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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，关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表达，对超精密微机械制造技术国内外的研究现状和发展趋势，并对将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将来发展方向。
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天翻地覆变化。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表达，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照的看法。
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别加工对象，采纳系统的，集成的理论和技术，依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

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，刀具采纳进口的刀具，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，针关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；利用仪器的模块化制定，可使摩擦测量头与微切削刀头改换，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开发出特别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制定，制造，积存了一定的宝贵经验。

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腐蚀，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坚持相同的结晶取向，这极大的提升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，它采纳X射线，使波长坚持在0.1-1纳米，对涂覆在底部上的PMMA感光材料光刻，可达1mm深，电铸金属从而产生感光材料的微观结构，并以其为模具注塑成型塑料产品。
超精密微机械制造技术的发展走势
3.1.微切割技术。关键技术包括微零件的加工设备，主要是具有高转速的主轴系统，准确定位技术，精密工作台的运动与控制的微机械加工设备与技术；微切削刀具材料和刀具的制造技术；微切削中刀具及工件的快速装夹技术，微切削中和测试监控技术。
3.2.微切削机理。主要是热机械耦合应力作用下的不均匀变形，微尺度下的本构方程的工件材料，微切削区的位错应力，尺寸效应，非均匀应变等对剪切变形和剪切效应的影响；最小切削量对切屑形状，已加工的表面形成，切割应力，切削温度的影响，和工件材料的微观结构对表面粗糙度和表面损伤的影响，微切削的模拟仿真技术，微切削理论和技术体系。
3.3.微切削过程。微机械加工工艺，包括各种新型材料如不锈钢，钛合金，不锈钢，铝合金，陶瓷等非金属材料及各种复合材料，显微切割的CAD / CAM技术。
3.4.微加工技术，经济和可靠性的评估。
3.5.微加工的研究和制定原理及有用的微制造系统的方法和相关的应用技术。