[分享]微細(xì)切削加工與微機械制造 [復(fù)制鏈接]

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微機械技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前，微機械的加工方法有：由硅平面技術(shù)衍生的微蝕刻加工，由特種加工衍生的微細(xì)特種加工，由切削加工衍生的微細(xì)切削加工。

微型機電系統(tǒng)技術(shù)衍生于微電子技術(shù)，由于這種歷史原因，硅微細(xì)加工在微機械制造中占據(jù)主要地位，硅微細(xì)加工具有批量制作、預(yù)組裝及容易與微電子電路集成的技術(shù)特點，適合于微型傳感器的制作，但成型結(jié)構(gòu)形狀有限，不利于微致動器的制作。

可以進行微細(xì)加工的特種加工方法主要有電火花加工、電化學(xué)加工、超聲加工、激光加工、離子束加工、電子束加工等。這些特種加工方法有的設(shè)備昂貴、對環(huán)境要求較高，有的加工速度偏低。對于加工三維實體結(jié)構(gòu)的零件來說，單獨使用特種加工方法并沒有優(yōu)勢可言。

可以用來進行微細(xì)加工的切削方法有：微細(xì)車削、微細(xì)銑削、微細(xì)鉆削、微細(xì)磨削、微沖壓等。

本文將介紹微機械制造中的切削加工方法及設(shè)備的研究進展情況。

1 微細(xì)車削

日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室（MEL）于1996年開發(fā)了世界上第一臺微型化的機床——微型車床，長32、寬25mm、高30.5mm，重量為100g（圖1 為該車床與硬幣的比較）；主軸電機額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速1000r/min。用該機床切削黃銅，沿進給方向的表面粗糙度值為Rz1.5µm，加工工件的圓度為2.5µm，最小外圓直徑為60µm。切削試驗中的功率消耗僅為普通車床的1/500。

圖1 世界上第一臺微型車床

日本金澤大學(xué)的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微細(xì)車削系統(tǒng)，由微細(xì)車床、控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視器組成。機床長約200mm。在該系統(tǒng)中，采用了一套光學(xué)顯微裝置來觀察切削狀態(tài)，還配備了專用的工件裝卸裝置。圖2為微細(xì)車床的結(jié)構(gòu)原理圖。主軸用兩個微型滾動軸承支承。主軸沿Z方向進給，刀架固定不動，車刀與工件的接觸位置是固定的，以便于用光學(xué)顯微裝置觀察。因為工件的直徑很小，車削時沿X-Y方向移動的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移動。車刀的刀尖材料為金剛石。驅(qū)動主軸的微電機通過彈性聯(lián)軸器與主軸聯(lián)接。機床的主要性能參數(shù)如下：主軸功率0.5W；轉(zhuǎn)速3000~15000r/min，連續(xù)變速；徑向跳動1µm 以內(nèi)；裝夾工件直徑0.3mm；X、Y、Z軸的進給分辨率為4nm。用0.3mm 的黃銅絲為毛坯，在這臺機床上加工出了直徑10µm 的外圓柱面，還加工出了直徑120µm、螺距12.5µm 的絲杠。該機床的明顯不足是切削速度低，因此得不到滿意的表面質(zhì)量，表面粗糙度值為Rz1µm 以下。

它的開發(fā)成功，證實了利用切削加工技術(shù)也能加工出微米尺度的零件。

從以上兩例可知，并非機床的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微細(xì)車床的發(fā)展方向一方面是微型化和智能化，另一方面是提高系統(tǒng)的剛度和強度，以便于加工硬度比較大、強度比較高的材料。

2 微細(xì)鉆削

微細(xì)鉆削一般用來加工直徑小于0.5mm 的孔。鉆削現(xiàn)已成為微細(xì)孔加工的最重要工藝之一，可用于電子、精密機械、儀器儀表等行業(yè)，近來倍受關(guān)注。

在鐘表制造業(yè)中，最早使用鉆頭加工小孔。隨著工藝方法的不斷改進，相繼出現(xiàn)了各種特種加工方法，但至今，一般情況下仍采用機械鉆削小孔的方法。近年來，研制出多種形式的小孔鉆床，如手動操作的單軸精密鉆床、數(shù)控多軸高速自動鉆床、曲柄驅(qū)動群孔鉆床及加工精密小孔的精密車床和銑床等。上世紀(jì)80年代后，由于NC技術(shù)和CAD/CAM的發(fā)展，小孔加工技術(shù)向高自動化和無人化發(fā)展。目前機械鉆削小孔的研究方向主要有：難加工材料的鉆削機理研究；小孔鉆削機床研制和小鉆頭的刃磨、制造工藝研究；超聲振動鉆削等新工藝的研究等。

微細(xì)鉆削的關(guān)鍵除了車削要求的幾項之外，還有微細(xì)鉆頭的制作問題。目前，商業(yè)供應(yīng)的微細(xì)鉆頭的最小直徑為50µm，要得到更細(xì)的鉆頭，必須借助于特種加工方法。有人用聚焦離子束濺射技術(shù)制成了直徑分別為1cmmicro;m、22µm 和35µm 的鉆、銑削刀具。但是，聚焦離子束濺射設(shè)備復(fù)雜，加工速度較慢。用電火花線電極磨削（WEDG）技術(shù)則可以穩(wěn)定地制成f10µm 的鉆頭，最小可達(dá)f6.5µm。

用WEDG技術(shù)制成的微細(xì)鉆頭的形狀如圖3所示，圖4是其制作過程。

用WEDG技術(shù)制作的微細(xì)鉆頭，如果從微細(xì)電火花機床上卸下來再裝夾到微細(xì)鉆床的主軸上，勢必造成安裝誤差而產(chǎn)生偏心。這將影響鉆頭的正常工作甚至無法加工。因此，用這種鉆頭鉆削時，必須在制作該鉆頭的微細(xì)電火花機床上進行。

3 微細(xì)銑削

MEL開發(fā)的微細(xì)銑床，長170mm，寬170mm，高102mm。主軸用功率為36W 的無刷直流伺服電機，轉(zhuǎn)速約為15600 r/min。這臺銑床能銑平面也能鉆孔。

日本FANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實現(xiàn)了自由曲面的微細(xì)加工。這種超精密切削加工技術(shù)可使用切削刀具對包括金屬在內(nèi)的各種可切削材料進行微細(xì)加工，而且可利用CAD/CAM技術(shù)實現(xiàn)三維數(shù)控加工，生產(chǎn)率高，相對精度高。

圖5所示為用該機床銑削的日語中叫做“能面”的微型臉譜。其加工數(shù)據(jù)由三坐標(biāo)測量機從真實“能面”上采集，采用單刃單晶金剛石球形銑刀（R30µm），在18K金材料上加工出的三維自由曲面。其直徑為1mm，表面高低差為30µm，加工后的表面粗糙度值為Rz0.058µm。這是光刻技術(shù)領(lǐng)域中的微細(xì)加工技術(shù)，如半導(dǎo)體平面硅工藝以及同步輻射X射線深度光刻、電鍍工藝和鑄塑工藝組成的LIGA工藝等技術(shù)所不及的。

目前數(shù)控銑削技術(shù)幾乎可以滿足任意復(fù)雜曲面和超硬材料的加工要求。與某些特種加工方法如電火花、超聲加工相比，切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。
微細(xì)銑削可以實現(xiàn)任意形狀微三維結(jié)構(gòu)的加工，生產(chǎn)率高，便于擴展功能。微細(xì)銑床的研究對于微型機械的實用化開發(fā)研究是很有價值的。

4 微細(xì)沖壓

在儀器儀表制造業(yè)中，常常會遇到帶有許多小孔的板件，板件上的小孔常采用沖孔的方法。

沖小孔技術(shù)的研究方向是如何減小沖床的尺度、增大微小凸模的強度和剛度以及微小凸模的導(dǎo)向和保護等。

MEL開發(fā)的微沖壓機床，長111mm，寬66mm，高170mm，裝有一個100W的交流伺服電機，可產(chǎn)生3kN的壓力。伺服電機的旋轉(zhuǎn)通過同步帶傳動和滾珠絲杠傳動轉(zhuǎn)換成直線運動。該沖壓機床帶有連續(xù)的沖壓模，能實現(xiàn)沖裁和彎板。

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