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微切削加工技術(上)

時間:2011-04-16 09:39:38 來源:未知

1 引言

隨著科學技術的發展對切削加工提出了越來越高的要求，一是要滿足越來越高的加工效率、加工精度和表面質量；其次是要求經濟性和生態性(即綠色生產要求)。為了滿足這些要求，研究人員已做了大量的研究工作，開發出了多種先進切削加工技術，如高速切削、干切削、硬切削等。
微機電系統最早是上世紀60年代對集成電路(IC)制造與材料研究而衍生出來的一門新領域，因此開始發展時使用的制造技術必須遵循集成電路的制造要求，所采用的材料也必須符合集成電路的制造標準，如采用多晶硅、單晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或是使用鋁、銅等金屬。但隨著微機電系統和微機械的多樣化發展，傳統上符合集成電路制造要求的材料有其局限性，對于擁有不同機械性能與電子特性微元件的需求也顯得越來越迫切。微機電系統技術已經成為全球增長最快的工業之一，需要制造極小的高精密零件的工業，例如生物、醫療裝備、光學以及微電子(包括移動通信和電腦組件)等都有大量的需求。然而，并非每種應用在微機電系統或微機械上的微元件都能利用集成電路技術生產出來，因此新的材料和新的微制造技術以及微切削技術陸續被研究發展出來。

圖1 精密加工尺度的劃分
圖2 微小機械加工特征的尺度等級

2 尺度劃分

對于尺度的劃分，不同的研究機構、不同研究領域的研究人員有不同的見解。材料學專家認為：10-12m～10-9m之間的尺度屬于量子力學研究范疇；10-9m～10-6m之間的尺度屬于納觀力學研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀力學研究范疇；10-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀力學研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀力學研究范疇。而機械加工學科常常以10-6m(1μm)為加工誤差尺度，傳統切削加工的誤差尺度多以絲來衡量(1絲=10μm)，精密加工的誤差尺度可達到微米級。由此可見：材料學以研究對象的特征長度作為尺度劃分的依據，機械加工領域以研究對象的加工精度作為尺度的劃分依據，從而把機械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒有涉及到工件加工特征尺度的大小。
如圖1所示，精密加工根據工件加工特征的尺度可分為宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工。通常的機械加工大多是指宏尺度加工，零件的技術性能要求反映在宏觀尺度或表層結構上，加工特征的尺寸相對較大，加工的范疇較廣；微尺度加工是指微納米加工，主要用精密和超精密加工技術、微細加工技術和納米加工技術來加工，強調了“極薄切削”和微觀結構，加工特征的尺寸相對來說較小，在微米、亞微米和納米級，研究的重點是物質的微觀結構；介于兩者之間的稱之為中尺度加工或中尺寸加工。
目前有一些機電產品既不像納米技術中微型機電系統(微型機械)那樣小，又不像普通機電產品那樣大，為便于區分，可稱之為“微小機械”。微小機械的加工特征跨越了多個不同尺度等級(見圖2)，既包含10-3m～10-0m之間的微觀尺度，又包含10-6m～10-3m之間的介觀尺度，還包含10-9m～10-6m之間的納觀尺度。這里應該指出的是，目前大部分微細制造技術所能達到的加工精度還在亞微米至微米范圍，相距通常所說的納米尺度(10-10m～10-7m)還有較大差距。
微小機械無論在國防、航空、航天和民用中都有較大市場，例如微小人造衛星、飛機、機床、汽輪發電機組、車輛、槍械等。從產品發展來看，小型化是其方向之一，如照相機、攝像機、投影儀、手機等都越做越小，而功能卻不斷提高和完善。因此，微小機械加工理論和技術的研究有著廣闊的應用前景。
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圖3 微機械加工技術分類

3 微制造技術

目前常用于微機電系統方面的微制造技術(Micromanufacturing)可分為對硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分為四類：
  1. 刻蝕技術
    該技術利用干刻蝕法、濕刻蝕法或光刻蝕法對被加工材料進行等向或非等向刻蝕去除加工，通常可對被加工材料進行體形微加工(bulk micromachining)或表面微加工(surface micromachining)。刻蝕技術的優點是加工精度高，且有大批量生產能力，可與IC制造相容，技術已較成熟；缺點是被加工材料固定、加工速度慢、刻蝕劑危險性高、所用設備資金投入大，且對加工環境要求高等。
  2. 薄膜技術
    該技術主要用薄膜成長技術和刻蝕技術加工所需的微結構，一般可用于2D表面微加工，主要應用在VLSI方面的微元件制造。薄膜技術除了技術已較成熟、極佳的IC相容性，不需要特別的組裝技術就可以大量生產微元件外，其缺點與刻蝕技術相同。
  3. LIGA技術
    該技術結合了X-Ray深刻技術(Deep X-Ray lithography)、微電鑄翻模(Micro electroforming)及微成形(Micro molding)等技術，LIGA微加工制造技術除具有精度高、表面粗糙度好、IC電路相容性佳、可批量生產的優點外，LIGA技術比IC制造技術能加工更為多種的材料以及具有更佳的高深寬比3D微結構制造能力。然而，LIGA技術最大的缺點是制造所需的同步輻射X光費用極為昂貴，此外X光光罩的制作成本與時間的耗費也很高，因此在亞微米(submicron)尺度的微結構中已有利用價格較為便宜的類LIGA技術來取代X光的刻蝕，例如利用替代性光源的紫外光微影、準分子激光加工以及反應式離子刻蝕(reactive ion etching，RIE)等技術，這些替代性技術的加工精度雖然沒有LIGA技術高，但光源設備小、價格亦較為便宜。
  4. 微機械加工技術
    除上述1～3類的微制造技術外，一般大都可歸于此類加工技術，微機械加工技術又可分為微切削加工技術、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。


圖4 微切削加工的零件
圖5 用于微切削的加工中心和數控車床
圖6 微小機床

4 微切削加工技術

微切削是一種快速且低成本的微小零件機械加工方式，而且不受材料的限制，使用CNC加工中心可實現2D、2.5D簡單特征到復雜3D曲面零件的微加工(見圖4)，通過使用此法加工出的微小模具可達到批量生產的目的。以下主要介紹微切削裝備、刀具、切削機理。
  1. 微切削裝備
    零件的尺寸和加工質量(加工精度、表面粗糙度、重復精度)與其加工機床的性能(如精度、動態特性等)密切相關。機床的性能主要與主軸、工作臺和控制系統有關，微切削所用刀具的直徑非常小，為了提高加工效率，微切削機床主軸的轉速非常快。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，最高轉速一般不超過6萬r/min。當轉速更高時，應采用空氣軸承，但空氣軸承提供的扭矩較小，目前空氣軸承主軸的最高轉速可達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。微切削精密機床的工作臺一般是由直線電機驅動的，與普通驅動如滾珠絲杠相比，直線電機驅動系統沒有摩擦和電磁耦合產生的累積誤差，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，直線電機驅動系統的精度可達±1μm。微切削精密機床的剛度好，振動小，而且大都帶有各種傳感器和執行器。但是由于其尺寸較大，對周圍環境的控制要求較嚴格，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控車
    床如圖5所示。
    由于微小機械產品的加工特征尺寸很小，研究人員正嘗試開發微小機床來加工微小零件。微小機床的體積尺寸非常小，可節約大量的原材料，因此，可使用性能較好的材料來制造。另外，由于質量小，微小機床的固有頻率比普通機床高，這使得微小機床可以穩定地在較寬的主軸轉速范圍內使用而不發生顫振。即使發生振動，在同樣載荷下微小機床的振幅也小。微小機床的定位精度可達到納米尺度，加工精度為亞微米。
    微小機床的發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的任何地方，甚至在戰場上或空間站內應用，而對于普通機床，這幾乎是不可能的。微型化工廠消耗的能源非常少，大大地節約了能源的使用。微型化工廠內有不同的生產單元，如微型車床、微型銑床等裝備。
    微小機床的發展目前面臨著一系列挑戰，如需開發尺寸足夠小的傳感器和執行器，以便能安裝于微小機床內。微小機床的剛性不如微切削精密機床，另外，為防止外界干擾，微小機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多功能復合微小機床是未來微切削裝備的發展趨勢。
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    圖7 微型化工廠
  2. 微切削刀具
    在微切削加工技術領域里，如何將刀具材料晶粒細化和刀具微小化，以便加工出微型工件，一直是研究的重點所在。
    微切削的切削深度和進給量都非常小，因此單位切削面積上的切削力較大，同時產生很大的熱量，使刀刃尖端局部區域的溫度升高，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、高溫強度好的刀具材料，隨著回轉最小直徑的微小化，要求回轉刀具的抗彎強度、剛性與斷裂韌性均應較高。微切削刀具材料以硬質合金(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到納米級的探頭或探針。為了提高硬質合金的性能，目前工具廠商正研究使硬質合金晶粒更加微細化，而且已取得可喜的成果，已開發出粒徑為90nm的超細晶粒硬質合金并試制出粒徑為60nm的高級超細晶粒硬質合金。
    圖8 微切削用立銑刀
    WC粒徑(nm)硬度(HV)彈性模量(GPa)3001902570902361600
    表  超細晶粒硬質合金的性能
    除了刀具材料外，刀具的幾何形狀對于實現微切削加工至關重要。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，刃口鋒利度還關系到切削表面質量、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行微細切削過程質量分析的前提。微鉆頭或微端銑刀材質硬度高、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。適合微細切削的硬質合金帶柄銑刀在工業上已被廣泛采用，高精度制作微型銑刀和鉆頭的技術要求很高，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。目前市場上可見到的硬質合金微型鉆頭中，經過研磨的麻花鉆最小直徑為0.03mm，扁鉆為0.01mm。據報道，在實驗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，對同一供應商提供的31支直徑為0.02mm 的鉆頭進行測試，測試結果：直徑的平均值為0.021mm，標準偏差為0.0015mm；芯厚平均值為0.0063mm，標準偏差為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。