微细加工方法

1、微细加工方法微细铳削加工技术 王翔（厦门大学 物理与机电工程学院 机电系 199201152779）摘要：由于微机电系统 （MicroElectroMechanicalSystem , MEM显微小 零件加工中存在不足，微细铳削加工作为一项补 充技术正在日益受到人们的重视。 本文主要从微 细铳削的发展背景；微细铳削的关键技术；微细 铳削的机床系统和微细铳削的实验，针对特征尺 寸在10104 m所谓中间尺度微小机械零件的微细 铳削技术进行了介绍。使读者对微细铳削技术有 一定的认识。关键词：微细铳削；使能技术；机床系统；铳削 的实验1前言:随着科学技术的发展，近年来在 IT、医疗 器械以及通讯领域

2、，人们对微小型零件（如：微 型传感器、微型加速度计、微透镜阵列等 ）的需 求日益增加。这种需求的增加促进了微细加工技术的发展在目前的多种微细加工技术中，微机电系统 (MicroElectroMechanicalSystem , MEMSy直是 主流技术之一。由于MEM暇术衍生于微电子技 术，它的主要加工对象被限制在硅基材料上，并且工件的几何形状基本上是简单的二维形状，因 而只有在大规模集成电路的批量制造等方面才 是经济的。微细切削加工技术，特别是微细铳削 作为MEM联术的补充，由于其几乎不受加工对 象材料和几何形状的限制而受到研究人员的重 视，正在成为微细加工技术中的新生力量。近年来，采用传统

3、的机械加工方法而进行微 细制造的研究越来越受到人们的重视， 针对特征 尺寸在10 104 m所谓中间尺度微小机械零件的微 细切削制造成为一大研究热点，其原因是机加工 具有几大优势：1加工精度高；2生产效率高、灵活；3能加工任意三维特征的零件；4能加工包括钢在内的多种材料；2微细铳削关键使能技术微细铳削是一种加工能力强、成形精度高的微小零件机械加工方式，使用CNCJ口工中心可实现2D, 215D简单特征到复杂3D曲面零件的微细加工. 中间尺度微细铳削加工涵盖了多种关键性使能 技术，如微细铳削装备、微细铳削刀具、计量、 微小零件的装夹与操作、中间尺度微细铳削加工 机理、表面抛光等，以下逐一分析论述

4、.微细铳削装备高性能微细铳削机床系统的开发是开展微细铳 削研究的最重要环节.机床的性能主要与主轴、 伺服工作台和控制系统有关，微细铳削所用刀具 的直径非常小，为了达到加工所需的理论切削线 速度，微细铳削机床主轴应同时具有高回转精度 及高转速，这就需要先进的电主轴和空气轴承作 为技术设备支撑.为了获得高的定位精度，微细 铳削机床工作台一般采用精密滑台加直接驱动 的形式，在保证导轨直线度的同时消除普通滚珠 丝杠驱动方式具有的间隙误差.控制上需采用 全闭环控制方式，配置高精度的光栅尺，机床工 作台的定位精度达到1m以内.微细铳削刀具微细铳削加工对刀具提出很高要求，也是制约微 细铳削技术应用的重要因素

5、.刀具几何制约加工特征尺寸，刀具受力制约工艺参数优化和加工 效率，刀具磨损和刀具寿命制约微细铳削加工的 实用性.因此,要实现微细制造技术的推广应用 必须针对刀具开展研究，综合考虑刀具几何、切 削过程刀具受力、刀具柔性等因素，开展刀具制 造、刀具磨损、刀具寿命等研究，这是微细铳削 研究的关键问题.计量微细铳削技术的实现与应用中，对微小零件尺寸 和表面质量的测量技术必不可少，如光干涉仪测 量、扫描探针显微镜（SPM）、电子束聚焦比较仪 测量等技术.另外用于过程反馈和控制的内置 传感技术也是微细铳削技术研究中的一项重要 使能技术，如微力测量、内置应变仪测量、微变 形测量等技术.零件的装夹与操作绝大多

6、数常规的夹具和操作方法不适合于中间尺度微小零件的加工、装配和输送，这包括零件 在设备上的定位与夹紧、零件从一个设备到其他 设备之间的搬运、零件的收集以及不同零件之间 的连接和装配.因此，零件的装夹与操作是关键 的必要条件，应尽可能地做到最小化.中间尺度微细铳削加工机理微细铳削加工机理研究对于合理选择切削参数、 保证微细铳削加工质量、降低生产成本和提高生 产率意义重大.工件材料力学性能是开展机理 研究的基础，建立工件材料本构关系描述尺度的 影响，采用有限元法对微切削过程进行建模，可揭示尺度效应产生的机理.工件材料的微观结 构对微细切削过程有显著的影响，这就需要开展 对材料微观结构观测与描述以及晶

7、粒力学性能 建模等方面的研究.表面抛光由于铳削特性限制了零件加工表面光洁度，因此 对表面质量要求高的微小零件需采用去毛刺和 表面抛光技术，其关键是了解不同的抛光技术对 中间尺度微小零件亚表面损伤的影响3微细铳削机床系统自行研制的小型数控三轴联动微铳床的实物及 结构原理图分别如图1所示.系统采用立式三 坐标结构，包括水平面上的X, Y二维工作台和垂 直的Z向主轴安装滑台,本体尺寸为300m降 400m睇 500mm工作空间为 50mm20切削深度小m20每齿进给量/PinL 19使用Talor Hobson Form120表面粗糙度轮廓仪 (分辨率015nm测得表面粗糙度Ra值为215 nm.图

8、3为根据采样数据，利用Matlab绘制的一 段工件表面形貌轨迹曲线，采样长度为12以m,测 量步距2nm,每齿进给量214 pm.。图3平面微细铳削表面粗糙度轨迹特征曲线微直梢铳削实验实验目的为考察机床在一维方向上的加工精度 以及对大深宽比微小零件的加工性能.直槽微 细铳削加工材料为工业硬铝LY12,实验中采用的 各项工艺参数如表2所示.表2直槽微细铳削实验参数表参数取值 TOC o 1-5 h z 刀具直径(球头)，mm0.2上轴转速/(IO, r*mm1)4 2进给速度，(mm , min 1 )10Z向吃刀星:】10微直槽横截面结构示意图及 CCD显微观测实物 图如图4所示.利用显微分析

9、软件得到的图像 测量结果显示，加工尺寸误差在12以m以内, 经分析误差成因主要是主轴径向跳动。薄甲跳检横岐|航站相小意倒图4微直槽铳削实验5结语利用传统机械加工的灵活优势并结合微细加工 的特点，开发适于微细切削的加工设备已成为微 细加工领域的一大趋势.在自主构建的小型数 控铳床上，根据多种实验目的，针对不同结构微 小零件进行铳削加工，分析结果充分显示了该铳 床已经具备对中间尺度三维微小零件微细铳削 加工能力.今后，将通过对微细切削加工的尺寸 特征、工艺参数、材料特性及环境影响等相关因 素的深入研究，逐渐摸索微细切削加工新工艺.参考文献WeckM, FischerS, VosM. Fabrica

10、tionofmicrocom2ponents usingultra precisionmachinetoolsJ.Nano2technology, 1997, 8(3) : 1452148.LangW. Reflexions onthe future ofmicrosystems J.Sensor andActuators, 1999, 72(1): 1215.3孙雅州，梁迎春，程凯.微米和中间尺度 机械制造J.机械工程学报，2004, 40(5): 126.SunYazhou,LiangYingchun,ChengKai.Micr o2scaleandmeso2scalemechanical

11、manufacturing J. ChineseJournal ofMechanical Engineering, 2004, 40(5) : 126.(inChinese)4刘克非，张之敬，周敏，等.微细轴切削加 工特性分析J.中国机械工程,2005, 16(22): 198721990.LiuKefei, ZhangZhijing, ZhouMin, et al. Analysisof machiningcharacteristics of micro2shafts J. Chi2neseMechanicalEngineering, 2005,16(22):198721990.(inChinese)5李红涛，来新民，李成锋，等.介观尺度微 型铳床开发及性能实验 J. 机械工程学报, 2006, 42 (11) :1622167.Li Hongtao, Lai Xinmin, Li Chengfeng, et al. Devel2opment of meso2scalemillingma