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超精密微机械制造技术研究进展

随着社会经济的不断发展，国防领域、微电子工业领域、生物工程以及太空机械领域也是步入了空前的发展阶段，对设备的的精密多维细小零件的要求也是日渐苛刻。三维微小零件在结构、材料、尺寸和零件表面的特异性、多样性、高精度、高质感也是成为了三维细小零件和微型设备的装置最为标志性性的特征，在材料使用、功能鉴定、使用年限、可靠性等方面要求也是非常之高，笔者从超精密微机械制造技术的含义、国内研究成果、发展现状、动态对超精密生产技术进行整理和归纳，对超精密微机械制造技术做出大胆的将来趋势走向，为以后国家的超精密技术研究和生产提供一定的参照依据。
超精密微机械的主要发展时期还是集中于21世纪，微机械的不断进步在使得人们生活质量不断提升的同时它的迅猛发展将在21 世纪中后期促使所有工业领域产生一场革命性的变化。超精密微机械又称作"三微制造技术'由微电子器件制造、微机电系统制造和微光电子器件制造三个领域构成，目前世界内的微型无人机、超速高空飞行器、四代机等均由三微技术在独立支撑，而且，微机电系统及微机电器件是机载设备发展的主要方向之一。
1. 超精密微机械制造技术的内涵和应用
1.1 内涵
超精密微机械制造〔Micromanufacturing〕系统是建立在以微小机械零件〔以微米、纳米计〕加工制造为研究对象的基础上，利用集成化、系统化的理论与技术，依据三维微小零件在结构、材料、尺寸和零件表面的特异性、多样性、高精度、高质感的要求进行有机的制造和组合优化，在较小的空间内完成整体机械的组装。其目的就是实现"小机床加工小零件'的理念，是有别于MEMS 的微制造方法与技术。
美国WTEC〔World Technology eva lua-tion Center〕对其含义定义为：可加工各种不同材料〔包括半导体材料以外的〕、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；
日本东北大学厨川研究室定义为：最小尺寸在亚毫米级〔Sub-mili〕，精度约在亚微米级〔Sub-micron〕微小零件的加工。主要分为磨料加工、切削加工以及其它加工三大类；
欧盟4M研发组的定义则简单很多，定义为：指可制作各种不同材料的各种微细加工及成形制造。
1.2 应用
超精密微机械技术及其产品被广泛应用于医疗、航空、航天、电子领域、国防领域等方面；医疗领域主要包括有：血管担架和支架、生物智能芯片、血管微生物、微小型外科手术、器官机器人等方面；航天航空领域的应用主要有：卫星的小部件制造、微卫星的制造、微机械能量推动系统、激光陀螺等方面；电子领域则包括有：微机械马达、电子封存、微型装配和微型夹持等技术方面；国防军事领域主要有：隔空的弹药引信、微型导弹定为发射系统、光学元件、微星传感设备、微光防控系统等方面。从木目前的发展现状上来看，微机电系统制造技术是发展微型飞机的核心技术，想要进一步发展微型机械的制造技术和微机械的发展更新，就必须发展航空微机电系统制造技术, 建立相应的研究开发基地, 逐步形成航空微机电制造产业。
2. 发展动态
2.1 国内外的研究成果
超精密微机械加工设备技术上日本也是一直处于世界的前言地位，在2004年和2021年FANUC 公司分别推出了ROBOnano超高精密微加工机床，这一机床具备了3D多维自由曲面加工生产的能力，从系统上解决了超高精密微切削加工技术上的难题。这一技术的实现加之该机床独配的摩擦驱动蠕动系统、电机驱动凸轮主轴和完美刀架，使得仪器的蠕动型微滑台实现摩擦力驱动，并精准度定为在24nm，通过优化机械的驱动模式，也实现了400 m/s 的平滑进给，虽然主轴的电机耗能只有1.5W,但转速却依旧坚持10，000rpm及以上。
国内众多学者通过研究ROBOnano超高精密微加工机床，也是取得了一定的、卓见成效的成果。哈尔滨工业大学精密工程研究所在2008年研究制造出小型超精密三轴联动数控铣床，其主轴转数远超国内的一般水准最高转数高达160，000rpm，同时，工作台位置精度达0.5 um /75mm、回转精度达1um、刀具的最小直径更是达到了0.15mm。北京理工大学研发的超精密微小型车铣加工机械实现了超微小部件的三维加工和高频群脉冲电加工技术，铣头主轴 的最高转速可达到60000rpm，还可以四轴联动，重复定位方面的精度定为超过国际同类水平。长春理工大学通过细切削加工与微磨擦磨损机理不断的研究和努力，在2009年成功研制了微机械小部件微小切削功能的微摩擦磨损测试仪，主轴的最改好转速达到了6000rpm、进给精度达到1 um、回转精度也是达到了世界水准2u m。与此同时，北京航空精密机械研究所、清华大学机械制造研究所、西北工业大学与香港城市大学也是在超精密微机械领域上下足了功夫，并取得一定的成果。
2.2 微切削基础理论
随着微机械的不断发展，切削加工方法加工介观尺度零件的工艺技术越来越受到广大学者的追捧和焦点；所以，如何深入研究微切削过程弄清切屑形成机理、如何理解和剖析切屑形成的非线性动态过程等关键问题也是被广泛的提出，故而最小切削极限的概念也是应运而生。最小切削极限的概念是指：切深或进给必须超过某一临界值，才能形成切屑，研究者们通过有限元法分析或利用切削实验来估计，然后利用有限元分析正交切削中刀具钝圆半径的影响。
3. 发展趋势
我国在超精密微机械制造基础理论、集成技术、加工技术、系统理论等方面与日本、美国等强国之间存在着一定的差距，还有很多需要去凾待研究解决的问题和矛盾，特别是在除去医药、防控、航天等方面外更加贴切实际的有用化微机械系统的制定和相关技术。微机械的研究还应该投入更多的精力和资金，为最大程度的实现微机械的发展和进步做好雄厚的实力基础，笔者认为中国以后的微机械发展重点会慢慢转移到以下方面：微切削加工技术经济性和可靠性评价、微切削机理、微切削应用技术、微切削工艺研究、有用化微制造系统的制定原理方法与相关应用技术研究。
4. 结语
MEMS生产制造技术是近几年来被广泛关注的新兴科学，被广泛的营运与国家安全、国家交流和时代进步当中去，我们要清楚的熟悉到，因为个国家之间的起步时间相差不大，所以在为我们打开国内外市场、强化国内外微机械制造知识的交流提供了优良的机遇。超精密微机械的专用型非常强，固有的操作系统很长时间都可能不会产生变更，但是社会人士更加关注的是微机械的成品更多的应用于实际的生活当中。技术是人类不断进步的结晶，我们要充分利用国内的优势, 在质量、性能、价格、修理等方面下功夫, 迅速占领国内市场, 并可能利用价格的优势打入国际市场。相信在微机械的不断进步下，人类文明将掀开一片更加广阔的天空，中国的综合实力也会更强化劲一分。