幾種微米加工方法的應(yīng)用

■成都敏捷制造工程公司 （四川 610091） 黃政樹(shù) 黃?；?/p>

幾種微米加工方法的應(yīng)用

■成都敏捷制造工程公司 （四川 610091） 黃政樹(shù) 黃海基

摘要：本文介紹了磨料流加工、精密線切割加工、超聲電火花加工、高速銑削加工和物理氣相沉積涂層技術(shù)共5種微米級(jí)加工比較典型的方法，以及微米加工中工藝基準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用和測(cè)量技術(shù)。

副總經(jīng)理黃政樹(shù)（右）、總工程師黃?；ㄗ螅?/p>

微納制造技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家制造水平的重要標(biāo)志，已經(jīng)進(jìn)入到電子、汽車、工業(yè)控制、醫(yī)療、航空、航天、國(guó)防及精密機(jī)械等眾多領(lǐng)域，并越來(lái)越多地發(fā)揮著重要作用。本文主要從長(zhǎng)期實(shí)踐中的幾種精密機(jī)械加工方法中，歸納出能達(dá)到微米級(jí)精密程度的5種加工方法（其中去除法4種，添加法1種），供微納制造同行參考。

磨料流加工（去除法加工）

磨料流加工（Abrasive Flow Machining，簡(jiǎn)稱：AFM）在國(guó)內(nèi)也稱為擠壓珩磨，它是特種加工中一種新的機(jī)械光整加工方法，是在擠壓珩磨作用下，利用具有流動(dòng)性的粘彈性半固狀態(tài)磨料對(duì)被加工零件表面進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)零件各種型腔和交叉孔徑、邊棱進(jìn)行研磨拋光、倒圓角、去毛刺的一種新型工藝（見(jiàn)圖1）。

圖1　工作原理及設(shè)備

磨料流加工是20世紀(jì)60年代由美國(guó)兩公司獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的，最初應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的復(fù)雜幾何形狀合金工件的去刺加工。由于科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)已擴(kuò)展到紡織、醫(yī)療、縫紉、精密齒輪、軸承及模具制造等其他機(jī)械行業(yè)，特別適用于進(jìn)入精加工階段的微米級(jí)光整加工。擠壓珩磨用不同粒度、粘度的磨料，在擠壓力作用下，選擇合適的工藝參數(shù)，經(jīng)珩磨3～5min可使工件表面粗糙度值在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高2～3級(jí)，最高表面粗糙度值可達(dá)0.05μm，精度可以控制在微米級(jí)（見(jiàn)圖2）。由于磨料介質(zhì)自身有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，客觀上它具有不粘金屬的性能。加工完的工件可以用手輕松地將98%的磨料剝

離下來(lái)。這些被剝離下來(lái)的磨料收起來(lái)以備重復(fù)使用，殘留的磨料采用超聲波振動(dòng)或壓縮空氣吹或汽油清洗就可以除凈。

AFM能夠加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬工件，且由于它可采用根據(jù)金屬特性而專門(mén)配方的介質(zhì)，被推薦用于航天和航空元件的加工。比如，在電火花加工和激光加工中，熔化的材料容易粘附在工件表面，這種被稱為“再澆注層”的粘附層能發(fā)展成為小裂紋，若得不到控制，它會(huì)擴(kuò)散。使用AFM工藝可除去再澆注層，防止導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞的裂紋擴(kuò)散。一家飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠在控制條件下做的試驗(yàn)表明，采用AFM精加工的孔在10 000次熱循環(huán)后，其裂紋數(shù)要比不用AFM方法加工的孔減少87%（見(jiàn)圖3）。

AFM的特點(diǎn)：①拋光效果好。表面粗糙度值一般可降低2 ～3級(jí)，最佳表面粗糙度值可達(dá)Ra≤0.02μm的鏡面。②可保持零件的原加工精度?？兹コ虝r(shí)，直徑變化不會(huì)超過(guò)5μm，圓度保持在1.5μm以內(nèi)。③改變殘余應(yīng)力的方向，減小摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。

圖2　磨料流加工的各種樣品

圖3　珩磨前后樣件表面對(duì)比

圖4　精密線切割機(jī)與其加工的零件

精密線切割機(jī)的微米級(jí)加工（去除法加工）

我公司采用的是三菱公司生產(chǎn)的FA20PS慢走絲線切割機(jī)（見(jiàn)圖4a），該設(shè)備配備了支持三維CAD數(shù)據(jù)的NC裝置，能夠直接讀取三維CAD數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)信息來(lái)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)。除進(jìn)行檢查和工序前準(zhǔn)備外，還能夠根據(jù)工件的凹凸情況及形狀來(lái)控制加工條件。

通過(guò)選配“超精細(xì)加工用電源DIGITAL-FS”可使工件表面粗糙度值達(dá)Ra=0.03μm，通過(guò)“細(xì)電極絲”實(shí)現(xiàn)細(xì)縫和微小內(nèi)接圓弧的細(xì)微加工（見(jiàn)圖4b）。

一般來(lái)說(shuō)，加工超硬材料模具時(shí)，如果進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間加工，模具表面會(huì)因加工液的電解作用而被腐蝕，生成低硬度的細(xì)微軟化層，這種軟化層能夠縮短模具的壽命，所以需除去軟化層的加工和打磨作業(yè)。而配備“高品質(zhì)超硬加工系統(tǒng)”后，能夠通過(guò)控制加工液的離子平衡，使超硬材料的表面失去活性，抵制腐蝕。

技術(shù)指標(biāo)：①最佳表面粗糙度值為Ra≤0.03μm。②最小電極絲徑為0.05mm。③加工尺寸精度為±0.003mm。④最小切縫寬度為0.055mm。

超聲電火花微米級(jí)加工（去除法加工）

高精密電火花成形機(jī)( AT HYPERSPARK2 HS）可自動(dòng)化加工的電火花成形機(jī)床，擁有獨(dú)特的性能和功能。最佳的加工表面和最精確的定位，擁有兩倍速度的高速換刀功能，可達(dá)到最佳結(jié)果的雙測(cè)量系統(tǒng)，精加工模塊SF保證表面粗糙度值Ra≤0.2μm（見(jiàn)圖5）。

技術(shù)指標(biāo)：①定位精度達(dá)1.5μm。②重復(fù)位置精度達(dá)1.5μm。③反向間隙≤0.002mm。④X/Y/Z軸分辨率達(dá)0.000 1mm。⑤C軸位置角向定位精度≤18″。⑥C軸重復(fù)定位精度≤12″。⑦最佳加工表面粗糙度值Ra≤0.2μm。

圖5　超聲電火花成形機(jī)加工的各種零件

高速銑削的微米級(jí)加工（去除法加工）

與傳統(tǒng)的切削方式相比，高速銑削的切屑形成方式不同，產(chǎn)生的絕大部分熱量由切屑帶走，熱量不會(huì)聚集在加工區(qū)域，同時(shí)走刀速度比常規(guī)走刀速度要快得多，熱量更不容易聚集，材料熱變形小得多，保持比較恒定、理想的切削條件，從而保證了工件的加工精度。另外在電極加工中，加工的電極精度高，輪廓形狀一致性好，表面粗糙度質(zhì)量差，電極一般不需要拋光處理，不會(huì)由于手工拋光而影響工件的精度，從而大大提高了模具的制造精度。

隨著這幾年高速銑削技術(shù)的發(fā)展，高速銑削的外部環(huán)境也越來(lái)越完善。刀柄、冷卻系統(tǒng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)和主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，應(yīng)用技術(shù)的累積等，使得高速銑削技術(shù)的性價(jià)比越來(lái)越高。

典型的高速銑削設(shè)備如圖6所示，其性能特點(diǎn)：①可加工的最小圓弧半徑為0.05mm。②非金屬床身，高穩(wěn)定性，42 000r/min高速，最小刀具直徑0.1mm。③同等切削條件下可以獲得更低的表面粗糙度值和更高的尺寸精度。

我公司采用高速銑加阻尼減振系統(tǒng)（見(jiàn)圖7），同等切削條件下可以獲得：①更好的表面粗糙度質(zhì)量和更高的尺寸精度。②更長(zhǎng)的刀具壽命，有效延長(zhǎng)刀具壽命達(dá)30%。③更小的切削力，更小的噪聲。④延長(zhǎng)機(jī)床主軸壽命。

圖6　典型的高速銑削設(shè)備

圖8中展示了在相同機(jī)床、相同材料和相同工藝參數(shù)條件下切削加工后零件的表面質(zhì)量。圖8a為：工件安裝在普通的托盤(pán)上，切削加工后的表面可見(jiàn)明顯刀痕，表面質(zhì)量差，幾何尺寸精度低。圖8b為：工件安裝在配有阻尼系統(tǒng)的托盤(pán)上，切削加工后的表面質(zhì)量和尺寸精度均為良好。實(shí)踐證明，切削系統(tǒng)中，考慮工件安裝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是十分必要的，能夠降低模具表面粗糙度值，縮短生產(chǎn)周期，延長(zhǎng)使用壽命。加工實(shí)例如圖9所示。

圖7

圖8

圖9　高速銑削的實(shí)際加工零件

PVD的微米加工（增量法加工）

表面涂層技術(shù)是近幾十年來(lái)應(yīng)市場(chǎng)需求發(fā)展起來(lái)的材料表面改良性技術(shù)，從而提高材料的硬度和耐磨性，滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)高效率、高精度、高可靠性的要求，其中以刀具和模具應(yīng)用較為廣泛。

目前涂層技術(shù)方法主要有氣相沉積法、溶膠-凝膠法、熱噴涂法等。其中，氣相沉積法的應(yīng)用較多，且制備涂層的質(zhì)量較高。氣相沉積技術(shù)通?？煞譃槲锢須庀喑练e（physical vapor deposition，PVD）和化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）。物理氣相沉積具有溫度低、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)得到迅速的發(fā)展。

我們采用的是瑞士PLATIT公司生產(chǎn)的PL70型物理氣相沉積涂層機(jī)（見(jiàn)圖10）。

圖10　PL70型物理氣相沉積涂層機(jī)及工作原理

該設(shè)備采用陰極電弧等離子沉積技術(shù)，該技術(shù)所沉積涂層的主要優(yōu)點(diǎn)是：可在較復(fù)雜形狀基體上進(jìn)行≥0.5μm的沉積，沉積率高，涂層均勻性好，基片溫度低（250～350℃），涂層與基體結(jié)合力好，易于制備理想化學(xué)配比的化合物和合金等。我們已為精密電子廠家用此增量法解決了多套不同種類精密電子模具的再生和新制中的尺寸糾偏問(wèn)題。

該設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)：①溫度使用范圍250～500℃，常用溫度為350～400℃。②真空室尺寸為W400×D380×H520mm。③最大可加工工件尺寸為φ280mm×H400mm。④最大單件工件質(zhì)量為30kg。⑤涂層精度控制在0.5μm。⑥可添加涂膜厚度為0.5～10μm。

同時(shí)由于不同的涂層沉積于材料表面產(chǎn)生不同的顏色，因此PVD技術(shù)也可作為裝飾性應(yīng)用，增強(qiáng)產(chǎn)品的外觀效果（見(jiàn)圖11）。

圖11　物理氣相沉積圖層級(jí)實(shí)際加工零件

涂層特性如表1、表2所列。

表1　一般涂層特性

表2　特殊涂層特性

微米加工中工藝基準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用

在微米級(jí)加工中，一件機(jī)械加工產(chǎn)品往往需要經(jīng)過(guò)多道工序的加工才能完成，高精度產(chǎn)品不僅需要加工手段的精密性，加工過(guò)程中，無(wú)論工具或工件在各機(jī)床之間交換時(shí)，都需要保持較高的重復(fù)定位精度，采用3R工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)無(wú)疑是最佳的選擇。

3R工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)是一種機(jī)械接口（界面）系列產(chǎn)品，在生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論工具或工件在各機(jī)床之間交換時(shí)，不必找正，總能保持必要的定位精度在1～2μm左右?？伞霸诰€加工，離線裝夾”，從而使停機(jī)時(shí)間壓縮到最低限度。測(cè)量環(huán)境寬松，工件定位精度高，可大大減小各工序的加工余量，保證位置尺寸精度（見(jiàn)圖12）。此基準(zhǔn)系統(tǒng)包括了工作臺(tái)臺(tái)面基準(zhǔn)系統(tǒng)以及主軸基準(zhǔn)系統(tǒng)。其元件的設(shè)計(jì)制造極為緊湊，可靠耐用，而且能夠有無(wú)限的組合方式。

特點(diǎn)：①所有機(jī)床工作臺(tái)都要標(biāo)準(zhǔn)化。②具備已知的工件基準(zhǔn)系統(tǒng)。③系統(tǒng)的重復(fù)定位精度在±1μm以內(nèi)。④不需打表找正，實(shí)現(xiàn)工件快速換裝。⑤工件能夠輕易而精確地在各種機(jī)床之間交換。⑥系統(tǒng)必須簡(jiǎn)單易用并具有柔性。

圖12　采用工藝基準(zhǔn)系統(tǒng)前后加工精度對(duì)比

下面將常用的3R Refix系列、3R Macro系列工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)介紹如下：

1. 3R Refix系列工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)

3R Refix技術(shù)的基礎(chǔ)是在X、Y和Z軸方向都給出固定基準(zhǔn)，從而確保了極高的重復(fù)精度。此外，這種定位系統(tǒng)可無(wú)限制地應(yīng)用于各類機(jī)床（見(jiàn)圖13）。3R工藝基準(zhǔn)定位的基礎(chǔ)件Refix工作臺(tái)（托盤(pán)）具備間隔為100mm×100mm、模塊化分布、直徑為20m m的精密基準(zhǔn)孔群（見(jiàn)圖14）。裝到Refix工作臺(tái)中的工裝夾具，都是具備100mm或倍數(shù)于100mm標(biāo)準(zhǔn)間距的兩個(gè)基準(zhǔn)孔。在換裝時(shí)，操作者只須在工作臺(tái)上找出和夾具相應(yīng)的兩個(gè)基準(zhǔn)孔就可以了。為了避免固定式定位銷重復(fù)精度差、容易卡死的通病，必須采用獲得專利的膨脹銷芯來(lái)定位。3R膨脹銷芯能夠消除工作臺(tái)托盤(pán)和夾具工作的基準(zhǔn)孔直徑之間的間隙，φ20mm銷芯可移動(dòng)質(zhì)量≤800kg的工件，并能補(bǔ)償各孔距之間的偏差，而銷芯是靠膨脹來(lái)定位的，不會(huì)使基準(zhǔn)孔產(chǎn)生磨損。3R膨脹銷芯是“一分鐘換裝”合理化快速的關(guān)鍵。

圖13　工藝基準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用

性能特點(diǎn)：①最大工件尺寸≤工作臺(tái)尺寸。②重復(fù)定位精度達(dá)±0.002 5mm。③系統(tǒng)精度達(dá)±0.002 5mm。④抗扭力矩達(dá)2 600N·m。⑤簡(jiǎn)單易用。工件基準(zhǔn)板可由用戶自制。⑥專利膨脹銷芯。φ20mm銷芯可移動(dòng)重達(dá)800kg的工件。⑦長(zhǎng)壽命。膨脹定位工作臺(tái)工藝板，膨脹銷壽命50

萬(wàn)次幾乎無(wú)磨損。⑧經(jīng)濟(jì)性。一次性投資。⑨簡(jiǎn)化工裝。僅需一種規(guī)格的螺釘即可。

圖14　3Refix結(jié)構(gòu)圖

2. 3R Macro工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)

Macro系統(tǒng)是一套通用的工藝基準(zhǔn)定位系統(tǒng)（見(jiàn)圖15）。無(wú)論對(duì)于手動(dòng)機(jī)床還是CNC機(jī)床、機(jī)床主軸或者工作臺(tái)、成批生產(chǎn)或單件生產(chǎn)都能適用。零件制造均使用統(tǒng)一基準(zhǔn)，基準(zhǔn)元件和零件隨行至零件加工完成，拆除后的基準(zhǔn)元件可重復(fù)使用。Macro基準(zhǔn)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛，可在銑床上安裝刀具；磨床上安裝砂輪和頂尖；測(cè)量?jī)x上安裝測(cè)頭；EDM電火花放電成形機(jī)或WEDM線切割機(jī)上用于安裝工件或電極；在沖壓機(jī)和壓床上用于安裝沖頭或者模具；各種金屬切削機(jī)床的主軸頭或分度頭上固定刀具，以及各類機(jī)床工作臺(tái)上用來(lái)固定工件或工裝。

性能特點(diǎn)：①使用方便。自動(dòng)定心，自動(dòng)夾緊，一扣即合，簡(jiǎn)單迅速。②堅(jiān)韌穩(wěn)定。由于基準(zhǔn)面有很好的保護(hù)，所以對(duì)于沖擊和振動(dòng)不敏感。③經(jīng)濟(jì)耐用。經(jīng)受得起粗重的工作環(huán)境，對(duì)于廢屑污物不敏感。④容易搬動(dòng)。重量輕，所占空間很小。⑤對(duì)于溫升不敏感。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證溫度變化的對(duì)稱性，從而確保精度不變。⑥重復(fù)定位精度達(dá)0.002mm。⑦允許最大工件尺寸54mm×54mm托盤(pán)為70mm×70mm×70mm；而7 0 m m×7 0 m m托盤(pán)為100mm×100mm×100mm。

圖15　3R Macro系統(tǒng)

微米加工中的測(cè)量

傳統(tǒng)的精密檢測(cè)儀器對(duì)環(huán)境和操作人員的技能都有較高的要求，而且價(jià)格較高。我公司大量使用的是GBL型系列臺(tái)式微位移測(cè)量?jī)x，這是我公司自行研制開(kāi)發(fā)的新型測(cè)量?jī)x表，它是介于普通量具和高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)之間的測(cè)量工具。不受空間、時(shí)間、場(chǎng)地及室溫變化等諸多因素的影響，最適合車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)零件尺寸和形位公差的測(cè)量，精度誤差可達(dá)到微米級(jí)，重復(fù)測(cè)量精度2μm，方便適用，屬高性能價(jià)格比產(chǎn)品。

性能特點(diǎn)：①測(cè)量?jī)x由花崗石工作臺(tái)、支架、GBL-50微位移光柵傳感器和GBL-1型微位移數(shù)顯表共4部分組成，測(cè)量值數(shù)字顯示到小數(shù)點(diǎn)后3位（公制單位），當(dāng)切換英制單位時(shí)，顯示變?yōu)?位整數(shù)、5位小數(shù)。讀數(shù)直觀，不易失誤（見(jiàn)圖16）。②測(cè)量值可隨意進(jìn)行公制和英制單位的轉(zhuǎn)換。③可以花崗石平臺(tái)作為測(cè)量基準(zhǔn)，也可以在零件的任何部位設(shè)置為零基準(zhǔn)進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，減少換算，提高工作效率。④花崗石工作平臺(tái)為“00級(jí)”精度，平面度3μm，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)天然花崗石，它的線膨脹系數(shù)低，具有高強(qiáng)度、高硬度及良好的穩(wěn)定性。

圖16

G B L型臺(tái)式微位移測(cè)量?jī)x有4種規(guī)格：GBL-1型工作平臺(tái)為200mm×300mm； GBL-2型工作平臺(tái)為300mm×400mm；G B L - 3型工作平臺(tái)為400mm×500mm和GBL-4型（金屬座）（見(jiàn)圖17）。直接測(cè)量尺寸范圍0～50mm，擴(kuò)展可測(cè)量尺寸范圍0～300mm。

圖17

收稿日期：（20141229）