超精密微機(jī)械制造技術(shù)研究進(jìn)展

宋濤

【摘要】 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)防領(lǐng)域、微電子工業(yè)領(lǐng)域、生物工程以及太空機(jī)械領(lǐng)域也是步入了空前的發(fā)展階段，對(duì)設(shè)備的的精密多維細(xì)微零件的要求也是日漸苛刻。三維微小零件在結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和零件表面的特異性、多樣性、高精度、高質(zhì)感也是成為了三維細(xì)微零件和微型設(shè)備的裝置最為標(biāo)志性性的特征，在材料使用、功能鑒定、使用年限、可靠性等方面要求也是非常之高，筆者從超精密微機(jī)械制造技術(shù)的含義、國(guó)內(nèi)研究成果、發(fā)展現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)對(duì)超精密生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行整理和歸納，對(duì)超精密微機(jī)械制造技術(shù)做出大膽的未來(lái)趨勢(shì)走向，為以后國(guó)家的超精密技術(shù)研究和生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】超精密；微機(jī)械制造；三維細(xì)微零件；

引言

超精密微機(jī)械的主要發(fā)展時(shí)期還是集中于21世紀(jì)，微機(jī)械的不斷進(jìn)步在使得人們生活質(zhì)量不斷提高的同時(shí)它的迅猛發(fā)展將在 21 世紀(jì)中后期促使所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生一場(chǎng)革命性的變化。超精密微機(jī)械又稱(chēng)作“三微制造技術(shù)”由微電子器件制造、微機(jī)電系統(tǒng)制造和微光電子器件制造三個(gè)領(lǐng)域構(gòu)成，目前世界內(nèi)的微型無(wú)人機(jī)、超速高空飛行器、四代機(jī)等均由三微技術(shù)在獨(dú)立支撐，而且，微機(jī)電系統(tǒng)及微機(jī)電器件是機(jī)載設(shè)備發(fā)展的主要方向之一。

1. 超精密微機(jī)械制造技術(shù)的內(nèi)涵和應(yīng)用

1.1 內(nèi)涵

超精密微機(jī)械制造（Micromanufacturing）系統(tǒng)是建立在以微小機(jī)械零件（以微米、納米計(jì)）加工制造為研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，利用集成化、系統(tǒng)化的理論與技術(shù)，根據(jù)三維微小零件在結(jié)構(gòu)、材料、尺寸和零件表面的特異性、多樣性、高精度、高質(zhì)感的要求進(jìn)行有機(jī)的制造和組合優(yōu)化，在較小的空間內(nèi)完成整體機(jī)械的組裝。其目的就是實(shí)現(xiàn)“小機(jī)床加工小零件”的理念，是有別于 MEMS 的微制造方法與技術(shù)。

美國(guó)WTEC（World Technology Evalua-tion Center）對(duì)其含義定義為：可加工各種不同材料（包括半導(dǎo)體材料以外的）、具高精度（10-3～ 10-5m）及微尺寸零件 （10um～10mm）的 3D 非光刻材料的加工；

日本東北大學(xué)廚川研究室定義為：最小尺寸在亞毫米級(jí)（Sub-mili），精度約在亞微米級(jí)（Sub-micron）微小零件的加工。主要分為磨料加工、切削加工以及其它加工三大類(lèi)；

歐盟4M研發(fā)組的定義則簡(jiǎn)單很多，定義為：指可制作各種不同材料的各種微細(xì)加工及成形制造。

1.2 應(yīng)用

超精密微機(jī)械技術(shù)及其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空、航天、電子領(lǐng)域、國(guó)防領(lǐng)域等方面；醫(yī)療領(lǐng)域主要包括有：血管擔(dān)架和支架、生物智能芯片、血管微生物、微小型外科手術(shù)、器官機(jī)器人等方面；航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：衛(wèi)星的小部件制造、微衛(wèi)星的制造、微機(jī)械能量推進(jìn)系統(tǒng)、激光陀螺等方面；電子領(lǐng)域則包括有：微機(jī)械馬達(dá)、電子封存、微型裝配和微型夾持等技術(shù)方面；國(guó)防軍事領(lǐng)域主要有：隔空的彈藥引信、微型導(dǎo)彈定為發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)元件、微星傳感設(shè)備、微光防控系統(tǒng)等方面。從木目前的發(fā)展現(xiàn)狀上來(lái)看，微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)是發(fā)展微型飛機(jī)的核心技術(shù)，想要進(jìn)一步發(fā)展微型機(jī)械的制造技術(shù)和微機(jī)械的發(fā)展更新，就必須發(fā)展航空微機(jī)電系統(tǒng)制造技術(shù)， 建立相應(yīng)的研究開(kāi)發(fā)基地， 逐步形成航空微機(jī)電制造產(chǎn)業(yè)。

2. 發(fā)展動(dòng)態(tài)

2.1 國(guó)內(nèi)外的研究成果

超精密微機(jī)械加工設(shè)備技術(shù)上日本也是一直處于世界的前言地位，在2004年和2010年FANUC 公司分別推出了ROBOnano超高精密微加工機(jī)床，這一機(jī)床具備了3D多維自由曲面加工生產(chǎn)的能力，從系統(tǒng)上解決了超高精密微切削加工技術(shù)上的難題。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)加之該機(jī)床獨(dú)配的摩擦驅(qū)動(dòng)蠕動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪主軸和完美刀架，使得儀器的蠕動(dòng)型微滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)摩擦力驅(qū)動(dòng)，并精準(zhǔn)度定為在24nm，通過(guò)優(yōu)化機(jī)械的驅(qū)動(dòng)模式，也實(shí)現(xiàn)了400 m/s 的平滑進(jìn)給，雖然主軸的電機(jī)耗能只有1.5W，但轉(zhuǎn)速卻依舊保持10，000rpm及以上。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者通過(guò)研究ROBOnano超高精密微加工機(jī)床，也是取得了一定的、卓見(jiàn)成效的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所在2008年研究制造出小型超精密三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床，其主軸轉(zhuǎn)數(shù)遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)的一般水準(zhǔn)最高轉(zhuǎn)數(shù)高達(dá)160，000rpm，同時(shí)，工作臺(tái)位置精度達(dá)±0.5 um /75mm、回轉(zhuǎn)精度達(dá)1um、刀具的最小直徑更是達(dá)到了0.15mm。北京理工大學(xué)研發(fā)的超精密微小型車(chē)銑加工機(jī)械實(shí)現(xiàn)了超微小部件的三維加工和高頻群脈沖電加工技術(shù)，銑頭主軸 的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到60000rpm，還可以四軸聯(lián)動(dòng)，重復(fù)定位方面的精度定為超過(guò)國(guó)際同類(lèi)水平。長(zhǎng)春理工大學(xué)通過(guò)細(xì)切削加工與微磨擦磨損機(jī)理不斷的研究和努力，在2009年成功研制了微機(jī)械小部件微小切削功能的微摩擦磨損測(cè)試儀，主軸的最改好轉(zhuǎn)速達(dá)到了6000rpm、進(jìn)給精度達(dá)到±1 um、回轉(zhuǎn)精度也是達(dá)到了世界水準(zhǔn)±2u m。與此同時(shí)，北京航空精密機(jī)械研究所、清華大學(xué)機(jī)械制造研究所、西北工業(yè)大學(xué)與香港城市大學(xué)也是在超精密微機(jī)械領(lǐng)域上下足了功夫，并取得一定的成果。

2.2 微切削基礎(chǔ)理論

隨著微機(jī)械的不斷發(fā)展，切削加工方法加工介觀尺度零件的工藝技術(shù)越來(lái)越受到廣大學(xué)者的追捧和焦點(diǎn)；所以，如何深入研究微切削過(guò)程弄清切屑形成機(jī)理、如何理解和剖析切屑形成的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)過(guò)程等關(guān)鍵問(wèn)題也是被廣泛的提出，故而最小切削極限的概念也是應(yīng)運(yùn)而生。最小切削極限的概念是指：切深或進(jìn)給必須超過(guò)某一臨界值，才能形成切屑，研究者們通過(guò)有限元法分析或利用切削實(shí)驗(yàn)來(lái)估計(jì)，然后利用有限元分析正交切削中刀具鈍圓半徑的影響。

3. 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)在超精密微機(jī)械制造基礎(chǔ)理論、集成技術(shù)、加工技術(shù)、系統(tǒng)理論等方面與日本、美國(guó)等強(qiáng)國(guó)之間存在著一定的差距，還有很多需要去凾待研究解決的問(wèn)題和矛盾，特別是在除去醫(yī)藥、防控、航天等方面外更加貼切實(shí)際的實(shí)用化微機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)。微機(jī)械的研究還應(yīng)該投入更多的精力和資金，為最大程度的實(shí)現(xiàn)微機(jī)械的發(fā)展和進(jìn)步做好雄厚的實(shí)力基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為中國(guó)以后的微機(jī)械發(fā)展重點(diǎn)會(huì)慢慢轉(zhuǎn)移到以下方面：微切削加工技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性評(píng)價(jià)、微切削機(jī)理、微切削應(yīng)用技術(shù)、微切削工藝研究、實(shí)用化微制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理方法與相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究。

4. 結(jié)語(yǔ)

MEMS生產(chǎn)制造技術(shù)是近幾年來(lái)被廣泛關(guān)注的新興科學(xué)，被廣泛的營(yíng)運(yùn)與國(guó)家安全、國(guó)家交流和時(shí)代進(jìn)步當(dāng)中去，我們要清楚的認(rèn)識(shí)到，因?yàn)閭€(gè)國(guó)家之間的起步時(shí)間相差不大，所以在為我們打開(kāi)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)、加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外微機(jī)械制造知識(shí)的交流提供了良好的機(jī)遇。超精密微機(jī)械的專(zhuān)用型非常強(qiáng)，固有的操作系統(tǒng)很長(zhǎng)時(shí)間都可能不會(huì)產(chǎn)生變更，但是社會(huì)人士更加關(guān)注的是微機(jī)械的成品更多的應(yīng)用于實(shí)際的生活當(dāng)中。技術(shù)是人類(lèi)不斷進(jìn)步的結(jié)晶，我們要充分利用國(guó)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)， 在質(zhì)量、性能、價(jià)格、維修等方面下功夫， 迅速占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)， 并可能利用價(jià)格的優(yōu)勢(shì)打入國(guó)際市場(chǎng)。相信在微機(jī)械的不斷進(jìn)步下，人類(lèi)文明將掀開(kāi)一片更加廣闊的天空，中國(guó)的綜合實(shí)力也會(huì)更加強(qiáng)勁一分。

5. 參考文獻(xiàn)

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