基于涂覆技術的微小零件精密加工復合方法研究

胡小秋 吳笑天 袁軍堂 于斌斌

南京理工大學，南京，210094

基于涂覆技術的微小零件精密加工復合方法研究

胡小秋 吳笑天 袁軍堂 于斌斌

南京理工大學，南京，210094

分析了微小零件精密加工常用的方法及存在的問題，提出了基于涂覆技術的微小零件精密加工復合方法，并論述了其基本思想、工藝路線及研究意義，討論了其關鍵技術。該精密加工復合方法集成了精密加工技術、測量技術和表面涂覆技術等，將去除加工與累積加工兩種加工方式相結合，先切削后涂覆，可達到精密加工的技術要求，保證了加工精度和表面質量的同步提高。

微小零件；精密加工；涂覆技術；復合方法

1 微小零件精密加工常用的方法及存在的問題

隨著微小零件的廣泛應用，對其加工精度的要求也不斷提高?，F有的各種成形加工方法難以滿足對工件材料、加工精度、生產效率及生產成本的諸多要求，探索一種低成本、高效率的微小結構件超精密復合加工新方法具有重要意義［1］。

按成形方式的不同，加工可分為去除加工、變形加工及累積加工三種方式［2］。微小零件制造精度介于MEMS技術［3］與傳統精密以及超精密加工技術之間。微小零件的制造技術主要有以下三種：

（1）比較成熟的以硅微工藝和LIGA技術［3］為代表的微電子技術，即MEMS技術。這種加工技術屬于去除加工方式，主要用于半導體材料加工，可實現零件的大批量生產。但存在著材料去除率較低、加工設備昂貴、加工材料單一等問題，且三維構件加工能力較差。

（2）以傳統精密機械加工為背景的制造技術，如精密車削、銑削加工等。該技術也屬于去除加工方式，但對材料的適應性較強，而且有利于復雜三維結構的加工，因此廣泛應用于精密機械、電子和光學等領域。但這種加工技術難以滿足被加工零件特征尺寸較小的情況［3］。

（3）一些微細特種加工技術，如微細超聲電解復合加工技術、微細超聲電火花復合加工技術等。這種技術既包括超聲波微細加工和聚焦離子束等材料去除加工技術，也包括電沉積、激光焊接等附著、結合（累積）或變形加工技術［4］。這些加工方法適應性廣，但其加工機理較為復雜，生產成本較高。

不同的加工技術有其不同的特點、加工能力和適用范圍。由于微小結構件的尺寸小以及三維結構復雜，采用傳統的精密、超精密加工技術時對機床、刀具以及夾具等提出了更高的要求，很難達到預期的加工精度和表面質量［5－6］。鑒于微小零件精密加工常用的方法及存在的問題，本文提出一種微小零件精密加工的復合方法。

2 微小零件精密加工的復合方法

2.1 表面涂覆技術

表面涂覆技術是在基質表面上形成一種膜層的技術。涂覆層的化學成分、組織結構可以和基質完全不同。表面涂覆技術包括電化學沉積、化學沉積、氣相沉積、堆焊與熱噴涂等［4］。表面涂覆是累積加工的一種方式，常用的表面涂覆加工方式有電刷鍍、電弧等離子噴涂、PVD－離子鍍等［7］。其中，離子鍍屬于物理氣相沉積，是指在真空的條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質部分離子化，在氣體離子或被蒸發物質離子的轟擊作用下，把蒸發物或其反應物沉積在基底上。PVD－離子鍍具有膜層附著力強、可鍍材料廣泛、沉積速度快（0.1～50μm／min）、沉積溫度低等顯著優點［8］。

2.2 涂覆技術的新用途

一般零件中，涂層多用來改善零件的表面質量，提高防護性能和機械性能，增加美觀，而對零件的尺寸精度不會產生顯著影響。但微小結構零件中，涂層厚度將改變零件的尺寸和形狀，而涂層厚度能夠精確控制到納米級，因此，只要采用合適的方法精確控制涂層的厚度，就可以將微小零件的尺寸精度提高到納米級，從而控制零件的制造精度和表面質量［9］。目前，精密／超精密加工技術以及涂層技術相對比較成熟，精密加工技術的經濟加工精度一般可達微米級，涂層厚度可以精確控制在納米級。這兩種技術的綜合運用，為微小零件的微納級精度制造技術的創新提供了可能。

2.3 微小零件精密加工復合方法的基本思想

基于尺寸鏈理論與精度理論，綜合運用切削加工技術、精密測量技術和精密可控表面涂層技術，實現先“－”（切削加工去除材料）后“＋”（涂覆加工添加材料）進行精密加工。放大微小零件的制造公差或調整其基本尺寸，先按照精密切削（磨削）的經濟加工精度進行加工，在進行精密測量的基礎上，通過精密控制涂層的厚度對零件尺寸進行補償，將零件的最終精度由原來取決于機械加工改為取決于涂層的最小厚度（公差），使得微小零件的制造精度得以大幅度提高。

2.4 研究意義

研究微小零件精密加工的復合方法的意義主要在于以下三點：

（1）開創了微小結構件微納制造的新方法。根據微小零件結構特點和加工要求，用較低的成本完成精密去除加工，在精密測量的基礎上，采用精密涂覆技術補償零件的尺寸及其精度，開創了一種微小結構件微納制造的新方法，提供一條經濟合理的新途徑。

（2）實現了精度和表面質量的同步提高。精密加工技術與精密涂層技術的有機結合，把精密涂層技術作為實現微小零件微納制造精度的最后一道工序，根據微小零件的設計要求確定合適的涂層材料和工藝，使零件制造精度和表面質量得到同步提高。

（3）多項技術的集成。集成精密加工、精密測量技術以及精密涂層等多項技術優勢，綜合運用去除加工與累積加工兩種方式，發揮各自的特長，優勢互補。

3 微小零件精密加工復合方法的工藝路線

3.1 支撐理論及技術

微小零件精密加工復合技術涉及面廣，是多項理論和技術的集成。該技術特別有賴于尺寸鏈理論、精度理論、精密加工技術、精密測量技術及表面涂覆技術的支撐，以及計算機技術、試驗技術及測試技術等的支持。

3.2 工藝路線

如圖1所示，基于涂覆技術的微小零件精密加工復合方法包括以下幾道主要工藝階段：

（1）確定零件的最后一道切削（磨削或其他加工方法）工序的工序尺寸及其公差。

（2）切削加工，形成傳統意義上的“不可修復廢品”。

（3）測量切削加工工序的實際尺寸，計算補償量及涂覆層厚度。

（4）調整涂覆參數，進行涂覆加工。（5）加工完成。

圖1 微小零件精密加工復合方法的主要工藝階段

4 微小零件精密加工復合方法的關鍵技術及難點

4.1 確定機械加工工序尺寸及其精度

基于尺寸鏈理論，分析涂層厚度對加工精度的影響。機械加工工序尺寸、表面涂層厚度、工件最終尺寸三者之間相互關聯，構成尺寸鏈。確定涂層的總厚度時應考慮機械加工工序的公差、粗糙度及表面缺陷層等主要因素。涂層厚度過大，影響到生產效率、生產成本及使用性能；涂層厚度不足，零件精度及表面質量得不到提高，達不到涂覆目的。

4.2 正確處理工藝尺寸鏈的負公差問題

兩道工序的工序尺寸之“和”為工件最終尺寸。通常機械加工工序尺寸與涂層厚度為組成環，工件最終尺寸為封閉環。由于加工工序精度低，而工件最終尺寸精度高，可能會出現封閉環公差為零甚至為負的情況。

處理負公差的對策是采用合理工藝順序進行尺寸及誤差補償，而不采用擴大封閉環公差的方式。圖2所示的尺寸鏈中，機械加工尺寸為組成環（增環），基本尺寸由測量所得，公差取決于測量儀器及測量方法；涂層厚度也為組成環（增環），公差取決于涂覆工序的精度，為納米級。這樣，組成環公差之和不大于封閉環公差，從而解決了負公差問題，既保證精度要求，又不增加操作難度和加工成本。

圖2 尺寸鏈圖

4.3 選擇合適的涂覆方式和涂覆材料

各種涂覆技術的基本原理，涂覆過程、涂覆條件和涂覆結果各不相同，涂覆材料的力學以及化學性能也相差很大，與基體的結合性能也不一樣。涂層與基體材料的結合性能是涂層技術優劣的重要考核指標［5］?，F有研究表明，不同的涂層材料與基體的結合性能有明顯的區別。因此，根據不同結構件的材料選用不同涂層材料和方法，使其結合性能達到使用要求，實現性能和精度的統一。圖3所示為一種涂覆后的零件（基體材料為40Cr，涂層材料為TiN和CrN）。對于TiN涂層，采用激光沖擊法測量其結合強度，該涂層可承受12J／mm2的激光沖擊，涂層硬度可到達3000HV，其熱穩定性優良。

圖3 涂覆后的零件

4.4 涂覆過程中涂層厚度精密控制

在涂覆過程中，涂層厚度將受到工作環境壓力、基體溫度、涂層材料沉積速率等諸多因素的影響，準確控制涂層厚度存在較大的困難。涂層厚度的控制主要有兩種方法：一種是在試驗的基礎上，先采用模擬退火方法對工藝參數優化，使沉積速度較為穩定，然后采用神經網絡方法進行預測，達到所需補償量；另一種方式是采用在線測量，可采用石英晶體振蕩儀，監測厚度范圍0.1nm～999.9μm。通過對沉積過程的實時監測，保證最終的補償量要求。

5 結束語

精密加工復合方法涉及了精密／超精密加工、特種加工、表面工程、精密測量等多項技術，開創了微小結構件精密超精密制造的一條新路。目前，簡單微小零件的計算機模擬及涂覆試驗業已完成，進入測試階段。前期的大量試驗表明，氣相沉積厚度可以達到微納米級，表面粗糙度也可以控制在幾納米到幾十納米之間，涂層結合力與沉積溫度、真空度、氣體分壓比、脈沖偏壓、濺射電流等沉積參數密切相關，之間的關系也正在研究。另外，該復合方法對零件使用性能及強度的影響還有待于進一步研究。

［1］ 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.學科發展戰略研究報告［M］／／（2006～2010年）—機械與制造科學.北京：科學出版社，2006.

［2］ 劉克非，張之敬，劉志兵，等.硬鋁材料的微小零件切削加工［J］.輕合金加工技術，2005，33（9）：48－51.

［3］ 孫雅洲，梁迎春，程凱，等.微米和中間尺度［J］.機械工程學報，2004，40（5）：1－6.

［4］ 王先逵.表面工程技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［5］ 許輝.涂層技術在制造業中的應用［J］.熱處理，2007（2）：3－5.

［6］ 張之敬，金鑫，周敏.精密微小型制造理論、技術及其應用［J］.機械工程學報，2007，43（1）：49－52.

［7］ 于化東.超精密微機械制造技術研究進展［J］.長春理工大學學報（自然科學版），2008，23（9）：1－7.

［8］ Katahira O H.Improvement of Mechanical Strength of Micro Tools by Controlling Surface Characteristics［J］.CIRP Annals－Manufacturing Technology，2003，52（1）：467－470.

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Study on Micro－part Precision Machining Complex Method Based on Coating Technology

Hu Xiaoqiu Wu Xiaotian Yuan Juntang Yu Binbin
Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，210094

The common methods and problems of micro－part precision machining were analyzed herein.Based on the micro－part precision machining of coating technology，a complex method was proposed.The basic idea，process and research significance and the key technologies were discussed.This method integrated the precision machining technology，measuring technology and surface coating technology.Combination of the removal machining and cumulative machining，first cutting then coating achieves the purpose of precision machining，ensures the machining accuracy and surface quality to improve synchronously.

micro－part；precision machining；coating technology；complex method

TH124

1004—132X（2011）01—0028—03

2010—03—25

總裝備部預研基金資助項目（9140A18070209BQ0222）

（編輯 郭 偉）

胡小秋，男，1968年生。南京理工大學機械工程學院副教授。研究方向為先進加工技術及裝備。出版專著1部，發表論文30余篇。吳笑天，男，1985年生。南京理工大學機械工程學院碩士研究生。袁軍堂，男，1962年生。南京理工大學機械工程學院教授。于斌斌，男，1986年生。南京理工大學機械工程學院博士研究生。