微细加工技术概述

微细加工技术概述

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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，超细加工

论文

1.微细加工技术简介

微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。

微细加工技术应满足下列功能：

1）为达到很小的单位去除率（UR），需要各轴能实现足够小的微量移动，对于微细的机械加工和电加工工艺，微量移动应可小至几十个纳米，电加工的UR最小极限取决于脉冲放电的能量。

2）高灵敏的伺服进给系统，它要求低摩擦的传动系统和导轨主承系统以及高精度跟踪性能的伺服系。

3）高平稳性的进给运动，尽量减少由于制造和装配误差引起的各轴的运动误差。

4）高的定位精度和重复定位精度。

5）低热变形结构设计。

6）刀具的稳固夹持和高的重复夹持精度。

7）高的主轴转速及极低的动不平衡。

8）稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。

9）具有刀具破损和微型钻头折断的敏感的监控系统。

2.微细加工的特点

微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括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方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，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发展的，特别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。

微小尺寸和一般尺寸加工是不同的，其不同点主要表现在以下几个方面：

1、精度的表示方法

在微小尺寸加工时，由于加工尺寸很小，精度就必须用尺寸的绝对值来表示，即用取出的一块材料的大小来表示，从而引入加工单位尺寸的概念。

2、微观机理

以切削加工为例，从工件的角度来讲，一般加工和微细加工的最大区别是切屑的大小。一般为金属材料是由微细的晶粒组成，晶粒直径为数微米到数百微米。一般加工时,吃刀量较大，可以忽略晶粒的大小，而作为一个连续体来看待，因此可见一般加工和微细加工的机理是不同的。

3、加工特征

微细加工和超微细加工以分离或结合原子、分子为加工对象，以电子束、技工束、粒子束为加工基础，采用沉积、刻蚀、溅射、蒸镀等手段进行各种处理。

3.微细加工技术发展

在超精密加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，近年，美国执行了"微米和纳米级技术"国家关键技术计划，国防部陆、海、空三军组成了特别委员会，统一协调研究工作。美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm 的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。

日本对超精密技术的发展也十分重视，70年代初，日本成立了超精密加工技术委员会，制定了技术发展规划，成为此项技术发展速度最快的国家。日本现有20多家超精密加工机床研制公司，重点开发民用产品所需的加工设备并力图使设备系列化，成批生产了多品种商品化的超精密加工机床。在超精密切削技术发展比较成熟后，日本已将黑色金属、陶瓷和半导体功能材料的超精密加工技术作为重要的研究开发项目。日本的研究创新意识强，不是单纯地模仿国外的做法，而是积极地利用外国技术并结合本国特点和生存环境，走出了一条自己的发展道路。

欧洲等国也将超精密加工技术的发展放在重要位置，60年代起英国开始研究超精密加工技术，克兰菲尔德大学精密工程研究所相继研制出能加工大型非球面反射镜的数控金刚石

立式车床、加工大型非对称结构光学零件的数控超精密磨床、研制了脆性材料的超精密磨削工艺。现已成立了国家纳米技术战略委员会，正在执行国家纳米技术研究计划。德国和瑞士也有比较强的超精密加工能力。1992年后，欧洲实施了一系列的联合研究与发展计划，加强和推动超精密加工技术的发展。超精密车削、磨削和研磨是已经发展成熟并大量应用的加工技术。日本开发了外圆和平面等多种类型的研磨机，美国也研制成功了加工陀螺零件的球形研磨机。

4.微细加工发展前景

如果进入微观世界，能够捕获一个或多个单原子，然后让它们重新排列组合，那么就会导致物质本身发生某些变化，而这些变化将会对未来许多领域，及人类生活产生巨大影响。例如，我们把组成水分子的氢和氧分开，二者都是可以燃烧的。小的分子，只有足球体积的几亿分之一，用机械方法，几乎是不可能捉住它，分子又是由原子组成的，操纵一个原子，就更难了，而光可以做到这一点。一束极细的激光，产生光子流，其动量转移给物体，形成光压，再通过适当的光场分布，可以把那种极小的原子俘获在一定的位置，并可方便把移动它。实际上这就实现了对原子的操作。

控制原子或分子的手段叫光镊，对分子原子进行切割雕刻使用的是光刀。一种材料通过改变它的分子结构及原子排列取向，进而形成新布局，那么，它的性能就会发生很大变化，这样未来我们所制造出来的电子器件，与现在相比，其功能相同，而体积则要小多少万倍。

在以后的几十年，随着原子尺度加工技术不断完善和提高，就会出现多种单原子器件和新型分子材料，如果把它们用制造机器人，最小型的就可以爬进人的血管，进行各种各样的治疗手术。同样，用来制造卫星，卫星的体积，也会大大减少，到那时人类可能一次发射成千上万颗用于各方面的卫星，而到目前为止，人类在以往几十年间，一共才把几千颗卫星送上天。通过科学分析和计算，改变了原子分子结构的新型材料，具有更高的强度，更轻的重量，更好的绝热和耐高温性能，在空间领域，用来做太空船的外壳，引擎或其它方面，太空船会变得更轻、更快，能够承受更为恶劣的环境，它会带着人类走的更远，会征服更多的星球。在日常生活中，我们所看到的，用激光刻录的光盘，已经可以储存较多的信息了，但这只是一种新的输入方式，而光盘本身做为一种材料，容量还是有限的，如增加它的原子分子密度和改变它们取向，那么未来就可以把现在成千上万强光盘的信息，放进象手表大小的空间里。一座大型图书馆全部书籍可容进一张光盘内，你拥有了这张光盘，就拥有了一座图书馆。

在生物领域，各种各样的原子和分子，以它特有的方式组合在一起，由此产生了世界万物，如果利用光镊光刀，把生命体的某些原子取出，然后，按照科学规律，重新组合，会出现什么样的结果，科学乐观的预测，这样就有可能创造出具有生命力的新物质，而它的存在形成，与我们常见的动物、植物和生物会有所不同。同样，利用光刀光镊，修复DNA和某些有缺陷的遗传基因，从而可以克服困扰人类的多种顽症。

21世纪，人类进入微观世界。在原子分子尺度上，对物质进行操作和加工，无疑会展现出一种相当美好的前景，并引起各方面的广泛重视。

结束语

微细加工技术20世纪末兴起21世纪初开始快速发展的高科技前沿领域。随着微细加工技术的研究进展，其在机、电、光等系统集成方面的内涵将更加丰富。与不同学科的交叉和