基于涂覆技術(shù)的微小零件精密加工復(fù)合方法研究

胡小秋 吳笑天 袁軍堂 于斌斌

南京理工大學(xué)，南京，210094

基于涂覆技術(shù)的微小零件精密加工復(fù)合方法研究

胡小秋 吳笑天 袁軍堂 于斌斌

南京理工大學(xué)，南京，210094

分析了微小零件精密加工常用的方法及存在的問題，提出了基于涂覆技術(shù)的微小零件精密加工復(fù)合方法，并論述了其基本思想、工藝路線及研究意義，討論了其關(guān)鍵技術(shù)。該精密加工復(fù)合方法集成了精密加工技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和表面涂覆技術(shù)等，將去除加工與累積加工兩種加工方式相結(jié)合，先切削后涂覆，可達(dá)到精密加工的技術(shù)要求，保證了加工精度和表面質(zhì)量的同步提高。

微小零件；精密加工；涂覆技術(shù)；復(fù)合方法

1 微小零件精密加工常用的方法及存在的問題

隨著微小零件的廣泛應(yīng)用，對(duì)其加工精度的要求也不斷提高。現(xiàn)有的各種成形加工方法難以滿足對(duì)工件材料、加工精度、生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本的諸多要求，探索一種低成本、高效率的微小結(jié)構(gòu)件超精密復(fù)合加工新方法具有重要意義［1］。

按成形方式的不同，加工可分為去除加工、變形加工及累積加工三種方式［2］。微小零件制造精度介于MEMS技術(shù)［3］與傳統(tǒng)精密以及超精密加工技術(shù)之間。微小零件的制造技術(shù)主要有以下三種：

（1）比較成熟的以硅微工藝和LIGA技術(shù)［3］為代表的微電子技術(shù)，即MEMS技術(shù)。這種加工技術(shù)屬于去除加工方式，主要用于半導(dǎo)體材料加工，可實(shí)現(xiàn)零件的大批量生產(chǎn)。但存在著材料去除率較低、加工設(shè)備昂貴、加工材料單一等問題，且三維構(gòu)件加工能力較差。

（2）以傳統(tǒng)精密機(jī)械加工為背景的制造技術(shù)，如精密車削、銑削加工等。該技術(shù)也屬于去除加工方式，但對(duì)材料的適應(yīng)性較強(qiáng)，而且有利于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工，因此廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械、電子和光學(xué)等領(lǐng)域。但這種加工技術(shù)難以滿足被加工零件特征尺寸較小的情況［3］。

（3）一些微細(xì)特種加工技術(shù)，如微細(xì)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)、微細(xì)超聲電火花復(fù)合加工技術(shù)等。這種技術(shù)既包括超聲波微細(xì)加工和聚焦離子束等材料去除加工技術(shù)，也包括電沉積、激光焊接等附著、結(jié)合（累積）或變形加工技術(shù)［4］。這些加工方法適應(yīng)性廣，但其加工機(jī)理較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

不同的加工技術(shù)有其不同的特點(diǎn)、加工能力和適用范圍。由于微小結(jié)構(gòu)件的尺寸小以及三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的精密、超精密加工技術(shù)時(shí)對(duì)機(jī)床、刀具以及夾具等提出了更高的要求，很難達(dá)到預(yù)期的加工精度和表面質(zhì)量［5－6］。鑒于微小零件精密加工常用的方法及存在的問題，本文提出一種微小零件精密加工的復(fù)合方法。

2 微小零件精密加工的復(fù)合方法

2.1 表面涂覆技術(shù)

表面涂覆技術(shù)是在基質(zhì)表面上形成一種膜層的技術(shù)。涂覆層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)可以和基質(zhì)完全不同。表面涂覆技術(shù)包括電化學(xué)沉積、化學(xué)沉積、氣相沉積、堆焊與熱噴涂等［4］。表面涂覆是累積加工的一種方式，常用的表面涂覆加工方式有電刷鍍、電弧等離子噴涂、PVD－離子鍍等［7］。其中，離子鍍屬于物理氣相沉積，是指在真空的條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離子化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)離子的轟擊作用下，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)物沉積在基底上。PVD－離子鍍具有膜層附著力強(qiáng)、可鍍材料廣泛、沉積速度快（0.1～50μm／min）、沉積溫度低等顯著優(yōu)點(diǎn)［8］。

2.2 涂覆技術(shù)的新用途

一般零件中，涂層多用來改善零件的表面質(zhì)量，提高防護(hù)性能和機(jī)械性能，增加美觀，而對(duì)零件的尺寸精度不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。但微小結(jié)構(gòu)零件中，涂層厚度將改變零件的尺寸和形狀，而涂層厚度能夠精確控制到納米級(jí)，因此，只要采用合適的方法精確控制涂層的厚度，就可以將微小零件的尺寸精度提高到納米級(jí)，從而控制零件的制造精度和表面質(zhì)量［9］。目前，精密／超精密加工技術(shù)以及涂層技術(shù)相對(duì)比較成熟，精密加工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)加工精度一般可達(dá)微米級(jí)，涂層厚度可以精確控制在納米級(jí)。這兩種技術(shù)的綜合運(yùn)用，為微小零件的微納級(jí)精度制造技術(shù)的創(chuàng)新提供了可能。

2.3 微小零件精密加工復(fù)合方法的基本思想

基于尺寸鏈理論與精度理論，綜合運(yùn)用切削加工技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和精密可控表面涂層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)先“－”（切削加工去除材料）后“＋”（涂覆加工添加材料）進(jìn)行精密加工。放大微小零件的制造公差或調(diào)整其基本尺寸，先按照精密切削（磨削）的經(jīng)濟(jì)加工精度進(jìn)行加工，在進(jìn)行精密測(cè)量的基礎(chǔ)上，通過精密控制涂層的厚度對(duì)零件尺寸進(jìn)行補(bǔ)償，將零件的最終精度由原來取決于機(jī)械加工改為取決于涂層的最小厚度（公差），使得微小零件的制造精度得以大幅度提高。

2.4 研究意義

研究微小零件精密加工的復(fù)合方法的意義主要在于以下三點(diǎn)：

（1）開創(chuàng)了微小結(jié)構(gòu)件微納制造的新方法。根據(jù)微小零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，用較低的成本完成精密去除加工，在精密測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用精密涂覆技術(shù)補(bǔ)償零件的尺寸及其精度，開創(chuàng)了一種微小結(jié)構(gòu)件微納制造的新方法，提供一條經(jīng)濟(jì)合理的新途徑。

（2）實(shí)現(xiàn)了精度和表面質(zhì)量的同步提高。精密加工技術(shù)與精密涂層技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，把精密涂層技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)微小零件微納制造精度的最后一道工序，根據(jù)微小零件的設(shè)計(jì)要求確定合適的涂層材料和工藝，使零件制造精度和表面質(zhì)量得到同步提高。

（3）多項(xiàng)技術(shù)的集成。集成精密加工、精密測(cè)量技術(shù)以及精密涂層等多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，綜合運(yùn)用去除加工與累積加工兩種方式，發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3 微小零件精密加工復(fù)合方法的工藝路線

3.1 支撐理論及技術(shù)

微小零件精密加工復(fù)合技術(shù)涉及面廣，是多項(xiàng)理論和技術(shù)的集成。該技術(shù)特別有賴于尺寸鏈理論、精度理論、精密加工技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)及表面涂覆技術(shù)的支撐，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)及測(cè)試技術(shù)等的支持。

3.2 工藝路線

如圖1所示，基于涂覆技術(shù)的微小零件精密加工復(fù)合方法包括以下幾道主要工藝階段：

（1）確定零件的最后一道切削（磨削或其他加工方法）工序的工序尺寸及其公差。

（2）切削加工，形成傳統(tǒng)意義上的“不可修復(fù)廢品”。

（3）測(cè)量切削加工工序的實(shí)際尺寸，計(jì)算補(bǔ)償量及涂覆層厚度。

（4）調(diào)整涂覆參數(shù)，進(jìn)行涂覆加工。（5）加工完成。

圖1 微小零件精密加工復(fù)合方法的主要工藝階段

4 微小零件精密加工復(fù)合方法的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

4.1 確定機(jī)械加工工序尺寸及其精度

基于尺寸鏈理論，分析涂層厚度對(duì)加工精度的影響。機(jī)械加工工序尺寸、表面涂層厚度、工件最終尺寸三者之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成尺寸鏈。確定涂層的總厚度時(shí)應(yīng)考慮機(jī)械加工工序的公差、粗糙度及表面缺陷層等主要因素。涂層厚度過大，影響到生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本及使用性能；涂層厚度不足，零件精度及表面質(zhì)量得不到提高，達(dá)不到涂覆目的。

4.2 正確處理工藝尺寸鏈的負(fù)公差問題

兩道工序的工序尺寸之“和”為工件最終尺寸。通常機(jī)械加工工序尺寸與涂層厚度為組成環(huán)，工件最終尺寸為封閉環(huán)。由于加工工序精度低，而工件最終尺寸精度高，可能會(huì)出現(xiàn)封閉環(huán)公差為零甚至為負(fù)的情況。

處理負(fù)公差的對(duì)策是采用合理工藝順序進(jìn)行尺寸及誤差補(bǔ)償，而不采用擴(kuò)大封閉環(huán)公差的方式。圖2所示的尺寸鏈中，機(jī)械加工尺寸為組成環(huán)（增環(huán)），基本尺寸由測(cè)量所得，公差取決于測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法；涂層厚度也為組成環(huán)（增環(huán)），公差取決于涂覆工序的精度，為納米級(jí)。這樣，組成環(huán)公差之和不大于封閉環(huán)公差，從而解決了負(fù)公差問題，既保證精度要求，又不增加操作難度和加工成本。

圖2 尺寸鏈圖

4.3 選擇合適的涂覆方式和涂覆材料

各種涂覆技術(shù)的基本原理，涂覆過程、涂覆條件和涂覆結(jié)果各不相同，涂覆材料的力學(xué)以及化學(xué)性能也相差很大，與基體的結(jié)合性能也不一樣。涂層與基體材料的結(jié)合性能是涂層技術(shù)優(yōu)劣的重要考核指標(biāo)［5］?，F(xiàn)有研究表明，不同的涂層材料與基體的結(jié)合性能有明顯的區(qū)別。因此，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)件的材料選用不同涂層材料和方法，使其結(jié)合性能達(dá)到使用要求，實(shí)現(xiàn)性能和精度的統(tǒng)一。圖3所示為一種涂覆后的零件（基體材料為40Cr，涂層材料為TiN和CrN）。對(duì)于TiN涂層，采用激光沖擊法測(cè)量其結(jié)合強(qiáng)度，該涂層可承受12J／mm2的激光沖擊，涂層硬度可到達(dá)3000HV，其熱穩(wěn)定性優(yōu)良。

圖3 涂覆后的零件

4.4 涂覆過程中涂層厚度精密控制

在涂覆過程中，涂層厚度將受到工作環(huán)境壓力、基體溫度、涂層材料沉積速率等諸多因素的影響，準(zhǔn)確控制涂層厚度存在較大的困難。涂層厚度的控制主要有兩種方法：一種是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，先采用模擬退火方法對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化，使沉積速度較為穩(wěn)定，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，達(dá)到所需補(bǔ)償量；另一種方式是采用在線測(cè)量，可采用石英晶體振蕩儀，監(jiān)測(cè)厚度范圍0.1nm～999.9μm。通過對(duì)沉積過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證最終的補(bǔ)償量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

精密加工復(fù)合方法涉及了精密／超精密加工、特種加工、表面工程、精密測(cè)量等多項(xiàng)技術(shù)，開創(chuàng)了微小結(jié)構(gòu)件精密超精密制造的一條新路。目前，簡(jiǎn)單微小零件的計(jì)算機(jī)模擬及涂覆試驗(yàn)業(yè)已完成，進(jìn)入測(cè)試階段。前期的大量試驗(yàn)表明，氣相沉積厚度可以達(dá)到微納米級(jí)，表面粗糙度也可以控制在幾納米到幾十納米之間，涂層結(jié)合力與沉積溫度、真空度、氣體分壓比、脈沖偏壓、濺射電流等沉積參數(shù)密切相關(guān)，之間的關(guān)系也正在研究。另外，該復(fù)合方法對(duì)零件使用性能及強(qiáng)度的影響還有待于進(jìn)一步研究。

［1］ 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部.學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告［M］／／（2006～2010年）—機(jī)械與制造科學(xué).北京：科學(xué)出版社，2006.

［2］ 劉克非，張之敬，劉志兵，等.硬鋁材料的微小零件切削加工［J］.輕合金加工技術(shù)，2005，33（9）：48－51.

［3］ 孫雅洲，梁迎春，程凱，等.微米和中間尺度［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（5）：1－6.

［4］ 王先逵.表面工程技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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［6］ 張之敬，金鑫，周敏.精密微小型制造理論、技術(shù)及其應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（1）：49－52.

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Study on Micro－part Precision Machining Complex Method Based on Coating Technology

Hu Xiaoqiu Wu Xiaotian Yuan Juntang Yu Binbin
Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094

The common methods and problems of micro－part precision machining were analyzed herein.Based on the micro－part precision machining of coating technology，a complex method was proposed.The basic idea，process and research significance and the key technologies were discussed.This method integrated the precision machining technology，measuring technology and surface coating technology.Combination of the removal machining and cumulative machining，first cutting then coating achieves the purpose of precision machining，ensures the machining accuracy and surface quality to improve synchronously.

micro－part；precision machining；coating technology；complex method

TH124

1004—132X（2011）01—0028—03

2010—03—25

總裝備部預(yù)研基金資助項(xiàng)目（9140A18070209BQ0222）

（編輯 郭 偉）

胡小秋，男，1968年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)加工技術(shù)及裝備。出版專著1部，發(fā)表論文30余篇。吳笑天，男，1985年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。袁軍堂，男，1962年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。于斌斌，男，1986年生。南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。