微型制造工艺简述

《先进制造系统》课程结课论文

微型制造工艺简述

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二0一六年六月

微型制造工艺简述

摘要：微型制造指的是高精度的三维产品制造，其结构尺寸范围是从几十微米到几毫米。微电子制造技术(ⅧMS)在半导体和微电子领域已有了很好的应用，但它并不能满足广泛的非硅材料以及复杂三维几何形状制造工艺的要求。同时，在工业和军工领域，特别是在医疗、生物、通讯和能源领域，对微型化产品的要求与日俱增。这些产品包括：微型手术刀、可在血管里运动的微型潜艇、微型电池、携带式电子装置、照相机、微反应器、无线电装置、微型泵和阀、微型喷嘴以及微型模具等。微型制造的可行性与制造成本是产品占领市场的根本条件，而这些取决于制造工艺。

关键词：微型制造；系统；桌面工厂

微型制造系统或微型工厂是微小零件制造系统一个创新的概念，它不是传统系统或工厂单纯地在尺寸上缩小，而是基于现代科学技术，以一种创新的思维方式和技术路线指导下的产物。根据微型化和造设备与系统的特点及发展状况，目前涉及的技术可归纳为两个方面：单元微型化技术和系统集成化技术，微型制造对我国有着重要的影响。

微型工厂定义及研究实例

桌面工厂是在日本很流行的微型制造工艺，它是将整个微型制造系统置于桌面上，利用微型化的车床和加工中心进行微型加工，其装配和工件的运输均由微型机器人完成。例如，日本产业技术综合研究所(AIST)的一台DTF包含了质量为1009、外形尺寸为32mm×

25mm×30．5mm的微型车床(其转速可达10000r／min，定位精度为25nlTl)以及转速可达300000r／min、精度为50啪的高速铣等。DTF 的特点是高度的微型集成化，它可以将工厂设置在手术台旁、远行的轮船上甚至飞机机仓内，随时加工所需要的部件，同时还提供了最小能源化的途经，为企业在国际市场中的竞争创造了有利条件。室的微型工厂模型。该轻便的微型工厂尺寸为625mm×490mm×380mm，质量为34 kg。该微型工厂包括微型车床、微型铣床、微型压力机、微型机械手、微型机器人以及3台微型CCD摄像头和1台液晶监测器。其中微型车床尺寸为32．0 mm×25．Omm×30．5mm，质量为100 g，主要包括了主轴单元、线性进给单元和刀夹部分；微型压力机的高度仅有170mm；微型铣床尺寸为120mm×120mm×100mm，成形末端是直径为2mm的手柄；微型机器人包含一微型传递手臂，具有三向平移自由度和一向旋转自由度。该微型工厂没有考虑加工对象，但是却给微加工提供了广阔的思路。另一模型是ISTF公司研发的微型工厂。该系统包括加工单元、装配单元和传递单元三部分，桌面尺寸为60×65×75mm，能够加工质量为几克的微小零件。其中加工和传递单元是采用全新的设备，装配单元设备是对传统设备本身尺寸的缩减。加工单元包括了电化学加工装置、微型泵和识别装置等，装配单元有2个带有7个自由度和7个超声马达的微型臂、精密平台和一些工作工具。可以在定位分辨率为o．5且m的精密平台上实现装配。传递单元则有一系列微型致动器来驱动。丹麦学者提出了“丹麦微型工厂”和微型工厂群[1¨，该微型工厂群用于微型工厂中新技术的开发，具体包

括微型化机械设计系统和微型化的检验装备。其中微型化机械设计系统用来开展三维微型结构和装配技术的研究；微型化的检验装备用来检查质量缺陷和获取工艺数据等。微型工厂的发展对微型加工设备的发展提出了更高的要求。相反，微型加工设备的进步也推动了微型工厂的发展。两者是相辅相成，互相促进的。目前微型加工设备的研究实例有很多，包括微型磨床、微型钻床、微型铣床和微型冲床等。例如瑞士的AGIE和联邦技术中心等联合开发的桌面电火花加工机。瑞士联邦技术中心开发了的Delta3结合AGIE开发的电火花加工机[”]。据报道它的工作体积为8mm×8mm×8 mm，有5nm的高分辨率和高达600 Hz的频带宽。为了更好地运行，采用了一个“基于柔性连接的并联运动机构”来减小摩擦、磨损和间隙。还采用了3台线性电磁电动机来驱动该机器，大大提高了精度，在蚀刻小零件时能够达到所期望的loonm的精度，其精度比市场上现存的电火花加工机的精度要好得多。目前，人们设计制造了首台样机，并进行了激光切割。还有微型注射模塑机[11]的开发。此外还有基于扫描电镜的微型增量成形机，纳米压痕系统，微型模压装置，基于扫描电的拉伸测验机和用于微米材料及结构的疲劳检测系统等。这些实例都表明了用微小设备进行材料处理和检测是可行的。微型加工和检测设备的发展必会推动微型工厂的进一步发展。

微成形工艺的研究

工业上已经能够成形小型零件，但是，在零件特征尺寸为几十个微米或者零件的精度要求小于几个微米时，对其成形出现了很多问题。

相对于微机械加工和化学蚀刻等工艺，具有高生产效率、良好的材料完整性、少或无加工废料、低的加工成本等优点的微塑成形无疑是更好的生产方式，目前研究较多的微成形工艺有微冲压(微弯曲、微拉伸、微压印等)、微体积成形(微挤压)、微超塑成形、微注塑、微压铸等。微弯曲经常被用来加工微弹簧、微型夹头、连接器、引线框等微细三维立体零件。Hee-WonJeong等口1对薄片合金玻璃进行了微弯曲和扭转。试验在真空中进行，首先利用激光对薄片合金玻璃悬臂梁进行加热，然后在微弯曲和扭转下变形，该变形过程没有发生结晶。验证了成形三维微结构方法的可行性。微拉伸可以生产出形状很小的杯形、壳形零件。但是它的工艺相对微弯曲来说要复杂的多，在摩擦、各向异性、变形的不均匀性等方面，较之其他工艺更为突出，而且这方面的研究和报道也较少。Saotome等在自行研制的装置上进行了深拉深试验，研究了不同凸模直径与板料厚度的比值对板料成形性能的影响。微冲压也是一种很重要的微成形工艺方法。Gwo—LianqChern 等研制了一新型的微型冲压机。众所周知，冲压成形中要保证凸模和凹模的对中性以及凸凹模之间的间隙均匀是非常困难的。因此，该装置采用了CCD摄像头的监测来保证凸凹模的对中性和均匀间隙。利用此装置在厚度为0．1mm的不锈钢SUS304上成功冲压出了直径为0．1 mm和o．2 mm的孔。M．Geiger等口1在研究微冲裁加工时发现，剪应力并没有随着产品的微型化而减小，当板料厚度减小到一定的时候，材料的临界减切强度又会轻微地增加，而且这种现象不会随晶粒尺寸改变而改变。X．Peng等对基于激光加热的微型件冲压进行了分析，