超精密微机械制造技术研究及进展.docx

超精密微机械制造技术研究及进展超精密微机械制造技术研究及进展随着航空航天，国防工业，电子产业，现代医学和生物工程技术的快速发展，对于三维微小零件的精度（其尺寸在微米到毫米级）迫切需求。本文对内涵的整理和叙述，对超精密微机械制造技术国内外的研究现状和发展趋势，并对未来的超精密微机械制造技术的发展趋势进行了总结，为先进制造技术领域的研究和规划我们的未来发展方向。超精密微机械制造技术领域是在第二十世纪 80 年代初期 90 年代逐渐发展的新兴科学领域。它的迅猛发展将在二十一世纪为几乎为所有的工业领域带来翻天覆地变化。微系统与微制造的产品广泛应用于军事，医疗，航空航天，电子等军用和民用领域。本文对其内涵的整理和叙述，超精密微机械制造技术的国内外研究现状和发展趋势，为今后我国先进制造技术研究计划提供可参考的意见。什么是超精密微机械制造技术微制造系统是针对微小机械零件这个特殊加工对象，采用系统的，集成的理论和技术，根据工件结构和具体要求把供料、加工、检测、搬运等步骤有效的融合起来，在狭小的空间内对微型零件进行制造。它的目地是实现“小零件用小机床加工”的概念，不同于 MEMS 微制造技术和方法。它必将成为非硅材料的加工（如金属，陶瓷等）的最有效的小零件的加工方式，可以从根本上解决了小型零件的加工难题。超精密微机械制造技术重点研究的对象尺寸在 10m 10mm，处理复杂的几何形状的小部件。具有能耗低，体积小，生产灵活，效率高。降低了制造系统及零件的尺寸，不仅节省能源，还节省了生产空间和资源，符合节能，环保的生产方式，是绿色制造业的发展方向。国内及国外研究现状及发展趋势2.1.微机械加工设备的技术目前，国内已有多所高校对微小制造系统，微小切削技术领域展开研究。已获得一些令人可喜的成就。哈尔滨工业大学精密工程研究所于 2007 开发的一个小型超精密三轴数控铣床，主轴最高转速160000 RPM，回转精度达到 1 米，工作台定位精度达到 0.5 米/75mm，重复定位精度达0.25m，刀具采用进口的刀具，最小可达到 0.15mm。北京理工大学研发的用于引信机构微小型金属承载构件加工的精密微小型车铣加工中心，针对于对微小型构件三维加工和高频群脉冲电加工技术研究，c 轴转速 8000rpm，铣头主轴转速 60000rpm，可以四轴联动，重复定位精度已达到国际先进水平。清华大学，南京航天航空大学，北京航空精密机械研究所都积极开展针对微型机床研究。此外，在香港城市大学开发的建模与西北工业大学合作，对微制造系统仿真进行研究。长春理工大学一直在精密和超精密加工技术中微细切削加工与微机械制造技术、微磨擦磨损机理、激光精密加工技术、硬脆材料精密加工技术、微光机电一体化技术方面进行长时间的研究，。在微加工和微摩擦磨损机理的研究的基础上，成功地研发了微切削功能的微摩擦磨损测试机，主轴转速 6000rpm，旋转精度达到了2 米，1 米的进给精度，微磨擦测力传感器使用了双平衡机构，从而实现了同时测定正压力和摩擦力；利用仪器的模块化设计，可使摩擦测量头与微切削刀头更换，从而实现微切削作用，对微切削的机理进行研究。在激光精密加工技术方面，于 2005 开发出特殊材料的微型零件精密激光去除的装置，机器的加工精度已达到微米级。在微传感器技术测试技术和微控制技术等领域开展了一系列的研究，并取得了一系列令人可喜成果，为微处理单元和微制造系统的设计，制造，积累了一定的宝贵经验。2.2.特殊工艺超精密加工需要在洁净的环境中才可进行的，其中蚀刻技术的关键特征，一般用在光刻，微机械元件的硅衬底上形成光摄影，生成零件的几何形状，进一步的处理，方法：2.2.1.刻蚀方法。腐蚀是形成微机械深加工的主要途径。首先把光刻之后的硅用腐蚀剂侵蚀，移除牺牲层保留处理层，制作成工件，再经过清洗后得到的工件。腐蚀法有湿式和干式两种方法，干法分为离子法和激光法，而湿法分为溶液法和阳极法。而溶液法由于操作简单，使用成本低廉，处理效果好，加工范围广而被广泛使用。常见的腐蚀剂溶液有 EDP，KOH，H2N2 三种，按照比例，对腐蚀速率及温度的控制，使其生成掩膜 SiO2 或 Si3N4，从而满足硅体蚀刻的选择性，掩蔽，超精密的高水平的各向异性。激光腐蚀法则是通过调整激光蚀刻的辐射剂量，几乎任何形状的微机械结构都可以此方法加工，这是其他腐蚀法所办不到的。2.2.2.沉积的方法。沉积过程中，外延生长是一种常见的技术。此技术的特点是将外延生长层与基底材料保持相同的结晶取向，这极大的提高了材料外延长层纵向或是横向的加工能力，以产生所需的结构，把添加硼技术结合硅外延生长技术结合起来，可以生产高精度立体微机械零件。三维微机械 LIGA 技术沉积技术和光刻技术的结晶工艺，它采用 X 射线，使波长保持在 0.1-1 纳米，对涂覆在底部