微切削加工技术

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微机械加工技术分类
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工 具 技 术
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微切削加工技术
纳米尺度， 加工精度为亚微米。
微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加
［6］ 工方式， 而且 不 受 材 料 的 限 制 ， 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 微加工 （见 图 4 ） ， 通过使用此法加工出的微小模具 可达到 批 量 生 产 的 目 的。 以 下 主 要 介 绍 微 切 削 装 备、 刀具、 切削机理。
［3］
被加工材料进行 等 向 或 非 等 向 刻 蚀 去 除 加 工， 通常 可对被加工材 料 进 行 体 形 微 加 工 （ bulk micromachin或表面微加工 （ Surface micromachining ） 。刻蚀技 ing） 术的优点是加工精度高， 且有大批量生产能力， 可与 技 术 已 较 成 熟； 缺点是被加工材料固 IC 制造相容， 定、 加工速度慢、 刻 蚀 剂 危 险 性 高、 所用设备资金投 入大， 且对加工环境要求高等。 （2） 薄膜技术 该技术主要用薄膜成长技术和刻蚀技术加工所 需的微结构， 一般 可 用 于 2D 表 面 微 加 工， 主要应用 在 VLSI 方面的 微 元 件 制 造。 薄 膜 技 术 除 了 技 术 已 较成熟、 极佳的 IC 相 容 性， 不需要特别的组装技术 就可以大量生产微元件外， 其缺点与刻蚀技术相同。
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引言
电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术 生产出来， 因此新 的 材 料 和 新 的 微 制 造 技 术 以 及 微 切削技术陆续被研究发展出来。
随着科学技术的发展对切削加工提出了越来越 高的要求， 一是要满足越来越高的加工效率、 加工精 度和表面质量； 其次是要求经济性和生态性 （即绿色 生产要求） 。为了 满 足 这 些 要 求 研 究 人 员 已 做 了 大 量的研究工作， 开发出了多种先进切削加工技术， 如 高速切削、 干切削、 硬切削等。 微机电系统最 早 是 上 世 纪 60 年 代 对 集 成 电 路 （ IC） 制造与 材 料 研 究 而 衍 生 出 来 的 一 门 新 领 域， 因 此开始发展时使用的制造技术必须遵循集成电路的 制造要求， 所采用 的 材 料 也 必 须 符 合 集 成 电 路 的 制 造标准， 如采用多 晶 硅、 单 晶 硅、 氧化硅和二氧化硅 等硅基材料， 或是使用铝、 铜等金属。但随着微机电 系统和微机械的 多 样 化 发 展， 传统上符合集成电路 制造要求的材料 有 其 局 限 性， 对于拥有不同机械性 能与电子特性微元件的需求也显得越来越迫切。微 机电系统技术已 经 成 为 全 球 增 长 最 快 的 工 业 之 一， 需要制造极小的高 精 密 零 件 的 工 业， 例如生物 - 医 疗装备、 光学以及微电子 （包 括 移 动 通 信 和 电 脑 组 件） 等都有大量的需求。然而， 并非每种应用在微机
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微小机械加工特征的尺度等级
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微制造技术
目前常用于微机电系统方面的微 制 造 技 术 （ Mi可分为对硅基材 料 以 及 非 硅 基 材 料 cromanufacturing）
［2 ， 4， 5］ 的微加工， 基本上又可分为四类 ：
（1） 刻蚀技术 该技 术 利 用 干 刻 蚀 法、 湿刻蚀法或光刻蚀法对
图4
微切削加工的零件
4.1
微切削装备
零件的尺寸和加工质量 （ 加 工 精 度、 表面粗糙 度、 重复精度） 与其加工机床的性能 （如精度、 动态特 性等） 密切相关。机床的性能主要与主轴、 工作台和 控制系统有关， 微切削所用刀具的直径非常小， 为了 提高加工效率， 微 切 削 机 床 主 轴 的 转 速 非 常 快。 为 满足扭矩要求， 通常采用电主轴和混合角接触轴承， 这种轴承由于摩 擦 生 热 造 成 热 膨 胀， 最高转速一般 不超过 6 万 I / miI。 当 转 速 更 高 时， 应采用空气轴 承， 但空气轴承提供的扭矩较小， 目前空气轴承主轴 的最高转速可达 20 万 I / miI 。为了获得 较 高 的 切 削 速度， 主轴的锥 度 与 高 速 切 削 刀 柄 的 锥 度 一 致。 微 切削精密机床的 工 作 台 一 般 是 由 直 线 电 机 驱 动 的， 与普通驱动如滚 珠 丝 杠 相 比， 直线电机驱动系统没 有摩擦和电磁耦 合 产 生 的 累 积 误 差， 也没有由于磨 损造成的精度损失， 不存在间隙， 而且能提供较大的 加速 度， 直 线 电 机 驱 动 系 统 的 精 度 可 达 i l! m。 微 切削精密机床的刚度好， 振动小， 而且大都带有各种 传感器和执行 器。 但 是 由 于 其 尺 寸 较 大， 对周围环 境的控制要求较 严 格， 使得加工微小零件的成本较 高。目前市场上可用于微切削的加工中心和数控车 床如图 5 所示。 由于 微 小 机 械 产 品 的 加 工 特 征 尺 寸 很 小， 研究 人员正尝 试 开 发 微 小 机 床 （ 见 图 6） 来加工微小零 件。微小机床的 体 积 尺 寸 非 常 小， 可节约大量的原 材 料， 因 此， 可 使 用 性 能 较 好 的 材 料 来 制 造。 另 外， 由于质量小， 微小机床的固有频率比普通机床高， 这 使得微小机床可以稳定地在较宽的主轴转速范围内 使用而不发生 颤 振。 即 使 发 生 振 动， 在同样载荷下 微小机床的振幅也小。微小机床的定位精度可达到
［l］ 于 l00 m 的尺度 属 于 宏 观 力 学 研 究 范 畴 。而机械
加工学科常常以 l0 - 6 m （l! 为加工误差尺度， 传统 m） 切削加工的误 差 尺 度 多 以 丝 来 衡 量 （ l 丝 = l0! ， m） ［2］ 精密加工的 误 差 尺 度 可 达 到 微 米 级 。 由 此 可 见： 材料学以 研 究 对 象 的 特 征 长 度 作 为 尺 度 划 分 的 依 据， 机械加工领域 以 研 究 对 象 的 加 工 精 度 作 为 尺 度 的划分依据， 从而把机械加工划分普通加工、 精密加 工和超精密加工 等， 并没有涉及到工件加工特征尺 度的大小。 如图 l 所示， 精密加工根据工件加工特征的尺度 可分为宏尺度加工、 中尺度加工和微尺度加工。通常
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精密加工尺度的划分
（3） LIGA 技术 该技 术 结 合 了 X-ray 深 刻 技 术 （ Deep X-ray 、 微电铸翻模 （ Micro electroforming） 及微成 lithography） 形 （ Micro molding ） 等 技 术， LIGA 微 加 工 制 造 技 术 除 具有精度高、 表面粗糙度好、 可批 IC 电路相容性佳、 量生产的优 点 外， LIGA 技 术 比 IC 制 造 技 术 能 加 工 更为多种的材料 以 及 具 有 更 佳 的 高 深 宽 比 3D 微 结 构制造能力。然而， LIGA 技术最大的缺点是制 造 所 需的同步辐射 X 光费用极为昂贵， 此外 X 光 光 罩 的 制作成本与时间的 耗 费 也 很 高， 因此在亚微米 （ Sub尺度的微结构中已有利用价格较为便宜的类 micron） 例如利用替代性光源 LIGA 技术来取代 X 光的刻蚀， 的紫外光微影、 准分子激光加工以及反应式离子刻 蚀 （ reactive ion etching，rIE ） 等 技 术， 这些替代性技 术的加工精度虽无 LIGA 技 术 高， 但 光 源 设 备 小、 价 格亦较为便宜。 （4） 微机械加工技术 除上述 （1）~（ 3 ） 类 的 微 制 造 技 术 外， 一般大都 可归于此类加工 技 术， 微机械加工技术又可分为微 切削加工技术、 非切削加工以及特种加工等三大类 （见图 3） 。本文主要介绍微切削技术。
! 教育部新世纪优秀人才资度的划分， 不同的研究机构、 不同研究领 域的 研 究 人 员 有 不 同 的 见 解。 材 料 学 专 家 认 为 l0 - l2 ~ l0 - 9 m 之间的 尺 度 属 于 量 子 力 学 研 究 范 畴； l0 - 9 ~ l0 - 6 m 之 间 的 尺 度 属 于 纳 观 力 学 研 究 范 畴； l0 - 6 ~ l0 - 3 m 之 间 的 尺 度 属 于 介 观 力 学 研 究 范 畴； 大 l0 - 3 ~ l00 m 之间的尺 度 属 于 微 观 力 学 研 究 范 畴；
NCET-04-0629）
2006 年第 40 卷 N3
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的机械加工大多是指宏尺度加工， 零件的技术性能要 求反映在宏观尺度或表层结构上， 加工特征的尺寸相 对较大， 加工的范畴较广； 微尺 度 加 工 是 指 微 纳 米 加 工， 主要用精密和超精密加工 技 术、 微细加工技术和 纳米加工技 术 来 加 工， 强调了 “极 薄 切 削” 和微观结 构， 加工特征的尺寸相对来说较小， 在微米、 亚微米和 纳米级， 研究的重点是物质的 微 观 结 构； 介于两者之 间的称之为中尺度加工或中尺寸加工
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工 具 技 术
微切削加工技术
刘战强 雷原忠
山东大学
摘 要： 在探讨切削技术发展动力的基础上给 出 了 机 械 加 工 的 尺 度 划 分 方 法。 通 过 综 述 微 制 造 技 术， 介绍了
微切削加工装备和微切削刀具， 提出了利用应变梯度 塑 性 理 论 进 行 微 切 削 机 理 研 究 的 设 想， 从分子动力学模拟仿 真、 最小切削厚度、 切屑形态、 微切削力、 切削温度、 工 件 材 料 的 微 量 加 工 性、 刀 具 变 形、 表 面 粗 糙 度 与 切 削 稳 定 性、 毛刺、 积屑瘤、 刀具磨损等不同方面分 析 了 微 切 削 机 理 的 研 究 现 状 和 存 在 问 题。 最 后 介 绍 了 微 铣 削 CAD / CAM 技 术， 并指出了微切削加工技术的发展趋势。 关键词： 微切削， 微机床， 刀具， 切削机理， 微尺度
目前有一些机电产品既不像纳米技术中 微 型 机 电系统 （微型机械） 那样小， 又不像普通机电产品那样 大， 为便于区分， 可称之为 “微 小 机 械” 。微 小 机 械 的 加工特征跨越了多个不同尺度等级 （见图 2） ， 既包含 又包含 10 - 6 ~ 10 - 3 m 之 10 - 3 ~ 100 m 之间的微观尺度， 间的介 观 尺 度， 还 包 含 10 - 9 ~ 10 - 6 m 之 间 的 纳 观 尺 度。这里应该指出是目前大部分微细 制 造 技 术 所 能 达到的加工精度还在亚微米至微米范围， 相距通常所 还有较大差距。 说的纳米尺度 （10 - 10 ~ 10 - 7 m） 微小机械无论在国防、 航空、 航天和民用中都有 较大市场， 例如微小人造卫星、 飞机、 机床、 汽轮发电 机组、 车 辆、 枪 械 等。从 产 品 发 展 来 看， 小型化是其 方向之一， 如照相机、 摄像机、 投影仪、 手机等都越做 越小， 而功能却不断提高和完善。因此， 微小机械加 工理论和技术的研究有着广阔的应用前景。