吴超 任梦羽

摘 要：本文首先对微细切削加工进行了概述，介绍了微细加工特点及加工机理，最后对微细切削加工技术的应用及发展现状和前景做了详细阐述。通过本文可以明确微细加工技术的重要位置以及未来发展的方向。

关键词：微细加工 加工机理 微细加工机床 微细加工刀具

中圖分类号：TG66

前言

随着航空航天、国防工业、现代医学以及生物工程技术的发展，对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性的要求越来越高，从而使得对特征尺寸在微米级到毫米级、采用多种材料、且具有一定形状精度和表面质量要求的精密三维微小零件的需求日益迫切。然而，目前用于微小型化制造的主要是MEMS技术，它集中于由半导体制造工艺发展而来的工艺方法和相关材料，加工材料单一[1]。同时MEMS技术趋向于制作平面微机械零件和MEMS器件，对任意三维微小零件的加工限制很大。采用微细切削技术可以实现多种材料任意形状微型三维零件的加工，弥补了MEMS技术的不足，所制作出的各种微型机械有着日益广阔的应用前景。

1 微细加工的概述

微细加工是指对小型工件进行的加工。微细加工通常用在医疗器械领域和电子领域。由微细加工工艺生产的零件通常需要用显微镜来观察。微细加工一般在专门进行微小件或精密加工的车间进行。[2]

从广义角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子加工，外延生产，激光加工，电子束加工，离子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义角度来讲，微细加工主要指半导体集成电路制造技术。因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代，微电子时代，光电子时代的关键技术。

2 微细切削加工的机理

微切削时切削厚度通常都在微米级0.1-200um，切削刃刃口圆弧半径通常也在微米级别。不同于宏观切削，微切削中切削厚度和切削刃刃口圆弧半径的比值成为一个不可忽略的变量，切削刃刃口圆弧不可视为锋利。微切削特别是微统削过程中切削厚度有时甚至小于切削刃刃口圆弧半径，这时主要由微刀具来挤压推动切削刃前方的工件材料流动形成切屑。由于切削厚度和切削刃刃口圆弧半径比值的影响，宏观切削的加工机理已不适用于微切削，导致微切削有着自己独特的材料去除机理，主要表现在微切削过程中的最小切削厚度、单位切削力的尺寸效应、表面完整性的尺寸效应和毛刺高度的尺寸效应等。这些尺寸效应是目前研究微切削加工的关键科学问题。[3]

3 微细切削技术研究进展

微细切削技术是一种兼顾加工效率和产品质量的先进制造技术，能够适应微机械零件材料多样化、结构三维化、批量柔性化的产品要求，在加工微小型零件方面具有较大成本优势和工艺优势，是目前国内外研究的热点和重点。[4]

3.1 微细加工机床的研究

微细切削加工技术具有单项技术的极限、常规技术的突破和高新技术的综合三个方面的特点。微细切削加工机床是微细切削加工最重要、最基本的加工设备。其关键部件是主轴及其驱动系统、导轨及其驱动系统、检测装置和微进给机构等。为达到很小的进给量，需要各轴能实现足够小的微量移动，微量移动应可小至几十纳米。应具备高灵敏、高精度跟踪性能的伺服进给系统、低热变形结构设计、高主轴转速、高定位精度、稳定的床身构件以及刀具的稳固夹持和高的重复加持精度。[5]

1970年，日本Dutta等人提出微型机床概念但没有被广泛接受。之后日本微机械中心推行了一个微制造技术研究计划。该计划以桌面工厂的新概念为研究背景，一批微小型机床纷纷亮相，最初开发的微型机床如图1所示：

该微型车床整体尺寸为32mm×25mm×30.5mm。整体质量仅有100g；XY工作台运动由压电驱动器驱动；主轴电机额定功率为1.5W，最高转速能达到10000r/min；该车床能加工的工件最小直径能达到60um。

哈尔滨工业大学研制的三轴联动微小型超精密微细铣削机床如图2，整体布局为龙门架结构，机床外形尺寸为600mm×500mm×700mm，三轴的工作行程均为75mm。整个数控系统的核心是PMAC卡，这个机床系统是闭环负反馈系统，采用的光栅分辨率为5um。经过调试，三轴的定位精度达到0.25um，重复定位精度达到0.2um。

3.2 微细加工刀具研究

在微细切削加工时，使用的刀具必学具备下列条件：刀具刃口的锋利性，切削加工刀具的耐磨损性，刀具刃口要有足够的强度。

目前用于微细切削加工的超硬刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼和陶瓷等、单晶金刚石刀具。微细形状的切削由于很难在切削后再进行精加工，因此需要利用刀尖部不会发生变化的“无损刀具”加工至最后。上述刀具材料因硬度高而难以进行刀具成型，要实现微小直径，必须找到高精度、高效率的刀具成型法。日进工具有一款通过研磨成型的直径为30um的方形立铣刀，为最大限度的确保截面面积，采用了将圆柱削去一部分的切削刃形状。如图3所示。

4 结论

微细加工技术是精密加工技术的一个分支，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发，所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。

参考文献

[1] 傅惠南，纳米切削实验研究，中国机械工程，2001，12（8）：65-69

[2] 黄燕华，董申，袁光辉，张昭瑞，罗青，微细电极精密车削技术，电加工与模具，2003，15（4）：14-16

[3]于化东.超精密微机械制造技术研究进展[J].长春理工大学学报（自然科学版），2008，31（3）：1-4

[4] 邹济林 微细切削加工及其相关技术[J]1机械制造，1998，20（11）：7 -81

[5] 赵炳祯1微细切削加工的应用前景[J]1工具展望，2002（4）：88 -921