微切削加工技术(上)

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1 引言 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。 7 a0 l- l7 J/ \) i/ p* l2 y( v' Z! i9 X1 Y( T1 W/ H" K0 [. k 图1 精密加工尺度的划分 图2 微小机械加工特征的尺度等级 2 尺度划分 对于尺度的划分，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：10-12m～10-9m之间的尺度属于量子力学研究范畴；10-9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；10-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，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。 ; Z) M: h0 D6 Q3 O# T) |# H# w& M 如图1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。 : c" `( M9 [* A* f# q4 L8 Z) g- @- D# P5 _ 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10-3m～10-0m之间的微观尺度，又包含10-6m～10-3m之间的介观尺度，还包含10-9m～10-6m之间的纳观尺度。这里应该指出的是，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，相距通常所说的纳米尺度(10-10m～10-7m)还有较大差距。 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。 . E. j8 G, [# a5 q1 y! o+ H5 A' S/ l) G( M$ A+ G 图3 微机械加工技术分类 3 微制造技术 ' b0 w' _! S/ x3 t" V6 L- q- Q 目前常用于微机电系统方面的微制造技术(Micromanufacturing)可分为对硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分为四类： 刻蚀技术 该技术利用干刻蚀法、湿刻蚀法或光刻蚀法对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 micromachining)或表面微加工(surface micromachining)。刻蚀技术的优点是加工精度高，且有大批量生产能力，可与IC制造相容，技术已较成熟；缺点是被加工材料固定、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。 薄膜技术 4 ^. a% u" P1 N/ X# Z. g 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。 3 \ g3 U3 ~; M" H4 R- U LIGA技术 * B0 p$ L# s3 E+ v" Z. ~9 ^2 X! o3 S 该技术结合了X-Ray深刻技术(Deep X-Ray lithography)、微电铸翻模(Micro electroforming)及微成形(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、IC电路相容性佳、可批量生产的优点外，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(submicron)尺度的微结构中已有利用价格较为便宜的类LIGA技术来取代X光的刻蚀，例如利用替代性光源的紫外光微影、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然没有LIGA技术高，但光源设备小、价格亦较为便宜。 3 `& b/ W7 p/ b* k9 t+ F) w 微机械加工技术 , K' {: n1 j/ `4 v( | 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。 5 o3 \ |' L" l& G' }, J9 t$ [" l& G* O9 |) {5 ?, ~( ^* `9 e, T" e& T- D( J$ P8 h 图4 微切削加工的零件 / `- H4 j) R/ z2 }+ Z: m z. F; Z; r 图5 用于微切削的加工中心和数控车床 图6 微小机床 " y3 f9 _; J( U" g 4 微切削加工技术 ) }$ T' l# U; h* j5 ?6 \ 微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，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。 5 e. _; o3 y; S' Q L5 W9 s4 e( _: M7 X 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r/min。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r/min。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±1μm。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。 & O; r+ f" {5 K% \; l. F 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纳米尺度，加工精度为亚微米。 0 H# K% m' Q; F, o7 w& r 微小机床的发展引入了一个新的概念即“微型化工厂”。微型化工厂占地面积非常小，可放置于任何建筑物内的任何地方，甚至在战场上或空间站内应用，而对于普通机床，这几乎是不可能的。微型化工厂消耗的能源非常少，大大地节约了能源的使用。微型化工厂内有不同的生产单元，如微型车床、微型铣床等装备。 % L5 q) P9 Q% X( G% I" E" D. O 微小机床的发展目前面临着一系列挑战，如需开发尺寸足够小的传感器和执行器，以便能安装于微小机床内。微小机床的刚性不如微切削精密机床，另外，为防止外界干扰，微小机床需要加隔振装置来满足加工精度要求。降低微型化工厂的加工成本和开发多功能复合微小机床是未来微切削装备的发展趋势。 * B& l' t" E% ] E0 H6 Q, c% ]5 u7 Y+ i7 l, W% _' }( y/ Z7 x7 ? 图7 微型化工厂 2 y9 e) S$ N$ I9 j8 s 微切削刀具 + J& q2 M: U8 P+ i8 D) ^# x 在微切削加工技术领域里，如何将刀具材料晶粒细化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重点所在。 微切削的切削深度和进给量都非常小，因此单位切削面积上的切削力较大，同时产生很大的热量，使刀刃尖端局部区域的温度升高，因此在微切削对刀具材料的性能要求较高，需采用耐磨、耐热、高温硬度高、高温强度好的刀具材料，随着回转最小直径的微小化，要求回转刀具的抗弯强度、刚性与断裂韧性均应较高。微切削刀具材料以硬质合金(碳化钨)、PCBN(立体氮化硼)和金刚石为主。微米级以下尺寸的铝合金等有色金属加工主要采用单晶金刚石刀具，单晶金刚石刀具可用来切削加工精度达到纳米级的探头或探针。为了提高硬质合金的性能，目前工具厂商正研究使硬质合金晶粒更加微细化，而且已取得可喜的成果，已开发出粒径为90nm的超细晶粒硬质合金并试制出粒径为60nm的高级超细晶粒硬质合金。 ' u7 T3 D- T/ N. i) q; C8 o& E% {# t( `4 U# G: y; n$ z" y" v5 |6 [- y3 Q! C0 M" h; _$ k/ G 图8 微切削用立铣刀 1 M+ X9 s+ W* |/ x) `3 Y' j, ^6 |. a5 w/ a- j: M5 B+ k- y$ ?4 _4 z 表  超细晶粒硬质合金的性能 WC粒径(nm) 5 r) t* z1 \; Y8 \! _ 硬度(HV) 6 O; ^5 s1 E+ @% X: L9 U 弹性模量(GPa) 300 1902 570 90 2361 600 4 W: }% f* I0 _0 c, }, Z 除了刀具材料外，刀具的几何形状对于实现微切削加工至关重要。在微切削条件下，精确地切除极薄的材料需要极其锋利的切削刃，也就是极小的刃口半径。不仅如此，刃口锋利度还关系到切削表面质量、微观组织型貌以及晶格位错等。精确测量刀具刃口轮廓是保证刀具刃口研磨和进行微细切削过程质量分析的前提。微钻头或微端铣刀材质硬度高、加工困难，常用的砂轮磨削方法加工效率低，而用FIB(Focused Ion Beam，聚焦离子束)、WEDGE(Wire Electro Discharge Grinding，线电极电火花磨削)方法制作硬质合金微钻头或微立铣刀非常方便，容易满足精度要求。铣削时可采用两齿、梯形、半圆、一字形、方形等形状的立铣刀。适合微细切削的硬质合金带柄铣刀在工业上已被广泛采用，高精度制作微型铣刀和钻头的技术要求很高，直径越小，制作越困难，最小直径为0.1mm的铣刀和的钻头已能够生产。目前市场上可见到的硬质合金微型钻头中，经过研磨的麻花钻最小直径为0.03mm，扁钻为0.01mm。据报道，在实验室里采用电解磨削方式，可制作出0.005mm的极小直径钻头。 目前市场提供的微型刀具，其尺寸和形状的偏差极不均匀。例如，对同一供应商提供的31支直径为0.02mm 的钻头进行测试，测试结果：直径的平均值为0.021mm，标准偏差为0.0015mm；芯厚平均值为0.0063mm，标准偏差为0.0017mm，这样的精度显然较差。因此，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解决的问题之一。

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