（机械制造及其自动化专业论文）多功能微细特种加工系统及关键加工技术的研究.pdf

摘要 摘要 特种加工多属于非接触加工，一般没有宏观切削力作用。因此它们在加工 微小尺度的零件时具有独特的优势。近年来，基于特种加工的微细加工技术取 得了重大进展，各种微细加工装备也应运而生，而我国在这些装备的研制方面 还相对落后。因此，研制我国自主的微细特种加工装备是十分必要的。本文在 查阅大量文献的基础上，综述了几种常用的微细加工技术，特别是微细特种加 工技术的发展状况以及微细电火花加工装备的国内外现状。分析了微细电火花 加工、微细超声加工、微细电解加工的特点及其对加工装备的要求，提出了构 建多功能微细特种加工系统，用该系统完成这三种工艺的设想。完成了该系统 的总体构建和基础工艺实验研究。在该系统上实现了高精度、高微细程度的加 工。 本文对使用r c 脉冲电源的微细电火花加工中的关键理论问题进行了探讨， 从理论上揭示了影响微细电火花加工性能的主要因素，为提高加工效率、控制 放电间隙和改善稳定性提供了理论基础。 根据微细电火花加工理论，在多功能微细加工系统上，对块电极电火花磨 削微细轴的方法进行了系统研究，改进了用块电极切向进给法电火花磨削微细 轴的工艺。探索出一种保证尺寸精度的高效微细轴制备技术。实践证明该方法 比线电极磨削( w e d g ) 法加工速度快，工艺稳定性好，便于实现，操作简单， 加工质量可以与w e d g 法相媲美。用该方法可以加工出直径小于5 1 a m 的微细 轴。对微细孔电火花加工的工艺规律进行了实验研究。运用放电间隙理论，探 索了提高微细孔加工精度和微细程度的途径，利用微细电火花加工系统可以加 工出0 6 9 m 左右的微细孔。 本文对微细超声加工的机理进行了理论探讨，从理论上揭示了影响微细超 声加工材料去除率和孔的形状精度的主要因素。指出了三种作用机理在不同情 况下对材料去除率的贡献不同，同时还指出了工件振动与工具振动在加工机理 上的差别。对工具的动态压杆稳定性进行了分析，压杆稳定性不仅与静压力有 关，还与超声振幅有关。推导出了工具临界压力和临界长度的计算判据，解决 了因工具长度、静压力( 压应力) 大小和超声振幅选择不当而导致的加工中出现 工具轴弯曲、折断、破坏孔的形状精度的问题。对工件振动方式的微细孔超声 加工进行了实验，实验结果与理论分析相吻合。用微细超声加工技术加工出了 直径1 3 9 r n 的微孔。 对工件振动模式下的微细超声电火花复合加工机理进行了分析，结论是工 件作超声振动增强了超声在微细电火花加工中的辅助作用。对微细超声电火花 复合加工的工艺规律进行了实验研究。用成型电极加工出了轮廓精确的异型孔， 而用单纯的微细电火花加工这样的异型孔，是很难实现的。 在多功能微细特种加工系统上，还用微细电解加工出了微细孔和微结构。 实践证明，该多功能微细特种加工系统不但可以充分利用高精度的机械本 体、节省设备费用和空间，而且可以将多种微细特种加工工艺相复合，从而增 加设备的工艺范围和利用率，获得更好的加工效果。 关键词多功能系统；特种加工；微细加工；电火花加工：超声加工 a b s t r a c t m o s to fn o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o d sa r en o n c o n t a c tm a c h i n i n ga n dc a u s e n e a r l yn oc u r i n g f o r c e t h e r e f o r e ，t h e yh a v eu n i q u ea d v a n t a g e si nm i c r o s c a l ep a r t s m a c h i n i n g i nr e c e n ty e a r s ，m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sb a s e do nn o n t r a d i t i o n a l m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sh a v ea t t a i n e dag r e a td e a lo fa c h i e v e m e n t s v a r i o u sk i n d so f n o n t r a d i t i o n a lm i c r o m a c h i n i n ge q u i p m e n t se m e r g ew h e nt h e ya r er e q u i r e d b u to u r c o u n t r yi sb e h i n d h a n di nt h er e s e a r c ho ft h e s ee q u i p m e n t s t h e r e f o r e ，i ti sv e r y n e c e s s a r yt od e v e l o po i l n a t i o n a lo w nn o n t r a d i t i o n a lm i c r o m a c h i n i n ge q u i p m e n t s o nt h eb a s i so fg r e a tl o tl i t e r a t u r e s ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u s e so fs e v e r a lk i n d so f t y p i c a lm i c r o m a c h i n i n g ，e s p e c i a l l yt h en o n t r a d i t i o n a lm i c r o m a c h i n i n gt e c h n i q u e s a n dm i c r oe l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n ge q u i p m e n t sa r er e v i e w e da n dc o m m e n t e d t h ef e a t u r e sa n dt h er e q u i r e m e n t st ot h ee q u i p m e n ta r ea n a l y z e d t h e s ep r o c e s s e sa r e m i c r oe l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ，m i c r ou l t r a s o n i cm a c h i n i n g ( u s m ) ， m i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 饵c m ) a ni d e ao fd e v e l o p i n gam u l t i f u n c t i o n a l m i c r on o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n ge q u i p m e n ti sp u tf o r w a r d ，b yu s i n gi t , a b o v et h r e e p r o c e s s e sc a nb ei m p l e m e n t e d ，t h ei n t e g r a t e dd e s i g na n dt h em a j o rp a n sd e s i g no f t h ee q u i p m e n ta r ew o r k e do u t o nt h eb a s i so ft h i st e s tb e d ，h i g hp r e c i s i o na n dh i g h f i n e n s e em a c h i n i n ga r ea c h i e v e d 。 n l ca u t h o rd i s c u s s e ds e v e r a lk e yt h e o r e t i c a li s s u e si nm i c r o e d mw i t hr cp o w e r s u p p l y , a n du n f o l d e dt h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c e so f m i c r o e d mt h e o r e t i c a l l y t h i sp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o re n h a n c i n gm a c h i n i n g e f f i c i e n c y , c o n t r o l l i n gm a c h i n i n gg a pa n di m p r o v i n gm a c h i n i n gs t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h em i c r o - e d mt h e o r y , t h et e c h n i q u eo fe d mg r i n d i n go fm i c r o r o d s b yu s i n gb l o c ke l e c t r o d ei ss y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so f m u l t i f u n c t i o n a lm i c r on o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gs y s t e m t h em e t h o do fm i c r or o d s e d m g r i n d i n gb yu s i n gb l o c ke l e c t r o d ef e e d i n gi nt a n g e n t i a ld i r e c t i o ni si m p r o v e d a p r e c i s ea n de f f e c t v ea p p r o a c ho f m a k i n g m i c r or o d si se x p l o i t e d n i sm e t h o dh a s h i g h e rp r o d u c t i v i t y , b e t t e rp r o c e s s i n gs t a b i l i t y , m o r ee a s i l yt or e a l i z e ，m o r es i m p l yt o o p e r a t et h a nw i r ee l e c t r od i s c h a r g eg r i n d i n g ( w e d g ) t e c h n i q u ea n dt h em a c h i n i n g q u a l i t yi sc o m p a r a b l e 埘t ht h ew e d g t h em i c r or o d sw i t hd i a m e t e ro fl e s st h a n 5 9 i nc a nb eo b t a i n e d 谢mt l l i sm e t h o d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so fm a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c sm i c r oh o l ee d ma r ec a r r i e do u t w i t l lt h ed i s c h a r g eg a pt h e o r y , t h e a p p r o a c ho fe n h a n c i n gm a c h i n i n gp r e c i s i o na n dt h ed e g r e eo ff i n e n e s si si n v e s t i g a t e d a b o u t0 6 9 mm i c r oh o l e sc a nb em a c h i n e du s i n gm i c r o e d ms y s t e m t h em a c h i n i n gm e c h a n i s mo fm i c r o u s mi sd i s c u s s e d t h e o r e t i c a l l y t h e p r i m a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c tm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dg e o m e t r i cp r e c i s i o no fm i c r o h o l e sa r eu n f o l d e d d i 位r e n tc o n t r i b u t i o n so ft h r e em e c h a n i s m st om a t e r i a ir e m o v a i r a t ea r ep o i n t e di nd i f f e r e n tc a s e s i ti sa l s ob e e ni n d i c a t e dt h a tt h ed i f f e r e n c ei n m e c h a n i s mb e t w e e nt h ew o r kv i b r a t i o na n dt o o lv i b r a t i o n t h ed y n a m i cs t a b i l i t yo f t o o lr o dw a sa n a l y z e d t h es t a b i l i t yo fc o m p r e s s i v eb a rn o to n l yd e p e n d so nt h e s t a t i cp r e s s u r eb u ta l s ot h eu l t r a s o n i ca m p l i t u d e t h ec r i t e r i o nf o rc a l c u l a t i n gc r i t i c a l p r e s s u r ea n dc r i t i c a ll e n g t ho ft h et o o li sd e r i v e d ，w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e mo ft h e t o o l s b e n d ，b r e a k a g e ，a n dd e t e r i o r a t i n gt h eh o l es h a p ea c c u r a c yi nm a c h i n i n g p r o c e s sc a u s e db yt h ei m p r o p e rc h o i c eo ft o o ll e n g t h , s t a t i cp r e s s u r ea n du l t r a s o n i c a m p l i t u d e t h ee x p e r i m e n t so fm i c r oh o l e sm a c h i n i n gu s i n gm i c r o u s mw i t hw o r k v i b r a t i o na r ec a r r i e do u t t h er e s u l t sa g r e e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s a0 1 3 9 mm i c r o h o l ei so b t a i n e dw i t hm i c r o - u s m t h ea c t i n gm e c h a n i s mo fu l t r a s o n i ce n h a n c e dm i c r o e d mw i t hw o r kv i b r a t i o n i sa n a l y z e da n dt h ec o n c l u s i o ni st h a tw o r kv i b r a t i o nc a ni n t e n s i f yt h ea s s i s t a n t e f f i c i e n c y o fu s mi nm i c r o e d m t h e e x p e r i m e n t a l s t u d i e so fm a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n i n gm o d ea r ec a r r i e do u t i r r e g u l a rs h a p e dh o l e sw i t h p r e c i s ep r o f i l ea r em a c h i n e du s i n gs h a p e de l e c t r o d e s ，w h i c hi sh a r dt oa c h i e v e b e s i d e st h em i c r o e d m o nt h em u l t i f u n c t i o n a lm i c r on o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gs y s t e m ，m i c r oh o l e sa n d m i c r o s t r u c t u r e sa r ea l s om a c h i n e db y u s i n gm i c r o e c m i ti sp r o v e dt h a tt h em u l t i f u n c t i o n a lm i c r on o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gs y s t e mc a l l n o to n l yu t i l i z et h e h i g hp r e c i s i o nm a c h i n eb o d y , s a v ee q u i p m e n t sc o s ta n dr o o m ，b u t c a na l s oi n t e g r a t es e v e r a ld i f f e r e n tm i c r on o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gp r o c e s s e s t o g e t h e r , h e n c ei n c r e a s i n gt h ef e a s i b i l i t yo f p r o c e s s i n gr a n g e ，e n h a n c i n gt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo f t h ee q u i p m e n ta n da c h i e v i n gb e t t e rm a c h i n i n gr e s u l t s k e y w o r d sm u l t i f u n c t i o n a ls y s t e m ，n o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g ，m i c r om a c h i n i n g ， e d m ，u s m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 i 1 1 课题来源 本课题为国家部委基础科研计划基础研究项目微细特种加工及纳米加 工技术研究的一部分。 i i 2 课题研究的目的和意义 微机械在众多领域的应用日益广泛。这些领域大量使用微型元件，且对这 些产品的微型化和精密化程度要求越来越高【1 “。微细加工技术作为微机械的一 项重要支撑技术，已经成为目前发展最为迅猛的高新技术之一。目前，微机械 加工有三种途径：由硅平面技术衍生的微机电系统( m e m s ) 技术、由特种加工 衍生的微细特种加工和由传统切削加工衍生的微细切削加工。 m e m s 技术具有集成度高、便于大批量生产等优点1 7 i 。但是这种方法难以 加工具有特殊性质的金属材料，例如一些极限作业环境下所要求的高强度、高 韧性、耐磨、耐高温、抗疲劳等性能的材料。微细切削与某些特种加工相比， 生产率高、容易保证加工精度。但是，这类加工方法都存在宏观切削力，而且 不能加工比刀具硬的材料。 特种加工方法采用各种物理、化学能量及其各种理化效应，直接去除材料 以达到所要求的形状和尺寸【8 】。它们多属于非接触加工，一般没有宏观切削力 作用。因此它们在加工微小尺度的零件时具有独特的优越性。目前，微细特种 加工方法主要有电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、离子束加工、 电子束加工等。相对而言，电火花、超声、电化学加工对工作环境要求不高， 所需设备成本较低，因而较容易推广。 近年来，在一些工业发达国家，基于特种加工的微细加工技术取得了重大 进展，各种微细加工装备也应运而生。这些装备或者对我国禁运，或者售价特 别高。因此，无论从技术角度还是从战略角度，研制我国自主的微细加工装备 都是十分必要的。 哈尔滨工业大学工学博士学位论立 微细特种加工在微三维结构的加工中具有明显优势9 。12 1 。实践证明，几种微 细加工工艺的复合，可以收到比单一微细加工工艺更好的效果 1 3 - 1 5 】。 将几种工艺集成到一台设备上，不但可以充分利用高精度的机械本体、节 省设备费用和空间，而且可以将多种微细特种加工工艺相复合、增加设备的工 艺范围和效率、获得更好的加工效果。 1 2 微机械的发展现状 微机械在美国被称为微电子机械系统( m e m s ) ，在日本被称为微机器 ( m m ) ，在欧洲被称为微系统( m s ) 。按尺寸特征，微机械可分成l m m - 1 0 m m 的微小型机械、l m l m m 的微机械以及l n m - 1 p , r n 的纳米机械或分子机械，一 般统称为微机械。微机械由于具有能在狭小空间内作业而又不扰乱工作环境和 对象的特点，在航空航天、精密仪器、材料、生物医疗等领域有着广泛的应用 潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，受到世界各国的高度重视，被誉为 2 1 世纪十大关键技术之首，2 l 世纪最具代表性的技术【l 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，在微机械研制方面已经取得了很多成绩”7 - 1 9 。1 9 8 2 年，美国加利福尼亚大学伯克利分校、威斯康星大学麦迪逊分校开始用化学沉 积法制成了一些微结构，如微梁、微弹簧等。1 9 8 8 年5 月，加州大学伯克利分 校，试运行了世界上第一台静电微马达，其转子直径1 2 0 p m i l ，后来又试制出 了直径6 0 m 的静电马达，直径5 0 肛m 的旋转关节，以及齿轮驱动的滑块和灵敏 弹簧。美国贝尔实验室开发出了直径4 0 0 1 t m 的齿轮机构。美国d e k a n e 公司设 计了一种a l 5 0 1 0 小型装配机器人，用来完成光导纤维引线的复杂操作。东京 大学研制出了1 c m 3 大小的爬坡微型机械装置。名古屋大学研制出了不需要电缆 的用于微小管道内检测的爬行机器人1 2 。 微机械的主要产品可分为以下四个方面【2 l j ： ( 1 ) 微构件通过微细加工技术加工出的微构件有：微梁、微探针、微连杆、 微齿轮、微轴承、微弹簧等，它们都是微系统的基础部件。随着微机械设计和 加工水平的不断提高，可以制造出越来越精细、越来越复杂的微构件。 ( 2 ) 微传感器微传感器是较早制作出来的微集成化器件，是微系统的重要 组成部分，有力传感器、力矩传感器、压力传感器、加速度计、位移传感器、 流量计、温度传感器、浓度传感器、触觉传感器、生物传感器、图像传感器、 微陀螺仪等。微传感器多为平面结构，大多采用硅材料，特别适合于硅平面工 艺批量制作。微传感器正朝着集成化、智能化方向发展。 ( 3 ) 微执行器最常用的微执行器是微电机，另外，还有微阀、微泵、微开 第1 章绪论 关、微打印头、微扬声器、微谐振器等。微执行器是实现复杂微系统的关键， 生产难度较大。 ( 4 ) 专用微机械器件及系统应用较多的是医疗及外科手术设备，如人造器 官、体内施药及取样微型泵、微型手术机器人等。航空航天领域中的微型惯性 导航系统、微型卫星、微型飞机等，以及微光学系统、微流量测量控制系统、 微气相色谱仪、生物芯片、仿生m e m s 器件等。 1 3微细加工技术的发展概况 微细加工技术种类繁多【2 2 彩】，常用的技术来源主要有三种：第一种是以日 本为代表的利用传统机械的加工手段，可以用于加工一些在特殊场合应用的微 机械装置，如微型机器人、微型手术台等：第二种是以美国为代表的利用化学 腐蚀或集成电路( i c ) 工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基m e m s 器件，可与 传统i c 工艺兼容、实现微机械和微电子的系统集成，并适合于批量生产，成为 目前m e m s 的主流技术；第三种是以德国为代表的l i g a 技术，可以加工各种 金属、塑料和陶瓷等材料，可以得到高深宽比的精细结构，因此也是一种比较 重要的m e m s 加工技术。归纳起来，可以将微细加工技术分为三种途径：由传 统切削加工衍生的微细切削技术、由硅平面技术衍生的m e m s 技术、由特种加 工衍生的微细特种加工技术。 1 3 1m e m s 制造技术 以硅微技术为基础的微机械加工工艺也分为多种，传统上往往将其归纳为 三类，即体硅加工工艺、表面硅加工工艺和键合技术【l 犯“3 0 j 。这些技术在实际 应用过程中还要借助于i c 加工工艺。体硅微机械加工技术通常利用硅腐蚀的 各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两部分硅的微结构结合在一 起形成机电装置。表面硅微加工技术则是在基片表面加工出可动微机电结构。 其特点是可以充分利用i c 工艺中大量成熟的工艺技术。缺点是加工出的微结构 深宽比较小。 l i g a 是采用深度x 射线光刻、微电铸成型和塑料模铸等技术相结合的一 种综合性加工技术，是进行非硅材料三维立体微细加工的高效工艺。l i g a 技术 补偿了表面微机械技术的不足，为m e m s 技术提供了一种新的加工手段。l i g a 技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，并且得 到的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点。这些都 哈尔滨工业大学丁学博士学位论文 是其它微细加工工艺很难达到的。但l i g a 技术设备昂贵，投资巨大。 1 3 2 微细切削技术 切削是利用刀具，以切屑形式去除材料来达到所要求的形状和尺寸的一类 加工方法。一般认为，切削加工中不可避免地存在切削力，当零件被加工到微 细尺度时，将产生很大的变形甚至发生破坏，因此，切削无法实现微细加工。 但是，随着相关科学技术的进步，经过不断探索，微细切削目前也可加工出微 米尺度的结构和零件。 1 3 2 1 微细铣削微细铣削可以加工任意形状的微三维轮廓，生产率高，便于扩 展功能。微细铣削的研究对于微型机械的实用化开发是很有价值的。 美国s a n d i a 实验室把聚焦离子束溅射与微细铣削加工结合起来，在金属合 金材料上实现了微细端铣加工。通过聚焦离子束溅射，形成了刀具的切削刃和 切削角度。微端铣刀的直径不大于2 5 l - t m ，切削刃圆角半径小于等于0 1 j x m 。 使用有2 ，4 或5 个切削刃微端铣刀对铝材、黄铜、钢以及复合材料进行了沟 槽铣削，得到的宽度大体等于刀具的直径1 2 l ”j 。 日本f a n u c 公司与电气通信大学合作研制的超精密铣床，在世界上首例 用切削方法实现了自由曲面的微细加工。用该机床在1 8 k 金材料上，采用单刃 单晶金刚石球形铣刀( r 3 0 p m ) ，铣削出了日语中叫做“能”的微型面具。其直 径为l m m ，表面高低差为3 0 9 m ，加工后得到的表面粗糙度为r z 0 0 5 8 m 。这是 光刻技术领域中的微细加工技术，如半导体平面硅工艺，以及l i g a 工艺等所 不及的f 3 2 】。 1 3 2 2 微细车削微细车削是加工微小型回转类零件的有效方法。日本通产省工 业技术院于1 9 9 6 年开发了世界上第一台微型化的机床微型车床，该车床长 3 2 r a m 、宽2 5 m m 、高3 0 5 m m ，重量仅为1 0 0 9 ( 图1 1 ) ：主轴电机额定功率1 5 w ， 图1 - 1 微型车床 f i g 1 1m i c r ol a t h e 【3 3 第1 章绪论 转速1 0 0 0 0r p m 。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度为r z l 5 9 m ，加 工工件的圆度为2 5 a m ，加工出的晟小外圆直径为6 0 _ u n 。切削试验中的功率消 耗低于普通车床的1 5 0 0 斗j 。 日本金泽大学研究了一套微细车削系统，由微细车床、控制单元、光学显 微系统和监视器组成( 图1 2 ) 3 5 o 机床长度约2 0 0 m m 。机床的主轴功率为o 5 w ； 转速为30 0 0 1 50 0 0 p r m ，连续变速；径向跳动在l p m 以内：装夹工件直径为 0 3 m m ；x 、y 、z 轴的进给分辨率为4 n m 。用原子力显微镜上的金刚石探针尖 作为车刀，在直径为o 3 m m 的黄铜丝毛坯上加工出了0 1 0 p m 的外圆柱面，还 加工出了0 1 2 0 1 x m 、螺距1 2 5 i j t r n 的丝杠。它证实了利用切削加工技术也能加工 出微米尺度的零件。 机 图1 2 微细车削系统p 纠 f i g 1 2m i c r ot u r n i n gs y s t e m l 3 5 】 1 3 2 3 微细钻削微细钻削一般用来加工直径小于0 3 m m 的孔。它具有生产率 高、不受材料导电性能的限制、能获得的深径比大、表面质量好等特点，现已 成为微细孔加工的最重要工艺之一，可用于电子、精密机械、仪器仪表等行业， 近来倍受关注。 微细钻削的一个关键问题是微细钻头的制作。目前，商业供应的微细钻头 的最小直径为5 0 p a n ，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工技术。用聚焦离 子束溅射技术可制成直径为1 3 3 5 u n 的钻、铣削刀具【3 6 j 。但是，聚焦粒子束溅 射装备复杂，加工速度较慢。用电火花线电极磨削( w e d g ) 技术则可以稳定地 制成0 1 0 n 的钻头，最小可达0 6 5 t m a i ”】。图1 3 是用w e d g 技术制作微细钻 头的过程。图a 、b 将轴磨细，图c 为磨前刀面，图d 为磨后角。 用w e d g 技术制作的微细钻头，如果从微细电火花机床上卸下来再装央到 微细钻床的主轴上，势必造成安装误差而产生偏心。因此，用这种钻头钻削时， 必须在制作该钻头的微细电火花机床上进行。图l _ 4 为将微细钻头制作与微细 钻削集成在一台微细电火花机床上的工艺过程。在钻削加工过程中，刀具以恒 甲甲甲 图1 3 用w e d g 技术制作微细钻头的= 艺过程p ，j f i g 1 3t h ep r o c e s so f m a c h i n i n gm i c r od r i l lw i t hw e d g 川 定的进给速度沿z 轴向下进给。由于工作台放置在工作液箱罩，故钻削可以在 工作液中进行。根据导电情况可以对刀具与工件的接触状态进行检测，通过导 电检测还可以监测刀具的破损情况。用该钻头在单晶硅上钻出了0 6 7 1 a m 、深度 1 0 i t r n 的微细孔【圳。 图1 4 微细钻削的工作过程p 7 1 f i g 1 - 4t h ep r o c e s so f m i c r od r i l l i n g 【3 7 】 1 3 2 4 微细冲压板材的冲压是利用冲模使板料产生分离和变形的加工方 法。冲孔时，使用冲头( 凸模) 和阴模( 凹模) 两种工具，圆柱形冲头与孔穴形 阴模组合起来，在外力作用下可将夹在它们之间的板材冲出一个通孔。但当 冲头和阴模的尺寸十分微小时，这两个工具的对中就变得十分困难。为解决 对中问题，可以先用w e d g 加工出微细轴( 图l 一5 a ) ，然后以这个微细轴为工 具电极用微细电火花加工阴模( 图1 5 b ) ，接着再用w e d g 方法将微细轴改 形，做成冲头( 图1 5 c ) 。在上述一系列加工中，由于都是在同一设备上，冲 头和阴模的中心位置都没有移动过，它们的中心线是一致的，所以对中很好， 用它们可对板材进行冲孔加工( 图1 5 d ) 。冲孔具有生产率高、便于大批量生 产、凸模磨损慢、寿命长、加工的小孔尺寸稳定等特点1 3 ”。日本东京大学生 产技术研究所利用上述方法在厚2 5 岬的不锈钢板上冲出了0 2 5 1 x m 的微孔 一6 ：甄进 冲头 图1 - 5 微冲压工艺过程及加t 的微细孔 3 8 】 f i g 1 5t h ep r o c e s so f m i c r op u n c h i n ga n dt h em a c h i n e dm i c r oh o l e s 【3 8 】 1 3 9 。他们还用这种方法在5 0 i ，t m 厚的聚酰胺塑料上冲出宽度为4 0 t x m 的非圆 截面微孔( 图1 5 e ) 3 8 , 4 0 , 4 1 。 1 4 微细特种，j d - r 及其研究状况 由于市场需求的迅速增加，使得微机械加工的尺寸和材料范围迅速扩大， 种类增多，批量减小，对加工技术的柔性要求越来越高，上述的微细加工方法 已不能完全满足需要。这使得精密机械加工技术与特种加工方法更进一步地结 合了起来，形成了微细特种加工技术。 1 4 i 微细电火花加工 1 4 1 1 线电极电火花磨削( w e d g ) 技术1 9 8 5 年，日本东京大学增泽隆久等人 在电火花反拷加工的基础上，利用线状电极代替反拷块电极，成功地发明了线 电极电火花磨削( w e d g ) 技术【4 。w e d g 技术的出现，圆满地解决了微细电极 的制作与安装问题，使微细电火花加工技术步入了实用化阶段。利用这一技术， 东京大学已加工出( 9 2 5 岬的微细轴1 4 1 - 4 7 。 w e d g 还可以用来加工圆锥、棱柱、螺纹等多种形状的电极或零件，这为 微细电火花加工各种复杂形状的型面提供了极为有利的工具。由于线电极电火 花磨削使得工件的加工精度更接近于机床的几何精度；同时由于线电极的连续 移动，可以忽略线电极损耗对加工精度的影响，易于通过数控程序来加工出各 种形状的电极1 3 8 , 4 8 , 4 9 l 。利用w e d g 技术，还可以为微细电解、微细电铸、微细 超声、微细冲压、微细铣削和微细钻铣等制备电极或工具1 5 “”j 。 1 4 1 2 微细孔的电火花加工技术微细电火花加工首先是用在圆孔的加工上，日 哈尔滨工业大学工学博上学位论文 本东京大学生产技术研究所用0 2 5 p m 的微细轴加工出了0 5 岬的微细孔，目 前仍然处于世界领先水平。 为了降低单个脉冲放电能量、提高微细电火花加工精度和微细程度，哈 尔滨工业大学特种加工研究所和日本近畿大学都对低压放电进行了实验研 究。哈尔滨工业大学特种加工研究所的实验结论是，利用r c 脉冲电源进行 微细电火花加工时，不存在维持电压，在低于常规电火花维持电压( 2 0 - 2 5 v ) 的超低压( o 1 v ) 下，r c 脉冲电源仍能进行电火花加工【5 3 5 4 。近畿大学分别 用3 0 v 、2 5 v 、5 v 和2 v 的开路电压进行了微细孔的加工实验，结果如图1 - 6 所示1 5 5 j 。 a ) e = 3 0v ，b ) e = 2 5v c ) e = 5v ，d ) e = 2 v ， c - - 0 c o ，0 0 1 p m c 1 0 a m c l o “m 图1 6 低压放电加工的微细孔( 电极直径1 5 p m ) ”升 f i g 1 6m i c r oh o l e sm a c h i n e db ye d m u n d e rl o wv o l t a g ew i t h0 1 5 t me l e c t r o d e 【5 5 j 国内哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、清华大学、大连理工大学等 在微细孔的电火花加工方面也取得了显著成效9 , 3 9 , 5 3 , 5 6 - 5 8 。哈尔滨工业大学特 种加工研究所用微细电火花加工技术加工出了0 4 5 1 x m 的微细轴和0 8 p m 的 微细t l l 5 3 5 4 1 ，居国内领先水平。 用电火花加工技术进行微群孔的加工也取得了重大进展，美国 o p f i m a t i o n 公司加工出了共有8 1 个0 1 2 0 1 x m 的微孔的光纤连接器【5 。 2 0 0 1 - 2 0 0 2 年k t a k a h a t a 等人利用l i g a 技术，制造出了矩阵式电极群，再 配合放电的分散回路，降低放电集中效应，用微细电火花加工技术，一次可 加工出具有4 0 0 个微孔的孔阵【6 0 】。 1 4 1 3 微三维结构的电火花加工技术由于复杂形状的微细成型电极本身很难 甚至无法制作，而且由于加工过程中严重的电极损耗现象，将使成型电极的形 状很快改变而无法进行高精度的微细三维曲面加工。因此，使用微细成型电极 进行微细三维轮廓加工显然是不现实的。随着制造业的发展以及人们对电火花 加工技术研究的不断深入，自2 0 世纪9 0 年代后，国内外学者纷纷开始尝试使 用简单形状的电极( 如棒状电极) ，在数控系统控制下按照一定轨迹作成型运动， 一8 一 通过简单电极与工件之间的不同相对位置放电，借鉴数控铣削的方法进行微三 维轮廓的电火花铣削加工1 6 1 。”j 。 加工中，微细电极不可避免地产生损耗而影响加工的形状。为了解决这个 问题，采用了等损耗分层铣削的策略，即在分层铣削时，通过某种措旌使电极 端部各点的损耗量均匀。加工过程中，除应尽量采用低损耗的加工条件外， 每一层的加工厚度还应小于放电间隙，以将放电过程局限于电极底面。此时 电极的损耗也将只发生在电极底面，从而可有效地避免电极侧面及尖角损耗。 这就消除了电极损耗对加工形状的不利影响。 目i j 仃，国内外学者对电火花微细铣削技术的研究日趋深入，已经取得了令 人瞩目的成果。日本东京大学利用w e d g 技术制作微细电极，利用微细电火花 铣削技术加工出了具有尖角和斜面的三维器件及微型汽车模型m j 。 在硅微细加工方面，微细电火花加工已经可以制造各种复杂的零件或型 腔【7 3 _ 76 1 。哈尔滨工业大学加工出了微传感结构及球冠。比利时鲁文大学用微 细电火花加工技术在硅材料上加工出了s 形微梁、带有力传感器的微钳、微 推进器、微锥齿轮等微小零件i 77 1 。处于m e m s 技术领先地位的美国斯坦福 大学利用硅刻蚀技术获得硅模具，进而采用电铸法获得了具有复杂形状的微 细铜电极和银钨电极【7 8 , 7 9 。这从一个侧面反应了m e m s 技术与微细电火花加 工技术正在走向融合。 微型机械、微机器人始终是微细电火花加工技术应用的重要领域。微细电 火花加工技术在此方面也取得了诸多进展，如钢制微推进器、硅制微齿轮等。 图1 7 a 是东京大学用微细电火花加工出的坡莫合会转子1 2 2 j ，图1 7 b 是他们用 微细电火花加工出的微三维结构【8 ，该结构在0 1 5 5 9 m 的圆柱上具有多种机械 成分，如半球、槽、齿轮、螺杆。 a ) 坡莫台金转子b ) 微齿轮一螺杆，0 1 5 0 1 a m 图1 7 微细电火花加工的微结构 2 2 , 8 0 l f i g 1 7m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db ym i c r oe d m 【2 2 8 0 】 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 总之，微细电火花加工技术以其独特的技术优势已取得了较为广泛的应用， 并呈现出r 益丰富多彩的应用前景。 1 4 2 微细超声加工 随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等脆硬材料在微机械中的广泛应用， 脆硬材料的高精度微细加工技术已经成为一个重要的研究课题。目前可用于 脆硬材料的加工方法主要有光刻加工、电火花加工、电解加工、激光加工和 超声加工等。超声加工与电火花加工、电解加工、激光加工相比，既不依赖 于材料的导电性又没有热物理作用；与光n ；0 h 工相比，可加工出高深宽比的 三维结构。这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属脆硬材料加工方面 有着得天独厚的优势。随着压电材料及电力电子技术的发展，微细超声加工 技术、旋转超声加工技术、超声复合加工技术等成为当前超声加工研究的热 点。在脆硬陶瓷材料的微细超声加工方面，目前的研究主要是针对微细孔和 微三维结构的加工。 1 4 2 1 微细子l 超声加工1 9 9 6 年，日本东京大学生产技术研究所利用w e d g 在 线加工出微细工具，在检验利用微细超声加工技术所能达到的微细程度时，在 硅和玻璃上加工出了