微切削加工技术分析

优胜编程龚老师

微切削加工技术分析：



1 引言

随着科学技术的发展对切削加工提出了越来越高的要求，一是要满足越来越高的加工效率、加工精度和表面质量；其次是要求经济性和生态性(即绿色生产要求)。为了满足这些要求，研究人员已做了大量的研究工作，开发出了多种先进切削加工技术，如高速切削、干切削、硬切削等。 微机电系统最早是上世纪60年代对集成电路(IC)制造与材料研究而衍生出来的一门新领域，因此开始发展时使用的制造技术必须遵循集成电路的制造要求，所采用的材料也必须符合集成电路的制造标准，如采用多晶硅、单晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或是使用铝、铜等金属。但随着微机电系统和微机械的多样化发展，传统上符合集成电路制造要求的材料有其局限性，对于拥有不同机械性能与电子特性微元件的需求也显得越来越迫切。微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物、医疗装备、光学以及微电子(包括移动通信和电脑组件)等都有大量的需求。然而，并非每种应用在微机电系统或微机械上的微元件都能利用集成电路技术生产出来，因此新的材料和新的微制造技术以及微切削技术陆续被研究发展出来。

2 尺度划分对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m～10-9m之间的尺度属于量子力学研究范畴；10-9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；10-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。 如图1所示，精密加工根据工件加工特征的尺度可分为宏尺度加工、中尺度加工和微尺度加工。通常的机械加工大多是指宏尺度加工，零件的技术性能要求反映在宏观尺度或表层结构上，加工特征的尺寸相对较大，加工的范畴较广；微尺度加工是指微纳米加工，主要用精密和超精密加工技术、微细加工技术和纳米加工技术来加工，强调了“极薄切削”和微观结构，加工特征的尺寸相对来说较小，在微米、亚微米和纳米级，研究的重点是物质的微观结构；介于两者之间的称之为中尺度加工或中尺寸加工。 目前有一些机电产品既不像纳米技术中微型机电系统(微型机械)那样小，又不像普通机电产品那样大，为便于区分，可称之为“微小机械”。微小机械的加工特征跨越了多个不同尺度等级(见图2)，既包含10-3m～10-0m之间的微观尺度，又包含10-6m～10-3m之间的介观尺度，还包含10-9m～10-6m之间的纳观尺度。这里应该指出的是，目前大部分微细制造技术所能达到的加工精度还在亚微米至微米范围，相距通常所说的纳米尺度(10-10m～10-7m)还有较大差距。 微小机械无论在国防、航空、航天和民用中都有较大市场，例如微小人造卫星、飞机、机床、汽轮发电机组、车辆、枪械等。从产品发展来看，小型化是其方向之一，如照相机、摄像机、投影仪、手机等都越做越小，而功能却不断提高和完善。因此，微小机械加工理论和技术的研究有着广阔的应用前景。

3 微制造技术目前常用于微机电系统方面的微制造技术(Micromanufacturing)可分为对硅基材料以及非硅基材料的微加工，基本上又可分为四类： 刻蚀技术 该技术利用干刻蚀法、湿刻蚀法或光刻蚀法对被加工材料进行等向或非等向刻蚀去除加工，通常可对被加工材料进行体形微加工(bulk micromachining)或表面微加工(surface micromachining)。刻蚀技术的优点是加工精。