微细加工中的尺度效应 整理

微细加工中的尺度效应
在科技飞速发展的今天，人类对机械产品的性能有了许多更高的要求，在通讯、电予、航天、微系统技术、微机电系统等领域，产品微型化已成为人类所追求的同时也是工业界不可阻挡的一个发展方向。

这些微小精密产品的制造离不开微细加工技术。

而在微细加工中，尺度效应对加工的整个过程有着极大的影响。

同时，也正是尺度效应，使得加工后的微小精密零部件有着非常好的性能。

所以，尺度效应是微细加工过程中至关重要的可行性评估依据和理论基础。

在下面的论述中，将对微细加工中尺度效应的定义、对加工过程的影响以及它的重要意义与实际应用进行简要的阐述。

1.微细加工中的尺度效应的定义
尺度效应是一个很广泛的概念，在不同的学科领域中有着相应的定义。

在机械工程领域，尺度效应主要体现在微细加工过程中。

如果对尺度效应做一个概括性质的定义，是指:在微细加工的过程中，由于被加工材料整体或局部尺寸的微小化，引起的成形机理、材料变形规律以及材料性能表现出不同于传统成形过程的现象。

2.微细加工中尺度效应的作用机理与影响
在微细加工过程中，由于切削层厚度已经十分薄，尺寸与微观尺度相近，尺度效应对加工精度的影响是十分明显的。

传统的制造精度理论和分析方法将不再适用。

在加工过程中，尺度效应的作用并非仅仅是将传统加工在尺寸上简单缩小，其主要可以表现为两个方面。

（1）在物理学方面，当切削加工的尺寸减小到一定的程度进入纳米量级时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致多个物理性质呈现新的小尺寸效应。

在微米量级或该量级以下时，金属材料的硬度值急剧上升，转剪应力---剪应变曲线、弯曲应力---应变曲线明显升高。

由此可见，制造中工件的受力与变形特征与传统构件情况是大不相同的。

这主要是由于尺寸的缩小使得切削过程中起主导作用的力发生了变化。

对于微细加工中的工件，随着线性尺寸的减小，其表面积与体积的减小程度是不同的。

实际上，随着尺寸减小，微构件表面积与体积之增大。

因此，分别与
工件的表面积和工件的体积关的力也相应的有不同的相对变化，即表面力与体积力的比值相应增大。

这就会使得，许多我们在宏观尺度下通过对加工过程的研究而得出的各种力对加工过程的影响程度，在微观尺度下不再适用。

具体表现为：在宏观尺度下被忽略的短程力，如范得瓦耳斯力、静电力、空间位形力等将在加工过程中产生影响，其积累效果可导致大于0.1微米的长程作用，甚至可在10微米的范围内具有显著影响，而微切削过程也主要发生在这个尺度之内。

在微切削过程中，切屑变形所消耗的能量减小，而切屑与前刀面的摩擦力相对显著提高，这就使得摩擦力在微切削的切削力中占据更重要的地位。

随着加工尺寸的减小，在宏观尺寸下普遍适用的摩擦定律，即“摩擦力的大小与正压力成正比（与接触面大小无关）”已经失效。

此时的摩擦力主要依赖于接触面的大小和形态。

另外由于表面原子数增多、原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，这就导致在加工过程中零件表面的晶粒易与加工环境中的气体、切削液等发生反应，从而影响零件表面质量。

(2)从材料学角度看，晶体的微结构,比如晶粒和位错胞，它们的特性尺寸对材料的力学性能有重要的影响（例如：位错构型及其构型尺寸对材料屈服应力就有极大的影响）。

在微细加工中，从材料学角度来看的尺度效应，就是由于工件的微观结构的尺寸与微细加工的尺度相近（结晶析出物及微细晶粒的尺度为0.1微米，位错台阶的尺度为0.01微米，这都与微细加工的尺度十分相近），而使得宏观尺度下不需要考虑的工件晶体的特性在微观尺度下必须予以充分重视。

由于进行微细加工时，切削层的厚度是纳米级的，所以切削过程主要是在晶粒的内部进行。

在传统的宏观机械切削理论假设中，在没有考虑工具对工件晶粒内部的切削作用的前提下，把工件看成是连续的、各个方向工艺性相同的介质。

而对于微观领域的切削加工，切削主要在晶粒内部进行，已不能将材料看作是连续的各向同性的介质。

因此，在研究微切削时，必须考虑到晶体各向异性的特点。

晶体内部缺陷、位错的运动（如：攀移、滑移、扩展）和增殖对切削力的大小有决定性的作用。

尺度效应还包括量子尺度效应。

如果切削尺寸下降至很小，会发生量子尺度效应。

金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而
使能隙变宽现象，均称为量子尺度效应。

它会导致材料微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

而对于微细加工中的塑性变形和裂纹，从材料学的角度，在微观尺度下有：塑性变形是按照位错增殖的弗兰克-瑞德源机制进行的，位错滑动时所需要克服的阻力就是宏观的流变应力，而阻力的来源主要有两方面：一是位错间的弹性交互作用；二是位错交截时产生的割阶。

裂纹的形成是由于位错聚合形成裂纹源，随着位错塞积的进行，其余位错相继进入解理面，增大裂楔的厚度，直到形成裂纹。

在微细加工过程中，由于对精度的要求较高，尺寸较小，工件和刀具的塑形变形和裂纹对加工精度有着更大的影响，因此微细加工中的塑性变形情况、影响塑性变形和裂纹的切削力的大小都需从一个新的角度重新考量。

关于尺度效应的作用机理也有许多其它的因素和研究，如Dinesh等对应变梯度和尺寸效应间关系的分析；Liu和Melkote提出的基于应变梯度的有限元模型进行微细正交切削中尺度效应的预测，以及Kopalinsky和Oxley对之的验证等。

综上所述，由于微细加工中尺度效应的存在，使得微细加工过程中所需考虑的各种因素不同于宏观尺度下的加工过程，许多宏观尺度下可以忽略的因素，在微细加工中，由于尺度效应的存在而成为不可忽略甚至起决定性作用的因素。

微细加工中尺度效应的存在，使得微细加工的难度增大。

所以在进行微细加工时，我们必须充分考虑到尺度效应对加工过程的影响。

3.尺度效应的重要意义及应用
尺度效应如今已经成为了微制造技术的一个新的难题。

由于尺度效应的存在，使得微细加工的难度大大增加；同时，也正是因为尺度效应的存在，使得微机械系统具有宏观的传统机械系统所不具备的独特性能。

尺度效应对于微细加工有着极其重要的意义：首先，正如我们之前分析的，在微细加工过程中，须考虑到尺寸效应的影响，才能确保整个加工过程的正常进行；而且，尺度效应还是微型机械系统很多物理现象不同于宏观机械系统的重要原因，是微型机械系统具有独特优越性能的理论基础。

在支配物理现象的所有力中，长度尺度是表征作用力类型的基本特征量。

体力以特征尺度的三次幂标度，而表面力则依赖于特征尺度的一次或二次幂。

因此，随着尺寸的减小，表面力减小的更小，也即相对于体力来说越来越重要。

所以，
在微系统中，各零部件的体力（如重力）不在起主导作用甚至可以不予考虑，而表面力则起主要作用。

在微机械系统中，由于尺度效应的存在，静电力、摩擦力等成为系统的主要驱动力和阻力。

因此，尺度效应也是设计一个微机械系统的理论基础。

在微细加工领域中，许多微系统都是在尺度效应理论的基础上成功构建出的。

如果没有尺度效应作为理论基础，是无法设计出能够正常工作的微系统的。

如今，微型化的系统由于其尺寸较小，较灵活而成为一个主要发展趋势并有着光明的发展前景。

例如：在生物医疗方面，微型医疗诊断导管可用来引导装有传感器、贮药囊和微型泵的“有效药丸”，将其注入体内，进行药物定量定向释放以及各种微创手术。

在国防领域中，已经应用的微型飞机和微型卫星，可以迅速组建侦查网络和信息网络，对地球上的每一个角落进行监视，使战场变得更加透明。

因此，微小型化机械（机电）系统已成为建设现代化航空航天、军事信息网络的基石，同时也是我国国家重大科研工程如先进医疗、信息技术、激光核聚变等为代表的未来科学技术不断创新发展的核心动力。

而这些系统的设计与运行都离不开尺度效应这一理论基础。

4.小结
在本文中，对微细加工中尺度效应的定义、作用机理与影响、意义以及应用进行了简要的阐述，并重点介绍了尺度效应的作用机理。

尺度效应是整个微细加工过程中不可忽视的重要因素，它使得微细加工中的各个决定性因素发生变化：摩擦力在切削力中占据更重要的地位；工件的晶体各向异性对加工过程有着很大影响。

同时，尺度效应也是微机械系统具有独特优异性能的理论基础，它使得微系统中的表面力占据比体力更重要的地位，成为决定性的因素（作驱动力或阻力）。

尺度效应是设计微系统的一个理论基础，以尺度效应为设计与运行的理论基础的微机械/机电系统已经取得许多研究成果，并具有较好的发展前景。