精密微小孔加工技术进展

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用的电火花加工机械，如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有成熟的产品，其中日本松下精机生产的设备能稳定地加工出直径５肛ｍ的微小孔【Ｉ引。南京航空航天大学颜国正等人利用电磁冲击原理，研制出了电磁冲击式小型电火花加工装置，其动作原理见图２，它可实现每步０．０２肿的进给，加工出了孔径为０．０８５ｍｍ，深径比达４的微孔‘１８１

图１加工单元和陶瓷引导系统‘１６】

重物

压电阵子

移动体

电极

图２冲击式电火花加工装置原理图【ｌ。】

２．２激光加工

激光加工微小孔是利用激光聚焦点处的高温，使材料瞬时熔化、气化、熔化和气化物被爆炸性地喷射出来，在工件上形成一个个具有锥度的小孔。

采用激光可打小至几微米的精密微小孔，目前激光打孔技术已广泛应用于火箭发动机和柴油机的燃油喷嘴和宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等精密微小孔的加工中。激光加工微小孔的特点有：①加工能力强，效率高，加工范围广；②激光能聚焦成极细的光束，可加工直径达１Ｆｔｍ的微细孔，可进行深径比达５０以上的大深径比加工¨¨；③激光打孔不存在工具磨损及更换问题，无机械接触力，可加工薄壁、弹性件等低刚度零件；④激光打孔不需真空环境，能在大气或特殊成分气体中打孔，利用这一特点可向加工表面渗人某种强化元素，实现打孔的同时对孔表面进行激光强化。但激光打孔也有自身的不足¨９－２引：被加工表面粗糙度较差，且成形孔的尺寸精度、定位精度不理想，设备昂贵等。

为解决激光加工中的技术难题。不少企业研究了专用的激光加工设备。如德国的德马吉公司（ＤＭＧ）的ＤＭＬ系列激光加工中心，激光束峰值输出功率可达ｌＯ～２０ｋＷ。零件表面粗糙度可达Ｒａｌｔａｍ，额外的控制轴解决了激光加工中出现的类似拔模斜度的倾角问题，利用该加工中心，可加工出最小直径为５肛ｍ，深达２０ｍｍ的微小孔Ｈ鲫；美国通用电器公司利用其研发的新设备，可在气冷式涡轮叶片、外罩和燃烧室上，以３０个／ｓ的速率稳定地打出直径为１２７弘ｍ，深度为１５．２４ｒａｎｌ的小孔ｕ¨。除此之外人们还利用不同波长的激光来解决加工中的问题，如Ｃ０２激光钻孔速度快，设备性能稳定，成本低，孔径可小至５０ｔａｍ，但其加工孔的孔壁表面粗糙度差【２０。¨；ＹＡＧ激光钻孔．孔径可小至几微米．钻孔速度快，光源稳定．激光脉冲精度、重复性高，且孔的加工精度高，易于与现有工艺配合，维护及运行成本低。图３为Ｋ．Ｓ．ｔｉａｗ等人利用ＹＡＧ激光钻削复合材料板的结构示意图．利用此装置可在薄板上加工出直径４脚的微孔，且表面质量高，无明显烧伤现象［２２１；准分子激光精度最高，孔径可小至１ｔＪｍ，精细加工效果好，但加工速度极慢，加工成本高Ⅲ。¨，如爱立信公司利用ＦＣＰＡｐＪｅｗｅｌ激光器在单晶金刚石上进行打孔加工∞１，加工出了直径２０ｔａｍ的微孔，且孔的周围未见烧伤痕迹，实现了单晶金刚石的理想加工，同时也在ＳｉＱ膜上、厚度为３６４ｎｌＴｌ的钴膜上打出了直径为１胛的微孔，且没有伤及钴膜下的Ｓｉ０２。

电荷辆合装置

图３ＹＡＧ激光精密加工微小孔示意图游１

２．３超声加工

超声加工微小孔是利用超声发生器激励的换能器驱动工具作超声振动，冲击工件表面上的磨料，将加工区域的材料粉碎，随着工具的进给而加工出微小孔。超声加工具有以下特点：①不仅能加工硬质合金、淬火钢等硬脆金属材料，且更适合加工不导电的非金属硬脆材料，如半导体硅片、锗片、陶瓷、玻璃、石英、宝石、碳纤维复合板等材料的精密加工；②可加工各种端面截形的异型孔，加工精度可达１

一】５一　万方数据

肛ｍ，表面粗糙度可达Ｒ口０．０３～０．１０ｐｍ，且无表面残余应力、烧伤等现象；③孔的加工尺寸在直径０．１ｍｍ以下，深径比一般可达１０～２０，且机床结构简单，成本相对较低。但超声加工也有自己的不足乜卜２７１：工具很细，制备和安装较困难，易磨损，影响加工精度，超声加工微小孔振幅小，功率小，加工效率低。

日本东京大学利用超声加工技术在石英玻璃上成功地加工出’了直径５弘ｍ的微孔（２引，哈尔滨工业大学在Ｔｉ合金上利用超声技术成功地加工出了直径＜０．２ｍｍ。且深径比＞１５的深小孔心引。此外。高效实用的超声加工设备也是人们努力研究的方向。德国德马吉公司（ＤＭＧ）的ＤＭｓ３５Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ超声振动加工机床，主轴转速３０００～５０００ｒ／ｍｉｎ，特别适合陶瓷、玻璃、硅等硬脆材料，与传统的加工方式相比，生产率提高５倍，加工表面粗糙度Ｒ口＜０．２／Ｊｍ，可加工Ｏ．３ｍｍ以下的精密小孔心引。在国内，湘潭大学、北京航空航天大学、兵器工业五二研究所等单位也研制出了可加工精密微小孔的超声加工装置。图４为哈尔滨工业大学设计的微细超声加工单元示意图Ⅲｌ，该超声加工布局不同于常规布局，采用工件振动的方式，此种加工可使孔的形状精度大大提高，且不必另行配备工作液循环系统，经济实用，在此布局下，已加工出了直径分别为７０肛ｍ和１３肛ｍ，深度分别为３５０弘ｍ和５０ｐｍ的孔。

图４超声加工单元示意图饼１

２．４电解加工

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理实现金属零件的成形加工。孔的电解加工是利用工件作阳极，采用管状或棒状阴极，阴极外截面形状与加工孔截面形状相似。电解加工微小孔有如下优点：①可加工任何导电材料．不受材料强度、硬度、脆性、韧性、熔点、导热性等的限制；②生产效率高，表面粗糙度值低，可达ＲａＯ．２～１．６肛ｍ；③加工表面无残余应力和变形，加工后的孔口无飞边和毛刺；④加工过程中工具电极基本不损耗。但其缺点一１６一也很明显［勰叫】：加工孔的精度不理想，工具的阴极制造较为复杂，电解液的腐蚀性较强，都限制了电解加工孔的应用范围。

在生产实践中，针对电解加工的不足，人们不断开拓电解加工的新领域。脉冲微细电解加工，随着电子技术的发展，纳秒级脉宽的脉冲电源得以实现［２８＿３２】，德国马克斯一普朗克协会（ＭｅＧ）的科学家率先采用纳秒级的脉冲电流进行微细孔的电解研究，成功地加工出了直径５弘ｍ以下的微孔Ⅲ】，其加工示意图见图５。上海交通大学的李小海等人［ｚ９】，利用精密高速旋转主轴带动在线制作微细工具电极高速旋转，采用低加工电压、低浓度钝化电解液、快速响应伺服系统和高频、窄脉冲电流电源，在不锈钢片上加工出了直径６５肛ｍ，圆度误差小于１弘ｍ的微孔（图６）；电液束微细电解加工【２卜圳是在金属管电极小孔加工的基础上发展起来的一种微细孔加工方法。主要用于加工航空工业中的各种小孔结构，如美国使用电液柬技术加工出了直径为７６弘ｍ的微孔，该技术已成功用于涡轮机冷却孔的加工，深径比达５０。据国外报道【３¨，利用此方法已加工出最小直径为２５岬，加工精度为±０．０５弘ｍ的微孔，加工斜面时微孔轴心线与表面夹角最小为ｌＯ。。同样是美国利用绝缘细管电解加工工艺已成功地在厚度为９６肛ｍ的钨板上加工出了直径为２４肛ｍ的微孔。微细电极的制造也是人们研究的热点之一，相对于其他

滤波器

图５脉冲电解微细加工示意图‘圳

图６徽细电解微小孔‘圳　万方数据