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1、材料表面微细加工技术综述摘 要: 详细阐述了微加工工艺以及近几年内国际上开发的一些新的加工技术，如电化学微加工，微细电火花加工，电解加工等，重点提及微细电火花加工技术,并提出了目前这些方法中存在的缺陷及解决方法。关键词微细加工技术; 微细电火花加工Abtrct:Silico miro-prcessin technolg and other micro-processinechlogie eveloed inrecen years， uch as microcheical micomachining， mo-EDM, electr-mchining andsoon, and mandie the
2、tchnlogyo mcr-EM,ialy so dsadvanages abou those tchnlogies wer pfrwardKy r:miro-processin technolog, icoEDM.1.引言以集成电路为代表的，建立在硅平面工艺基础上的微电子技术的巨大成功引发了一场微小型化科技革命。如今起源于世纪80年代末期,建立在微电子技术基础上, 把传感器、处理器和驱动器等集成在一个芯片上的微机电系统(MEM： io elco-mecanical ysms） 被视为微电子革命的继续而日益受到各等发达国家政府和科学家的高度重视,已经成为当今国际高技术竞争的热点。随着微机电系统
3、的发展,微型制造技术作为实现MEM技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件, 必须要具备相应微细加工技术。微细加工技术是MEMS技术的核心技术,是MES技术的关键和基础,也是ES技术研究中最活跃的领域。 离开了先进、可靠的微细加工技术,MEMS的研发将受到极大的制约， 更不能形成生产能力, MMS器件和系统的研究也只能是空中楼阁。在MMS的制作中,由于涉及传感和运动执行部件，器件的形状比数字集成电路复杂得多, 而且涉及到带有曲面,斜面及微尖形阵列等的三维微制作技术。现在微电子技术和集成电路工艺已经非常成熟， 因此能产生含有曲面、 斜坡、高密
4、度微尖阵列器件和高深宽比等微结构的三维加工工艺必将成为下一步MMS领域的竞争热点,迄今为止， 开发成功的微机械加工技术主要有硅微机械加工技术，体硅加工工艺和表面硅加工工艺）、LIGA技术,微立体光刻,MSL: Mio sterolithoahy）、技术/IH，nerae ard polyme sterolthogahy 集成固化聚合物立体光刻）工艺,EFAB,elecrchemical fabrcaton）技术、CLT（confine etchnt layerecniq）、3D 电化学微加工，elecrochemical 3D miroachinng)技术等，本文仅就微细微细电火花加工技术进行
5、阐述。近年来电火花加工方面的研究取得了许多新的进展，主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法。这些方法不仅可以进行体积去除，还可以进行表面陶瓷化改性和沉积;加工不仅可以在绝缘工作液中进行，也可以在气体中进行;不仅可以加工导电材料，也可以加工非导电材料,大大扩展了这一技术的应用领域。近年来发展起来的电火花加工新技术主要包括：弯曲孔电火花加工,液中放电表面改性处理，绝缘陶瓷电火花加工,单次放电微细电极加工,放电堆积成型,气体中放电电火花加工,扫描创成电火花加工,钛合金表面电火花放电着色,反复拷贝法微细电极电火花加工,用直角三角形截面电极对单晶硅进行微细电火花加工,线电极电火花磨削
6、精微、微细电火花加工,混粉镜面电火花加工,气体放电线切割加工,双电极电火花加工及电火花加工放电状态检测新方法,电火花加工放电位置可控性研究,新的摇动控制技术等。2微细电火花加工的特点在各种不同的电火花加工应用中，通常把尺寸特别小的加工称作微细电火花加工。所谓特别小,究竟小到何种程度，目前尚无明确的规定,微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别,不同之处在于其自身的工艺特点,但使用微小成形电极，利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的,这是因为形状复杂的微小电极本身就极难制作,而且由于加工过程中严重的电极损耗现象,使成形电极的形状很快改变而无法进行高精度的三维曲面加
7、工,因此,人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工，由于加工尺寸极小,加工表面更加致密，所以,MEDM的关健问题之一便是如何设定加工尺寸更小的放电条件，目前,MEDM应用的放电能量，粗加工为10J，精加工为10J左右,大体上是通常电火花加工能量J100J的1/10000左右。由于ED的放电能量与通常的电火花加工不同,因而有其自身的特殊状况,电火花加工是在大气压力条件下进行的过渡性电弧放电,如果脉宽固定不变，就不可能使电流值减少到最低程度,为此，不得不采取一方面将电流值保持在一定的程度，另一方面则通过减小脉宽来实现微小能量的简便放电方法,所以,MED所设定的
8、脉宽要比一般电火花加工短很多,在这种极短脉冲的放电过程中，形成浓度极低的等离子放电,而电子流则成为主要的载流子,即变成一种接近于电子束的加工状态,放电能量主要转换为热，最终产生在阳极上，因此，在MDM中，为降低电极的损耗率，一般将工件接于正极，电极接于负极。3.技术要求：3.1脉冲电源电火花加工是靠电源将能量输向放电间隙,以实现尺寸加工,因此,脉冲电源的电参数对各项加工工艺指标起着决定性作用。在微细加工中,有一个特殊的面积效应。为了高效稳定地进行电加工,与电极相对表面内需分布有很多电势几乎相等的突起点,以避免产生电弧放电,但由于微细加工零件的加工面积大多在1m2以下,所以这样的电势点相对就少,
9、放电点的范围有限,其位置在空间上和时间上容易集中,增加了放电过程的不稳定因素;而且也会限制脉冲频率的提高，造成脉冲利用率低、加工速度相对较慢,这就是面积效应。为了克服面积效应的影响,满足微细零件结构要素尺寸及精度的要求，就要研制具有微能量的微能脉冲电源，使每一个单脉冲的放电痕迹能够控制在很小的尺寸范围内,每次放电点的位置在空间和时间上充分分开、均匀分布,从而提高放电频率;另外,在微细放电加工中,极间的间隙只有数微米，为了能使放电屑顺利地从间隙中被工作液带走,要求放电屑直径小于放电间隙,而放电屑的大小也主要取决于脉冲放电的能量,所以,研制具有微能量的微能脉冲电源成为微细电火花加工需要解决的关键技
10、术之一。3.电极制备微细电火花加工属于成型拷贝加工,电极的制造关系到加工能否实现。微细电火花加工的尺寸决定了工具电极本身尺寸的微小化，因为电极截面直径的大小至少要比所加工的尺寸缩小两个放电间隙的距离，这无疑给高精度微细电极的制造和复杂端面形状的微细电极的加工提出了更高的要求。为了解决工具电极与工作台面的垂直和工具电极与机床主轴同心的问题,在微细电火花加工中,微细电极的制造采用在电火花机床上直接使工具电极成型的工艺,即将工具电极坯料预先夹持固定于电火花机床主轴上，利用机床本身的电火花加工系统对此坯料进行加工而使之成型。这样既可避免工具电极安装所带来的安装误差及操作困难等问题，又可获得微细工具电极
11、。3. 高精度的微量进给伺服系统 微细电火花加工的材料去除率由于脉冲放电能量极小的原因而很低,加工速度相对很慢；放电时间隙只有数微米,与常规电火花加工相比放电稳定性差、放电屑排除困难,造成脉冲利用率较低。因此,提高脉冲利用率是提高微细电火花加工效率的有效途径。这就要求相应的微细电火花加工伺服系统和执行机构要有很高的响应速度和控制灵敏度，即在正常放电时能以微步距跟踪材料去除速度,遇到异常放电时,又能以很快的速度回退以消除间隙的异常,提高脉冲利用率，最终达到提高加工速度的目的。.4机床精度机床精度包括定位精度和运动精度。微米级的电火花加工首先要保证工具电极与工件之间的精确定位,才能准确地测定加工尺
12、寸和控制加工能量的供给位置;其次,机床只有具备相当高的运动精度才能加工出形状、精度合格的微细复杂零件;而且,为了使加工过程稳定，还必须保持小到1左右的最佳放电间隙。所以,微米级的电火花机床必须有相应的高精度进给机构、导向机构以及高灵敏度的微量进给伺服系统。5工作液及其循环系统工作液用来保证每次放电时电极表面喷射出的金属液体和蒸气得到迅速冷却和排除。在微细加工时，由于工具电极与工件之间间隙很小,有可能影响工作液的正常循环流动,使电蚀产物不能及时从放电间隙中排出,造成加工速度下降和加工稳定性恶化,严重时将使加工过程无法进行。因此，在微细电火花加工时,往往要选用粘度低的工作液,并采用强迫排屑措施。4
13、.微细电火花加工的应用在使用工具的加工方法中,ME具有以下的特点:1)同其他加工法相比，由于MEDM的切削力极小，所以能加工细，薄的工件,不会因工具的弹性变形而使精度受到影响。）能加工硬度高，韧性大的材料。3)工具的旋转不再是绝对的条件,由于工具的所有表面都起到加工作用，所以工具的形状及被加工形状的自由度都很高。也就是说,EDM在微细程度,加工精度，加工对象的材质以及加工形状等许多方面同使用其他工具的加工方法相比,有其显著的特点和优越性。以一般电火花加工为代表的成形加工是以孔、沟槽、型腔等凹形工件为主体的一种加工方法。在多数情况下用其他加工方法，如铣削、车削、磨削等加工方法也能使工件较容易地加
14、工出来,所以电火花加工所起的作用便不是唯一的。但是,在进行微细尺寸加工时例如像切削微细轴这类工件用一般切削方法就会因受切削力等方面的影响而引起弯曲，此时EDM便能起重要作用。）轴、销、棒的加工。利用WEG或电火花反拷块加工方法可制成直径为5.0m左右的微细轴及单边为0.0左右的异形销等工件。如果用CC控制线电极的导向器位置，还能加工出带有锥度,斜面及螺旋面等复杂形状的凸形工件。此外,只要加工装置的行程允许，能制成很长的棒形件。2）孔、2维形状、维形状加工。利用D成形出的微细电极，日本已能较容易地加工出圆、方、三角形以及各种剖面形状的微细孔目前其应用范围是：圆孔直径为5.0m左右,方孔单边为10
15、.0m左右,可加工材料为金属,合金，导电性陶瓷等,在加工深度上，可以加工出微孔深度超过直径2倍或在直径超过50m的情形下加工出孔深达到直径5倍的深孔。利用MEDM(微细电火花线切割）能很容易地加工出2维形状的工件，但是在其拐角处会带有超出线电极半径的圆弧，3维型腔加工困难更大。但是最近研制成功的利用简单的棒状电极，边借助于CNC扫描，边进行加工的方法已使维型腔加工成为可能。特别是当与WEDG方法相结合时,能加工出拐角锐利的3维微细型腔。因此人们可以以此作为制造微细模具的有力手段。） 微小模具加工。模具制造已成为电火花加工最大的应用领域，而随着一部分模具的微细化，MEDM是必然趋势。可以认为，今后在模具尺寸上会提出更加微细化的需求,因此,有必要以冲压模,压铸模,精密铸造模等模具为中心,按照100以下的尺寸加工要求来进行应用研究。以往与微细加工相关的，多数为孔或狭缝加工，而现在已扩大到加工,维形状的型腔及凸形零件,同时还能直接用于加工微细凸透镜及表面装饰用铸模,压印模等模具。5.国内外最近技术进展51电火花技术发展概况近年来，出现了一些将直线电动机用于主轴及工作台传动的电火花成形机。其伺服脉冲当量是0.1m,伺服最大速度为36 m/
