑动部件做成一体，丝杠与伺服电机作成一体，伺服电机采用空气轴承。

转子与定子之间的间隙也用静压空气维持，B 轴由空气蜗轮驱动，因转工作台的动力传递由表面涂复固体润滑材料的蜗轮蜗杆副完成。

利用编码器实现工作台位置的全闭环控制，编码器分辨为(6
脉冲/r。

微细切削工具采用单晶金刚石球头立锐刀。

机床安装在防振的64
)
10
厂房内，室温为（20±1）℃。

机床的主要性能如下 X、Z 轴的最小小分辨率为1nm, C、R 轴的最小分辨分别为 0.0001°和0.00001°，当主轴的是大供气压力为 6MPa 时．回转速度为55000 r/min。

2）微小型加工中心微器件的精密机械加工现已有多种小型精密高速机床。