武汉工程职业技术学院毕业论文课题名称机加工细微加工技术概述及其应用学生姓名陈凯 .学号1104180317专业模具设计与制造班级 2011级模具三班指导教师秦丽萍年月日目录摘要 (3)引言 (4)第一章微细加工技术简介及国内外 (5)1.1 (5)1.2 (9)第二章微细加工技术应用实例 (11)2.1 (11)2.2 (13)总结 (15)参考文献 (16)3 微细加工技术概述及其应用摘要：微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法，现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面，电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工，从微细加工的发展来看，美国和德国在世界处于领先的地位，日本发展最快，中国有很大差距。

本文从用电火花加工方法加工微凹坑和用微铣削方法加工微小零件两方面描述了微细加工技术的实际应用。

关键词：微细加工；电火花；微铣削引言：随着科学技术的发展，近年来在IT 、医疗器械以及通讯领域，人们对微小型零件(如：微型传感器、微型加速度计、微透镜阵列等)的需求日益增加。

这种需求的增加促进了微细加工技术的发展。

在目前的多种微细加工技术中，微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem ，MEMS)一直是主流技术之一。

由于MEMS 技术衍生于微电子技术，它的主要加工对象被限制在硅基材料上，并且工件的几何形状基本上是简单的二维形状，因而只有在大规模集成电路的批量制造等方面才是经济的。

微细切削加工技术，特别是微细铣削作为MEMS 技术的补充，由于其几乎不受加工对象材料和几何形状的限制而受到研究人员的重视，正在成为微细加工技术中的新生力量。

近年来，采用传统的机械加工方法而进行微细制造的研究越来越受到人们的重视，针对特征尺寸在410~10m 所谓中间尺度微小机械零件的微细切削制造成为一大研究热点，其原因是机加工具有几大优势：1加工精度高；2生产效率高、灵活；3能加工任意三维特征的零件；4能加工包括钢在内的多种材料；5 1微细加工技术简介及国内外研究成果1.1微细加工技术的概念微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。

在微机械研究领域中，从尺寸角度，微机械可分为1mm~10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~1μm的纳米机械，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。

广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。

从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性和热处理或表面改性等。

微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。

目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。

现代微细加工技术已经不仅仅局限于纯机械加工方面，电、磁、声等多种手段已经被广泛应用于微细加工，微细超精密加工的主要方法如下：微细电火花加工技术的研究起步于20世纪60年代末，是在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时、局部高温来熔化和汽化蚀除金属的一种加工技术。

由于其在微细轴孔加工及微三维结构制作方面存在的巨大潜力和应用背景，得到了高度重视。

实现微细电火花加工的关键在于微小电极的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。

微细切削技术是一种由传统切削技术衍生出来的微细切削加工方法，主要包括微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。

微细车削是加工微小型回转类零件的主要手段，与宏观加工类似，也需要微细车床以及相应的检测与控制系统，但其对主轴的精度、刀具的硬度和微型化有很高的要求。

图1.1为用单晶金刚石刀头加工的微型丝杠。

微细钻削的关键是微细钻头的制备，目前借助于电火花线电极磨削可以稳定地制成直径为10um的钻头，最小的可达6.5um。

微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产效率高，便于扩展功能，对于微机械的实用化开发很有价值.图1.1微细磨削是在小型精密磨削装置上进行的，能够从事外圆以及内孔的加工。

已制备的微细磨削装置，工件转速可达2 000 r／min，砂轮转速为3 500r／min，磨削采用手动走刀方式。

为防止工件变形或损坏，用显微镜和电视显示屏监视着砂轮与工件的接触状态。

微细磨削加工的微型齿轮轴，材料为硬质合金，轮齿表面粗糙度可达到Ra0.049 um。

微机械元件的加工很多情况下要完成三维形体的微细加工，需要采用不同的蚀刻技术。

蚀刻的基本原理是在被加工零件的表面贴上一定形状的掩膜，经蚀刻剂的淋洒并去除反应产物后，工件的裸露部分逐步被刻除，从而达到设计的形状和尺寸。

根据沿晶向的蚀刻速度分为等向蚀刻与异向蚀刻。

若工件被蚀刻的速度沿各个方向相等则为等向蚀刻，它可以用来制造任意横向几何形状的微型结构，高度一般仅为几微米。

所谓微细电解加工是指在微细加工范围内(1～l 000 nm)，利用金属阳极电化学溶解去除材料的制造技术，其中材料的去除是以离子溶解的形式进行的，在电解加工中通过控制电流的大小和电流通过的时间，控制工件的去除速度和去除量，从而得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。

加工间隙的大小直接影响微细电解加工的成形精度与加工效果，通过降低加工电压、提高脉冲频率和降低电解液浓度，电解微细加工间隙可控制在10um以下。

图1.2是用幅值为2 V、脉宽为3S、频率为33 MHz的脉冲电源在镍片上加工深为5um的螺旋槽，使用的电解液为0．2 mol／L的HCL溶液，其加工间隙为600nm，表粗糙度度100 nm。

图1.21.1.1什么是微切削加工技术7 微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式,而且不受材料的限制[1],使CNC加工中心可实现2D、215D 简单特征到复杂3D曲面零件的微加工,通过使用此法加工出的微小模具可达到批量生产的目的。

1.1.2微切削的加工范畴(1) 微切削指加工尺寸在1mm以下、精度为0.01—0.001mm零件的切削加工。

(2) T.MasuzaWa定义微切削为切削厚度小于999um的切削过程[2]。

试验中他把切削厚度选择在1—200um。

(3) 国际生产工程协会CIRP物理化学科学制造过程会议把加工尺度定义在1—500um。

(4) A. Simoneau认为微切削定义应从切削特点上真正反映微切削与宏观切削的分别,尺度效应的出现。

(5) Subbiah.S认为微切削是以下三种情况下的微量材料去除过程:一是微小产品及部件的加工过程；二是制造大型工件上的微小、复杂结构;三是在大型工件上制造精密的光滑表面。

因此微切削并不完全需要微小尺寸的刀具，用宏观切削中的刀具也可以做到微切削[5]。

1.1.3．微切削影响因素(1) 尺寸效应与宏观切削不同,对于微细切削来讲,切削力与切削能量都会随着材料的去处量的减少而减少,中外很多者都对此进行了大量的实验验证,此外当微切削进给量减少到微米级别时, 切削力会出现急剧增大的现象, 此类现象归结为微纳尺度切削中的尺寸效应。

与常规尺度切削相比, 微细切削时, 刀具前刀面参与切削的面积减小, 刀刃附近区域将承担主要的材料去除工作, 此时刀具刃口半径对于切削变形和材料去除的影响不容忽视; V ogler与K i m等人[12-13]通过实验验证了最小切削厚度对切削厚度堆积的影响,他们发现在微细加工中,当进给量小于切削厚度时, 刀具经过工件, 工件表面仅发生弹性变形, 而不是常规的切削, 随着切削进给量的增加,当刀具刀刃半径与切削进给量大小相当时刀具在工件表面产生耕切现象, 此时工件产生弹塑性变形;当进给量增大到远大于刀具刀刃半径时, 此时刀具在切削中可视为锋利。

(2) 切削速度很多学者都在微细切削实验中采用高速钢、硬质合金或者金刚石材料刀具对工件进行切削,硬质合金刀具硬度高, 切削力较小,但成本较高速钢高出很多,较前两者来说金刚石刀具切削最为锋利。

除去切削液消除积屑瘤对微细切削的影响, 这几种刀具在不同切削速度下反应出切削力的规律也是不一样的。

G. Bissacco等人[14]通过大量实验发现由于前刀面的切削区域的变形及摩擦在整个切削中所占的比例较小,导致硬质合金刀具与高速钢刀具在切削时,切削速度对切削力影响并不明显; 同时由于两种材料的刀具刀刃半径较金刚石刀具大, 刃口圆弧部分对加工面所产生的挤压所占的比例较大, 从而使得切削速度对切削力的影响更小, 所以高速钢与硬质合金刀具用于微细切削时,切削速度对切削力的影响并不明显。

金刚石刀具刀刃半径较硬质合金和高速钢刀具小很多, S . S . Joshi等人[15]通过实验发现金刚石刀具随着切削速度的增加切削力下降, 且切削速度对于切削力的影响取决于最小切削厚度与刀具刀刃半径的比值。

(3) 主轴转速微细加工中,主轴转速对于微切削的影响也是不可忽视的。

Ya zhou Sun , Qing xin , Meng等人通过大量实验,发现在微细切削中主轴转速对于切削力的影响是有一定规律的。

91.2微细加工技术的研究现状从国际上微细加工技术的研究与发展看，主要形成了以美国为代表的硅基MEMS 制造技术，以德国为代表的LIGA 制造技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等主要流派。

他们的研究与应用情况基本上代表了国际微细加工的水平和方向。

在美国，以Moore公司和Precitech公司为代表，专门从事超精密加工技术研究和装备生产；在欧洲，英国Cranfield大学的超精密工程中心(CUPE)是世界著名的超精密加工技术研究单位之一；日本对超精密加工技术的研究相对美、英、德来说起步较晚，却是当今世界发展最快的国家。

日本通产省工业技术院机械工程实验室(MEL)于1996 年开发了世界上第一台微型化的机床－微型车床[3]，长32mm、宽25mm、高30.5mm，重量为100g，主轴电机额定功率为1.5W，转速10000r/min。

用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度值为Rz1.5μm，加工工件的圆度为2.5μm，最小外圆直径为60μm。

切削试验中的功率消耗仅为普通车床的1/500。

MEL 开发的微细铣床，长170mm、宽170mm、高102mm，主轴用功率为36W 的无刷直流伺服电机，转速约为15600r/min。