材料表面微细加工技术论文

材料表面微细加工技术综述摘要: 详细阐述了微加工工艺以及近几年内国际上开发的一些新的加工技术，如电化学微加工，微细电火花加工，电解加工等,重点提及微细电火花加工技术，并提出了目前这些方法中存在的缺陷及解决方法。关键词微细加工技术; 微细电火花加工Abstract: Silicon micro-processing technology and other micro-processing technologies developed in recent years, such as micro-chemical micromachining, micro-EDM, electro-machining and so on, and main describe the technology of micro-EDM,Finally some disadvantages about those technologies were put forward.Key words: micro-processing technology, micro-EDM.1.引言以集成电路为代表的，建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化科技革命。如今起源于20世纪80年代末期，建立在微电子技术基础上， 把传感器、 处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统（MEMS: micro electro-mechanical systems） 被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视,已经成为当今国际高技术竞争的热点。随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现MEMS技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件, 必须要具备相应微细加工技术。微细加工技术是MEMS技术的核心技术，是MEMS技术的关键和基础,也是MEMS技术研究中最活跃的领域。 离开了先进、可靠的微细加工技术， MEMS的研发将受到极大的制约， 更不能形成生产能力， MEMS器件和系统的研究也只能是空中楼阁。在MEMS的制作中， 由于涉及传感和运动执行部件，器件的形状比数字集成电路复杂得多， 而且涉及到带有曲面，斜面及微尖形阵列等的三维微制作技术。 现在微电子技术和集成电路工艺已经非常成熟， 因此能产生含有曲面、 斜坡、高密度微尖阵列器件和高深宽比等微结构的三维加工工艺必将成为下一步MEMS领域的竞争热点，迄今为止， 开发成功的微机械加工技术主要有硅微机械加工技术，体硅加工工艺和表面硅加工工艺）、LIGA技术,微立体光刻，MSL: Micro stereo lithography)、技术/IH，integrated harden polymer stereo lithography 集成固化聚合物立体光刻）工艺,EFAB，electrochemical fabrication)技术、CELT(confined etchant layer technique)、3D 电化学微加工，electrochemical 3D micromachining)技术等，本文仅就微细微细电火花加工技术进行阐述。近年来电火花加工方面的研究取得了许多新的进展,主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法。这些方法不仅可以进行体积去除,还可以进行表面陶瓷化改性和沉积;加工不仅可以在绝缘工作液中进行,也可以在气体中进行;不仅可以加工导电材料,也可以加工非导电材料,大大扩展了这一技术的使用领域。近年来发展起来的电火花加工新技术主要包括:弯曲孔电火花加工,液中放电表面改性处理,绝缘陶瓷电火花加工,单次放电微细电极加工,放电堆积成型,气体中放电电火花加工,扫描创成电火花加工,钛合金表面电火花放电着色,反复拷贝法微细电极电火花加工,用直角三角形截面电极对单晶硅进行微细电火花加工,线电极电火花磨削精微、微细电火花加工,混粉镜面电火花加工,气体放电线切割加工,双电极电火花加工及电火花加工放电状态检测新方法,电火花加工放电位置可控性研究,新的摇动控制技术等。2.微细电火花加工的特点在各种不同的电火花加工使用中，通常把尺寸特别小的加工称作微细电火花加工。所谓特别小，究竟小到何种程度，目前尚无明确的规定,微细电火花加工的原理和普通电火花加工并无本质区别，不同之处在于其自身的工艺特点,但使用微小成形电极，利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的,这是因为形状复杂的微小电极本身就极难制作，而且由于加工过程中严重的电极损耗现象，使成形电极的形状很快改变而无法进行高精度的三维曲面加工,因此，人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工,由于加工尺寸极小，加工表面更加致密，所以，MEDM的关健问题之一便是如何设定加工尺寸更小的放电条件,目前，MEDM使用的放电能量，粗加工为100J，精加工为10J左右，大体上是通常电火花加工能量1J100J的1/10000左右。由于MEDM的放电能量和通常的电火花加工不同，因而有其自身的特殊状况,电火花加工是在大气压力条件下进行的过渡性电弧放电,如果脉宽固定不变，就不可能使电流值减少到最低程度,为此，不得不采取一方面将电流值保持在一定的程度，另一方面则通过减小脉宽来实现微小能量的简便放电方法,所以，MEDM所设定的脉宽要比一般电火花加工短很多,在这种极短脉冲的放电过程中，形成浓度极低的等离子放电，而电子流则成为主要的载流子，即变成一种接近于电子束的加工状态，放电能量主要转换为热，最终产生在阳极上,因此，在MEDM中，为降低电极的损耗率，一般将工件接于正极，电极接于负极。3.技术要求：3.1 脉冲电源电火花加工是靠电源将能量输向放电间隙,以实现尺寸加工,因此,脉冲电源的电参数对各项加工工艺指标起着决定性作用。在微细加工中,有一个特殊的面积效应。为了高效稳定地进行电加工,和电极相对表面内需分布有很多电势几乎相等的突起点,以避免产生电弧放电,但由于微细加工零件的加工面积大多在1mm2以下,所以这样的电势点相对就少,放电点的范围有限,其位置在空间上和时间上容易集中,增加了放电过程的不稳定因素;而且也会限制脉冲频率的提高,造成脉冲利用率低、加工速度相对较慢,这就是面积效应。为了克服面积效应的影响,满足微细零件结构要素尺寸及精度的要求,就要研制具有微能量的微能脉冲电源,使每一个单脉冲的放电痕迹能够控制在很小的尺寸范围内,每次放电点的位置在空间和时间上充分分开、均匀分布,从而提高放电频率;另外,在微细放电加工中,极间的间隙只有数微米,为了能使放电屑顺利地从间隙中被工作液带走,要求放电屑直径小于放电间隙,而放电屑的大小也主要取决于脉冲放电的能量,所以,研制具有微能量的微能脉冲电源成为微细电火花加工需要解决的关键技术之一。3.2 电极制备微细电火花加工属于成型拷贝加工,电极的制造关系到加工能否实现。微细电火花加工的尺寸决定了工具电极本身尺寸的微小化,因为电极截面直径的大小至少要比所加工的尺寸缩小两个放电间隙的距离,这无疑给高精度微细电极的制造和复杂端面形状的微细电极的加工提出了更高的要求。为了解决工具电极和工作台面的垂直和工具电极和机床主轴同心的问题,在微细电火花加工中,微细电极的制造采用在电火花机床上直接使工具电极成型的工艺,即将工具电极坯料预先夹持固定于电火花机床主轴上,利用机床本身的电火花加工系统对此坯料进行加工而使之成型。这样既可避免工具电极安装所带来的安装误差及操作困难等问题,又可获得微细工具电极。3.3. 高精度的微量进给伺服系统 微细电火花加工的材料去除率由于脉冲放电能量极小的原因而很低,加工速度相对很慢;放电时间隙只有数微米,和常规电火花加工相比放电稳定性差、放电屑排除困难,造成脉冲利用率较低。因此,提高脉冲利用率是提高微细电火花加工效率的有效途径。这就要求相应的微细电火花加工伺服系统和执行机构要有很高的响应速度和控制灵敏度,即在正常放电时能以微步距跟踪材料去除速度,遇到异常放电时,又能以很快的速度回退以消除间隙的异常,提高脉冲利用率,最终达到提高加工速度的目的。3.4机床精度机床精度包括定位精度和运动精度。微米级的电火花加工首先要保证工具电极和工件之间的精确定位,才能准确地测定加工尺寸和控制加工能量的供给位置;其次,机床只有具备相当高的运动精度才能加工出形状、精度合格的微细复杂零件;而且,为了使加工过程稳定,还必须保持小到1m左右的最佳放电间隙。所以,微米级的电火花机床必须有相应的高精度进给机构、导向机构以及高灵敏度的微量进给伺服系统。3.5工作液及其循环系统工作液用来保证每次放电时电极表面喷射出的金属液体和蒸气得到迅速冷却和排除。在微细加工时,由于工具电极和工件之间间隙很小,有可能影响工作液的正常循环流动,使电蚀产物不能及时从放电间隙中排出,造成加工速度下降和加工稳定性恶化,严重时将使加工过程无法进行。因此,在微细电火花加工时,往往要选用粘度低的工作液,并采用强迫排屑措施。4.微细电火花加工的使用在使用工具的加工方法中，MEDM具有以下的特点：1）同其他加工法相比，由于MEDM的切削力极小，所以能加工细，薄的工件，不会因工具的弹性变形而使精度受到影响。2）能加工硬度高，韧性大的材料。3）工具的旋转不再是绝对的条件，由于工具的所有表面都起到加工作用，所以工具的形状及被加工形状的自由度都很高。也就是说，MEDM在微细程度，加工精度，加工对象的材质以及加工形状等许多方面同使用其他工具的加工方法相比，有其显著的特点和优越性。以一般电火花加工为代表的成形加工是以孔、沟槽、型腔等凹形工件为主体的一种加工方法。在多数情况下用其他加工方法，如铣削、车削、磨削等加工方法也能使工件较容易地加工出来，所以电火花加工所起的作用便不是唯一的。但是，在进行微细尺寸加工时例如像切削微细轴这类工件用一般切削方法就会因受切削力等方面的影响而引起弯曲，此时MEDM便能起重要作用。1）轴、销、棒的加工。利用WEDG或电火花反拷块加工方法可制成直径为5.0m左右的微细轴及单边为10.0m左右的异形销等工件。如果用CNC控制线电极的导向器位置，还能加工出带有锥度，斜面及螺旋面等复杂形状的凸形工件。此外，只要加工装置的行程允许，能制成很长的棒形件。2）孔、2.5维形状、3维形状加工。利用WEDG成形出的微细电极，日本已能较容易地加工出圆、方、三角形以及各种剖面形状的微细孔目前其使用范围是：圆孔直径为5.0m左右，方孔单边为10.0m左右，可加工材料为金属，合金，导电性陶瓷等，在加工深度上，可以加工出微孔深度超过直径2倍或在直径超过50m的情形下加工出孔深达到直径5倍的深孔。利用MWEDM(微细电火花线切割)能很容易地加工出2.5维形状的工件，但是在其拐角处会带有超出线电极半径的圆弧，3维型腔加工困难更大。但是最近研制成功的利用简单的棒状电极，边借助于CNC扫描，边进行加工的方法已使3维型腔加工成为可能。特别是当和WEDG方法相结合时，能加工出拐角锐利的3维微细型腔。因此人们可以以此作为制造微细模具的有力手段。3) 微小模具加工。模具制造已成为电火花加工最大的使用领域，而随着一部分模具的微细化，MEDM是必然趋势。可以认为，今后在模具尺寸上会提出更加微细化的需求，因此，有必要以冲压模，压铸模，精密铸造模等模具为中心，按照100m以下的尺寸加工要求来进行使用研究。以往和微细加工相关的，多数为孔或狭缝加工，而现在已扩大到加工，维形状的型腔及凸形零件，同时还能直接用于加工微细凸透镜及表面装饰用铸模，压印模等模具。5.国内外最近技术进展5.1电火花技术发展概况近年来，出现了一些将直线电动机用于主轴及工作台传动的电火花成形机。其伺服脉冲当量是0.1m，伺服最大速度为36 m/min。和以往的电动机及滚珠丝杠传动方式相比，省去了丝杠螺母传动机构，消除了机械传动误差，提高了动态响应速度和精度。大幅度并极快的抬刀运动，不仅节省了空程时间，更利于放电间隙和液体介质的搅动和更新，促进排屑，使加工更加稳定。在窄缝、小孔等工艺条件相对恶劣的加工状态时更能显示出其效果。深件加工时，因泵吸作用实现了免冲液加工，缩短了加工时间，减小了电极损耗。配置的最佳加工伺服系统，每2ms巡检一次间隙状态，实现了高响应速度，尤其提高了精加工的放电效率。图5是两种传动方式的比较。在由脉冲编码器、旋转电动机及滚珠丝杠副组成的半闭环位置控制方式中，联轴器松动、滚珠丝杠磨损及变形、丝杠螺母间隙、机床热变形等都会造成位置误差。由于直线电动机直接驱动运动轴，用精密光栅尺做位置反馈，组成全闭环控制方式，消除了上述误差因素，能实现0.1m分辨率的精密位置控制。最新研制的电火花成形机床，Z轴采用新型陶瓷材料，其密度约为铸铁的1/2，重量轻。三个运动轴是高刚度且滑动阻力极小的滚子导轨，实现了俯仰、偏转极小的平稳传动，提高了响应速度。新型纳米极电火花成形机床，采用高刚度气浮导轨及无芯直线电动机，消除了齿槽抑制作用，组成完全非接触式传动机构，确立无间隙、无爬行、平滑的运动特性，位置检测的最小分辨率达到1nm。在机床性能优异的前提下，国外精微加工技术也有很大进展。表1：是用电火花加工圆孔的主要四种方式。最重要的指标是最小加工直径及其最大深度和直径的比值。使电极边旋转边加工可以获得更好的加工效果。使用管状电极则需要辅以高压液泵以利排屑。标准铜管电极的长度是200300mm，需要配用电极导向器或其它工具。最小外径为0.1mm的管电极，其内径只有0.04mm,为保证加工时流过工作液，液泵的压力要足够大。管电极内有一字或十字形内芯，旋转加工的效果更好。太细的管电极刚度较差，随导向器距离的增加，因振摆导致加工出口增大。加工结果表明，当加工板厚超过4.0mm时，宜采用0.15mm的管电极。如表1： 所示的无导向器加工的第1和第2种方法，通常因排屑原因形成加工入口处大、出口处小，而使用导向器加工的第3和第4种方法，通常因电极振摆原因形成加工出口处大、进口处小，为了消除加工型孔的锥度，利用数控工作台的摇动功能，可以改善型孔的圆柱度。当工作台的伺服分辨率为0.1m 时，利用圆摇动模式，就能以0.2m为单位调整加工尺寸。这同时也弥补了不同管电极直径规格和电极导向器间的孔径差异。为提高加工效率，工作台摇动的幅度不要大于0.03mm。还有一种用线切割机和电火花成形机联合加工微细窄缝的实例，此不作表述。表1 孔加工方法比较5.2微细电火花加工的新技术、新工艺5.2.1利用电极自身加工出的小孔加工微细电极Yamazaki等人提出了一种通过电极自身加工出的小孔来加工微细电极的方法(图5)。图6a是该方法的原理图,首先棒电极接负极,工件接正极,使棒电极轴向进给,在工件上加工出小孔;然后,极性反接,棒电极沿径向移动一小段距离,轴的中心线和孔的中心线就会偏离相应的距离,再使棒电极轴向进给,通过控制棒电极径向移动的距离,就能得到想要尺寸的微细电极。由于加工微细电极的小孔是棒电极自身加工的,所以位置精度容易保证,且棒电极和小孔的放电面积相比于WEDG加工方法要大得多,加工效率相对较高,且较易实现。图6b是使用该方法加工的实例,其中微细轴的直径为4m,长为206m,用该微细电极加工出的微细孔直径为5m,还有是加工的微小异形孔。5.2.2一种快速制造大规模微细孔的方法日本增泽隆久等人提出了一种快速制造大规模微细孔的方法,该方法在整个微细孔的加工过程中只用一道工序。该装置有两套线电极磨削系统(WEDG A和WEDG B), WEDG A对工具电极进行粗加工,WEDG B对工具电极进行精加工,只要控制WEDGA和WEDG B的相对位置就能得到不同尺寸的微细电极,当工具电极和工件接触,就开始进行微细孔加工。该系统的三路脉冲电源同时进行放电,只要有一路短路,工具电极便回退。此装置还设计了一套和自动铅笔原理相似的电极夹持的送进系统,每根电极丝可以加工40个微细孔。该装置加工的60m、2020的孔阵列,入口和出口的孔径误差大约为12m。5.2.3一种加工弯曲孔的方法Ishida等人提出了一种加工弯曲孔的方法。由于绝大多数的传统加工方法及电火花加工方法都只能进行直孔加工,因此有些需要用到弯曲孔的地方由于加工难以实现而不得不采用直孔。电火花加工弯曲孔的原理如图3所示:主轴是可弯曲的柔性结构,主轴头装有球状的工具电极,主轴通过弹簧片和超小的滑轮相连,滑轮是为了减小主轴和控制间的摩擦力,电极的位置通过两根细线来控制,其中这两根线的伸长和缩短通过安装在主轴上的两个电机来控制,主轴的位置可以被计算机系统检测,这样主轴就能实现三维轨迹的运动。5.2.4一种改进的微细电火花加工机床比利时鲁汶大学在AGIE公司电火花加工机床的基础上改进的微细电火花加工机床。该机床主要在真三维的微小零件加工方面取得较大的突破。同时开发了一套线电极磨削系统,电极的位置通过陶瓷来导向,该系统可以在线制作微小的、形状复杂的工具电极,且有较好的形状精度和重复精度。两轴倾斜仪的整体尺寸为9 mm9 mm8 mm,机架、悬杆、质量块是在同一块原材料上加工的,这样能避免在装配过程中产生误差,经实验测得该倾斜仪一个轴的灵敏度为9.35 mV/()。5.3微细电火花加工和其他先进制造技术相结合的发展状况能够实现微细加工的方法有很多,每一种方法都有其优缺点,如果能利用各自的技术特点,将两种或两种以上的微细加工技术进行有效的集成,就可能取得意想不到的效果。6.结论和展望从总体来说，微细电火花加工技术在国际和国内都取得了较大进展，日本已到了实用化的阶段。我国目前的微细电火花加工技术和用于该技术的微小驱动装置也已经取得了阶段性的突破和成果，用微细电火花加工技术已经能制作15m的微细轴和19m的微小孔，接近国际先进水平。微细电火花加工技术具有电极制作简单，电极和工件间宏观作用力小，可控性好等优点，微细电火花加工技术已成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在精密机械加工，微电子技术，生物医学工程，航空航天，光学，通讯，模具等领域有着广泛的使用前景。以上介绍了部分电火花加工的最新技术,电火花放电加工已不再仅仅用于工件材料的去除,还可使用于工件材料的液中表面改性处理、附着堆积造型、表面着色等。就其去除加工而言,不仅可以加工导电的材料,也可用于加工绝缘材料,通过选择合适的电规准和极性,也可用大规准的单个脉冲放电来加工微细轴和探针,气体中放电加工也显示着具有很大研究潜力,而放电位置的控制可能在未来几年得到发展,并对加工过程的控制产生深远的影响。近年来国内外学者的研究实践表明,创新思维和深入细致的基础研究是电火花加工向深度和广度发展的基石。参 考 文 献1段润保,赵砚江,毛言理.微机械(MEMS)和微细加工技术J.河北理工学院学报,2004,(5)2罗均,谢少荣,龚振邦.面向MEMS的微细加工技术J.电加工和模具,2001,(5):1-6.3苑伟正,马炳和.微机械和微细加工技术M.西安:西北工业大学出版社,2000.4Kock M, Kirchner V, Schuster R. 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