圖3 微機(jī)械加工技術(shù)分類

3 微制造技術(shù)

1. 刻蝕技術(shù)
   該技術(shù)利用干刻蝕法、濕刻蝕法或光刻蝕法對被加工材料進(jìn)行等向或非等向刻蝕去除加工，通常可對被加工材料進(jìn)行體形微加工(bulk micromachining)或表面微加工(surface micromachining)。刻蝕技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，且有大批量生產(chǎn)能力，可與IC制造相容，技術(shù)已較成熟；缺點(diǎn)是被加工材料固定、加工速度慢、刻蝕劑危險性高、所用設(shè)備資金投入大，且對加工環(huán)境要求高等。
2. 薄膜技術(shù)
   該技術(shù)主要用薄膜成長技術(shù)和刻蝕技術(shù)加工所需的微結(jié)構(gòu)，一般可用于2D表面微加工，主要應(yīng)用在VLSI方面的微元件制造。薄膜技術(shù)除了技術(shù)已較成熟、極佳的IC相容性，不需要特別的組裝技術(shù)就可以大量生產(chǎn)微元件外，其缺點(diǎn)與刻蝕技術(shù)相同。
3. LIGA技術(shù)
   該技術(shù)結(jié)合了X-Ray深刻技術(shù)(Deep X-Ray lithography)、微電鑄翻模(Micro electroforming)及微成形(Micro molding)等技術(shù)，LIGA微加工制造技術(shù)除具有精度高、表面粗糙度好、IC電路相容性佳、可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)外，LIGA技術(shù)比IC制造技術(shù)能加工更為多種的材料以及具有更佳的高深寬比3D微結(jié)構(gòu)制造能力。然而，LIGA技術(shù)最大的缺點(diǎn)是制造所需的同步輻射X光費(fèi)用極為昂貴，此外X光光罩的制作成本與時間的耗費(fèi)也很高，因此在亞微米(submicron)尺度的微結(jié)構(gòu)中已有利用價格較為便宜的類LIGA技術(shù)來取代X光的刻蝕，例如利用替代性光源的紫外光微影、準(zhǔn)分子激光加工以及反應(yīng)式離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)等技術(shù)，這些替代性技術(shù)的加工精度雖然沒有LIGA技術(shù)高，但光源設(shè)備小、價格亦較為便宜。
4. 微機(jī)械加工技術(shù)
   除上述1～3類的微制造技術(shù)外，一般大都可歸于此類加工技術(shù)，微機(jī)械加工技術(shù)又可分為微切削加工技術(shù)、非切削加工以及特種加工等三大類(見圖3)。本文主要介紹微切削技術(shù)。

圖4 微切削加工的零件

圖5 用于微切削的加工中心和數(shù)控車床

圖6 微小機(jī)床

4 微切削加工技術(shù)

1. 微切削裝備
   零件的尺寸和加工質(zhì)量(加工精度、表面粗糙度、重復(fù)精度)與其加工機(jī)床的性能(如精度、動態(tài)特性等)密切相關(guān)。機(jī)床的性能主要與主軸、工作臺和控制系統(tǒng)有關(guān)，微切削所用刀具的直徑非常小，為了提高加工效率，微切削機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速非常快。為滿足扭矩要求，通常采用電主軸和混合角接觸軸承，這種軸承由于摩擦生熱造成熱膨脹，最高轉(zhuǎn)速一般不超過6萬r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速更高時，應(yīng)采用空氣軸承，但空氣軸承提供的扭矩較小，目前空氣軸承主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20萬r/min。為了獲得較高的切削速度，主軸的錐度與高速切削刀柄的錐度一致。微切削精密機(jī)床的工作臺一般是由直線電機(jī)驅(qū)動的，與普通驅(qū)動如滾珠絲杠相比，直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)沒有摩擦和電磁耦合產(chǎn)生的累積誤差，也沒有由于磨損造成的精度損失，不存在間隙，而且能提供較大的加速度，直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的精度可達(dá)±1μm。微切削精密機(jī)床的剛度好，振動小，而且大都帶有各種傳感器和執(zhí)行器。但是由于其尺寸較大，對周圍環(huán)境的控制要求較嚴(yán)格，使得加工微小零件的成本較高。目前市場上可用于微切削的加工中心和數(shù)控車
   床如圖5所示。
   由于微小機(jī)械產(chǎn)品的加工特征尺寸很小，研究人員正嘗試開發(fā)微小機(jī)床來加工微小零件。微小機(jī)床的體積尺寸非常小，可節(jié)約大量的原材料，因此，可使用性能較好的材料來制造。另外，由于質(zhì)量小，微小機(jī)床的固有頻率比普通機(jī)床高，這使得微小機(jī)床可以穩(wěn)定地在較寬的主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使用而不發(fā)生顫振。即使發(fā)生振動，在同樣載荷下微小機(jī)床的振幅也小。微小機(jī)床的定位精度可達(dá)到納米尺度，加工精度為亞微米。
   微小機(jī)床的發(fā)展引入了一個新的概念即“微型化工廠”。微型化工廠占地面積非常小，可放置于任何建筑物內(nèi)的任何地方，甚至在戰(zhàn)場上或空間站內(nèi)應(yīng)用，而對于普通機(jī)床，這幾乎是不可能的。微型化工廠消耗的能源非常少，大大地節(jié)約了能源的使用。微型化工廠內(nèi)有不同的生產(chǎn)單元，如微型車床、微型銑床等裝備。
   微小機(jī)床的發(fā)展目前面臨著一系列挑戰(zhàn)，如需開發(fā)尺寸足夠小的傳感器和執(zhí)行器，以便能安裝于微小機(jī)床內(nèi)。微小機(jī)床的剛性不如微切削精密機(jī)床，另外，為防止外界干擾，微小機(jī)床需要加隔振裝置來滿足加工精度要求。降低微型化工廠的加工成本和開發(fā)多功能復(fù)合微小機(jī)床是未來微切削裝備的發(fā)展趨勢。
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   圖7 微型化工廠
2. 微切削刀具
   在微切削加工技術(shù)領(lǐng)域里，如何將刀具材料晶粒細(xì)化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重點(diǎn)所在。
   微切削的切削深度和進(jìn)給量都非常小，因此單位切削面積上的切削力較大，同時產(chǎn)生很大的熱量，使刀刃尖端局部區(qū)域的溫度升高，因此在微切削對刀具材料的性能要求較高，需采用耐磨、耐熱、高溫硬度高、高溫強(qiáng)度好的刀具材料，隨著回轉(zhuǎn)最小直徑的微小化，要求回轉(zhuǎn)刀具的抗彎強(qiáng)度、剛性與斷裂韌性均應(yīng)較高。微切削刀具材料以硬質(zhì)合金(碳化鎢)、PCBN(立體氮化硼)和金剛石為主。微米級以下尺寸的鋁合金等有色金屬加工主要采用單晶金剛石刀具，單晶金剛石刀具可用來切削加工精度達(dá)到納米級的探頭或探針。為了提高硬質(zhì)合金的性能，目前工具廠商正研究使硬質(zhì)合金晶粒更加微細(xì)化，而且已取得可喜的成果，已開發(fā)出粒徑為90nm的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金并試制出粒徑為60nm的高級超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。
   圖8 微切削用立銑刀WC粒徑(nm)硬度(HV)彈性模量(GPa)3001902570902361600

   表  超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的性能

   除了刀具材料外，刀具的幾何形狀對于實(shí)現(xiàn)微切削加工至關(guān)重要。在微切削條件下，精確地切除極薄的材料需要極其鋒利的切削刃，也就是極小的刃口半徑。不僅如此，刃口鋒利度還關(guān)系到切削表面質(zhì)量、微觀組織型貌以及晶格位錯等。精確測量刀具刃口輪廓是保證刀具刃口研磨和進(jìn)行微細(xì)切削過程質(zhì)量分析的前提。微鉆頭或微端銑刀材質(zhì)硬度高、加工困難，常用的砂輪磨削方法加工效率低，而用FIB(Focused Ion Beam，聚焦離子束)、WEDGE(Wire Electro Discharge Grinding，線電極電火花磨削)方法制作硬質(zhì)合金微鉆頭或微立銑刀非常方便，容易滿足精度要求。銑削時可采用兩齒、梯形、半圓、一字形、方形等形狀的立銑刀。適合微細(xì)切削的硬質(zhì)合金帶柄銑刀在工業(yè)上已被廣泛采用，高精度制作微型銑刀和鉆頭的技術(shù)要求很高，直徑越小，制作越困難，最小直徑為0.1mm的銑刀和的鉆頭已能夠生產(chǎn)。目前市場上可見到的硬質(zhì)合金微型鉆頭中，經(jīng)過研磨的麻花鉆最小直徑為0.03mm，扁鉆為0.01mm。據(jù)報道，在實(shí)驗(yàn)室里采用電解磨削方式，可制作出0.005mm的極小直徑鉆頭。
   目前市場提供的微型刀具，其尺寸和形狀的偏差極不均勻。例如，對同一供應(yīng)商提供的31支直徑為0.02mm 的鉆頭進(jìn)行測試，測試結(jié)果：直徑的平均值為0.021mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0015mm；芯厚平均值為0.0063mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0017mm，這樣的精度顯然較差。因此，提高微型刀具的制造精度是微切削需要解決的問題之一。