微细加工技术概述及其应用

2011 年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目: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

学生姓名:杨嘉

学号:10S008214

学生类别:学术型

考核结果阅卷人

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

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，1μm~1mm的微机械，1nm~1μm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

Rz1.5μm，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。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