微機械技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前，微機械的加工方法有：由硅平面技術(shù)衍生的微蝕刻加工，由特種加工衍生的微細特種加工，由切削加工衍生的微細切削加工。
~4p@m>> Q=hf,/N 微型機電系統(tǒng)技術(shù)衍生于微電子技術(shù)，由于這種歷史原因，硅微細加工在微機械制造中占據(jù)主要地位，硅微細加工具有批量制作、預(yù)組裝及容易與微電子電路集成的技術(shù)特點，適合于微型傳感器的制作，但成型結(jié)構(gòu)形狀有限，不利于微致動器的制作。
,XmTKO c mRI W9V 可以進行微細加工的特種加工方法主要有電火花加工、電化學(xué)加工、超聲加工、激光加工、離子束加工、電子束加工等。這些特種加工方法有的設(shè)備昂貴、對環(huán)境要求較高，有的加工速度偏低。對于加工三維實體結(jié)構(gòu)的零件來說，單獨使用特種加工方法并沒有優(yōu)勢可言。
"] ,amJ h#p1wK;N 可以用來進行微細加工的切削方法有：微細車削、微細銑削、微細鉆削、微細磨削、微沖壓等。
w`~j(G4N )KvQ aC 本文將介紹微機械制造中的切削加工方法及設(shè)備的研究進展情況。
i Rwqt-WZ 23a&m04Rk 1 微細車削
|
?Js)i J? Kgev% 日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院機械工程實驗室（MEL）于1996年開發(fā)了世界上第一臺微型化的機床——微型車床，長32、寬25mm、高30.5mm，重量為100g（圖1 為該車床與硬幣的比較）；主軸電機額定功率1.5W，轉(zhuǎn)速1000r/min。用該機床切削黃銅，沿進給方向的表面粗糙度值為Rz1.5µm，加工工件的圓度為2.5µm，最小外圓直徑為60µm。切削試驗中的功率消耗僅為普通車床的1/500。
nLZT3`@~, J('p'SlI UH8)r 圖1 世界上第一臺微型車床
k]*DuVC OX Dim,HPx]d 日本金澤大學(xué)的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微細車削系統(tǒng)，由微細車床、控制單元、光學(xué)顯微裝置和監(jiān)視器組成。機床長約200mm。在該系統(tǒng)中，采用了一套光學(xué)顯微裝置來觀察切削狀態(tài)，還配備了專用的工件裝卸裝置。圖2為微細車床的結(jié)構(gòu)原理圖。主軸用兩個微型滾動軸承支承。主軸沿Z方向進給，刀架固定不動，車刀與工件的接觸位置是固定的，以便于用光學(xué)顯微裝置觀察。因為工件的直徑很小，車削時沿X-Y方向移動的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移動。車刀的刀尖材料為金剛石。驅(qū)動主軸的微電機通過彈性聯(lián)軸器與主軸聯(lián)接。機床的主要性能參數(shù)如下：主軸功率0.5W；轉(zhuǎn)速3000~15000r/min，連續(xù)變速；徑向跳動1µm 以內(nèi)；裝夾工件直徑0.3mm；X、Y、Z軸的進給分辨率為4nm。用0.3mm 的黃銅絲為毛坯，在這臺機床上加工出了直徑10µm 的外圓柱面，還加工出了直徑120µm、螺距12.5µm 的絲杠。該機床的明顯不足是切削速度低，因此得不到滿意的表面質(zhì)量，表面粗糙度值為Rz1µm 以下。
VN=S&iBa/ Y4PU~ l 它的開發(fā)成功，證實了利用切削加工技術(shù)也能加工出微米尺度的零件。
#v N \ ]e h[c
HCVM: 從以上兩例可知，并非機床的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微細車床的發(fā)展方向一方面是微型化和智能化，另一方面是提高系統(tǒng)的剛度和強度，以便于加工硬度比較大、強度比較高的材料。
; *G[3kk kTQ`$V(>& 2 微細鉆削
,nO:Pxn| wzAp`Zs2Dm 微細鉆削一般用來加工直徑小于0.5mm 的孔。鉆削現(xiàn)已成為微細孔加工的最重要工藝之一，可用于電子、精密機械、儀器儀表等行業(yè)，近來倍受關(guān)注。
]1] ],%}}UN 在鐘表制造業(yè)中，最早使用鉆頭加工小孔。隨著工藝方法的不斷改進，相繼出現(xiàn)了各種特種加工方法，但至今，一般情況下仍采用機械鉆削小孔的方法。近年來，研制出多種形式的小孔鉆床，如手動操作的單軸精密鉆床、數(shù)控多軸高速自動鉆床、曲柄驅(qū)動群孔鉆床及加工精密小孔的精密車床和銑床等。上世紀80年代后，由于NC技術(shù)和CAD/CAM的發(fā)展，小孔加工技術(shù)向高自動化和無人化發(fā)展。目前機械鉆削小孔的研究方向主要有：難加工材料的鉆削機理研究；小孔鉆削機床研制和小鉆頭的刃磨、制造工藝研究；超聲振動鉆削等新工藝的研究等。
!Xt=+aKN h~$Q\WCm# 微細鉆削的關(guān)鍵除了車削要求的幾項之外，還有微細鉆頭的制作問題。目前，商業(yè)供應(yīng)的微細鉆頭的最小直徑為50µm，要得到更細的鉆頭，必須借助于特種加工方法。有人用聚焦離子束濺射技術(shù)制成了直徑分別為1cmmicro;m、22µm 和35µm 的鉆、銑削刀具。但是，聚焦離子束濺射設(shè)備復(fù)雜，加工速度較慢。用電火花線電極磨削（WEDG）技術(shù)則可以穩(wěn)定地制成f10µm 的鉆頭，最小可達f6.5µm。
A{hwT,zV: xBGSj[1`i 用WEDG技術(shù)制成的微細鉆頭的形狀如圖3所示，圖4是其制作過程。
SZ}t_w ` E&k{ubc T 用WEDG技術(shù)制作的微細鉆頭，如果從微細電火花機床上卸下來再裝夾到微細鉆床的主軸上，勢必造成安裝誤差而產(chǎn)生偏心。這將影響鉆頭的正常工作甚至無法加工。因此，用這種鉆頭鉆削時，必須在制作該鉆頭的微細電火花機床上進行。
cm]D"GFLY S\<]|tM:x 3 微細銑削
i3 k ',8 Y W"?F y MEL開發(fā)的微細銑床，長170mm，寬170mm，高102mm。主軸用功率為36W 的無刷直流伺服電機，轉(zhuǎn)速約為15600 r/min。這臺銑床能銑平面也能鉆孔。
F]Zg9c{# g5TXs^g 日本FANUC公司和電氣通信大學(xué)合作研制的車床型超精密銑床，在世界上首例用切削方法實現(xiàn)了自由曲面的微細加工。這種超精密切削加工技術(shù)可使用切削刀具對包括金屬在內(nèi)的各種可切削材料進行微細加工，而且可利用CAD/CAM技術(shù)實現(xiàn)三維數(shù)控加工，生產(chǎn)率高，相對精度高。
(JC -4X_ (,\`?g 圖5所示為用該機床銑削的日語中叫做“能面”的微型臉譜。其加工數(shù)據(jù)由三坐標測量機從真實“能面”上采集，采用單刃單晶金剛石球形銑刀（R30µm），在18K金材料上加工出的三維自由曲面。其直徑為1mm，表面高低差為30µm，加工后的表面粗糙度值為Rz0.058µm。這是光刻技術(shù)領(lǐng)域中的微細加工技術(shù)，如半導(dǎo)體平面硅工藝以及同步輻射X射線深度光刻、電鍍工藝和鑄塑工藝組成的LIGA工藝等技術(shù)所不及的。
1
