淺析微凸起和微坑結構的特種加工成形技術

王 玥

(遼陽職業技術學院，遼寧 遼陽 111000)

從上世紀80年代至今，微機械(也可稱為微機電系統)有著非常巨大的發展。特別是伴隨著大規模集成電路中微細加工以及超精密加工技術的不斷發展與優化，微機械已經開始部分進入實用化、商品化階段。正是因為微機械的體積較小、能耗很低，更加便與運用到精密加工領域，所以當前在醫療、生物工程、信息工業、半導體加工、軍事等領域，微機械都有著非常廣泛的應用。有些研究人員還將微機械看作是21世紀最關鍵的技術之一。微細加工技術是獲得微機械的關鍵技術，現在微細加工的尺度可以達到亞微米數量級，加工單位可以達到原子度量級。相較于傳統加工技術，微細加工的不同之處在于：

(1)具有不同的加工精度表示方法。通常進行尺度加工時，傳統加工加工精度是用相對精度來表示的;而在微細加工中，必須用絕對精度來表示加工精度。

(2)不同的加工機理。微細加工中，加工單位相較于傳統加工技術而言，有著非常數量級的減小，所以微細加工過程中，必須要考慮晶粒作用。

(3)加工特征有著非常大的變化。對于傳統加工過程，加工的尺寸、形狀以及位置精度是其主要特征;而對于微細加工而言，因為加工對象的微小化，所以通常情況下是按照分離或者結合原子、分子為特征的。

按照被加工對象的形成過程，可以將微細加工分為以下幾大類：分離加工：把被加工材料的某一部分通過分解、蒸發或者切削等方法，從整體結構中分離出來;(2)結合加工：同種或者不同種材料之間的附加加工、相互接合加工等。這種加工方式可以再細分為附著、注入以及接合三類。所謂附著就是在材料集體上附加上一層材料;注入就是對材料的表面進行處理，使其出現物理、化學或者力學上的變化;接合就是我們常說的焊接、粘接操作;(3)變形加工：顧名思義，就是對加工材料進行形狀變化的加工方式。

1 微凸起結構及微坑結構的放電加工

從形狀上來看，微凸起與微坑是兩種相互對應的結構，所以，在使用放電加工方法時，只需要制備兩種結構中的一種工具電極即可，也就是說通過電火花加工成形技術制備凹或凸形工件中的任何一種，只需制備出一種工具電極。微細電火花線切割加工技術目前最重要的一個應用就是在制備電火花成形時，所必須使用到的微細工具電極。這里電極設計關鍵之處在于電極材料的選擇上，一定要事先確定電極的結構以及尺寸等參數。第一步，將電極的材料確定下來。現如今，電火花加工中通常使用的材料是石墨或者紫銅。用石磨加工出來的電極具有密度小、質量輕等特點，而且加工起來相對較簡單。但是最大的缺點就在于石墨墊起力學強度較弱，在使用寬脈沖、大電流加工時，很容易出現起弧燒傷的情況，而且不同質量的石墨材料加工出來的電極在性能上也有較大差異;用紫銅加工出來的電極在組織密度上就好些，而且韌性較強。所以紫銅常用作形狀復雜、精度要求高的型腔加工中。其最大的不足之處在于紫銅切削加工性能較差，而且密度較大，不適用于制作大中型電極，但對于微放電加工而言，又有著較大的優勢。第二步，微凸起電極尺寸以及形狀等參數的確定。假設這里要制備一個大小在φ100μm-φ300μm范圍內，深度在50μm以內的微坑，就需要一個尺寸為φ200μm的微凸起電極。在微小器件加工中，電極只需要滿足小面積基體即可，我們可以將基體的長寬高規定為10mm、10mm和5mm，紫銅電極末端圓柱的長度控制在25mm。電極的單體既可以是方形，也可以是菱形，但必須是呈陣列式排布。

2 微凸起結構和微坑結構的超聲加工

超聲加工的工具頭端部是一個微小陣列微凸起機構，使用陣列微孔電極，通過電火花直接反拷貝成形加工，從而實現超聲電解復合加工方式，來制作陣列微坑結構。所謂超聲加工，實質上是通過超聲振動工具，在磨料液體介質中形成撞機、拋光、液壓沖擊等來達到去除材料的目的。也可以使用使用超聲頻振動，對工具或者工件在某一個方向上進行加工。這里工具的振動頻率以及振幅的大小是影響加工效率的關鍵因素，通常情況下，較高振動頻率以及振幅一定程度上能夠提高加工效率，但是如果這個數值超過了合理范圍，那么工具以及變幅桿就會承受較大的應力，聯接處能量損耗將增大，長期使用勢必會影響整個系統的使用壽命。所以在實際的加工過程中，可以將振動頻率與機頭設定為同一頻率，出現共振情況，這樣就可以得到最大的工具振幅。假如機床的工作頻率為19KHz，那么可以實際測得振動頻率為19KHz時，工具頭的振動幅度是最大的。在使用超聲微細加工技術時，還需要注意的一點就是對工件所施加的壓力。只有工具頭施加的壓力合理，才能夠以最高的效率加工出最好的工件。施加壓力的大小是受到加工面積、工具的材料、工具的硬度以及脆性等多種參數的控制。壓力過小，加工時工具頭的前端與工件表面之間就會出現一定的間隙，使得磨粒與工件的撞擊力度以及撞機深度很難以達到標準;壓力過大時，加工時工具頭的前端與工件表面之間的間隙雖然變小了，但是磨料與工作液就很難以順利進入間隙，保證實施更新，從而極大地影響著加工的去除效率。

3 結語

機械加工領域發展至今，可以說已經涉及到了很多學科。在今后的發展過程中，個人認為與生命科學相交叉形成的仿生機械將是一個重要的發展方向。仿生機械與仿生制造已經受到了很多研究人員的關注，這方面現在也有了一些研究成果。上述只是研究了微凸起以及微坑結構的特種加工技術，這兩種技術現在也在逐漸的完善過程當中。筆者將在今后的工作中，深入研究放電加工以及超聲加工在機械加工領域中的應用，同時也將就仿生機械的相關知識進行全方面的學習與研究，以期能夠獲得一定的研究成果。

［1］李立斌，朗素萍，謝麗麗，微機電系統與微機械學，機械設計，2003，20(4)：8.

［2］段潤保，趙硯江，毛言理，微機械(MEMS)與微細加工技術，河北理工學院學報，2004，26(2)：34.