淺析微凸起和微坑結(jié)構(gòu)的特種加工成形技術(shù)

王 玥

(遼陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000)

從上世紀(jì)80年代至今，微機械(也可稱為微機電系統(tǒng))有著非常巨大的發(fā)展。特別是伴隨著大規(guī)模集成電路中微細(xì)加工以及超精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，微機械已經(jīng)開始部分進(jìn)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(lǐng)域，所以當(dāng)前在醫(yī)療、生物工程、信息工業(yè)、半導(dǎo)體加工、軍事等領(lǐng)域，微機械都有著非常廣泛的應(yīng)用。有些研究人員還將微機械看作是21世紀(jì)最關(guān)鍵的技術(shù)之一。微細(xì)加工技術(shù)是獲得微機械的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)在微細(xì)加工的尺度可以達(dá)到亞微米數(shù)量級，加工單位可以達(dá)到原子度量級。相較于傳統(tǒng)加工技術(shù)，微細(xì)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(jìn)行尺度加工時，傳統(tǒng)加工加工精度是用相對精度來表示的;而在微細(xì)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(xì)加工中，加工單位相較于傳統(tǒng)加工技術(shù)而言，有著非常數(shù)量級的減小，所以微細(xì)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(tǒng)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(xì)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(jié)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(xì)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(fā)或者切削等方法，從整體結(jié)構(gòu)中分離出來;(2)結(jié)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(xì)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(jìn)行處理，使其出現(xiàn)物理、化學(xué)或者力學(xué)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(jìn)行形狀變化的加工方式。

1 微凸起結(jié)構(gòu)及微坑結(jié)構(gòu)的放電加工

從形狀上來看，微凸起與微坑是兩種相互對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，所以，在使用放電加工方法時，只需要制備兩種結(jié)構(gòu)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(shù)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(xì)電火花線切割加工技術(shù)目前最重要的一個應(yīng)用就是在制備電火花成形時，所必須使用到的微細(xì)工具電極。這里電極設(shè)計關(guān)鍵之處在于電極材料的選擇上，一定要事先確定電極的結(jié)構(gòu)以及尺寸等參數(shù)。第一步，將電極的材料確定下來。現(xiàn)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(zhì)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(xué)強度較弱，在使用寬脈沖、大電流加工時，很容易出現(xiàn)起弧燒傷的情況，而且不同質(zhì)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(fù)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(yōu)勢。第二步，微凸起電極尺寸以及形狀等參數(shù)的確定。假設(shè)這里要制備一個大小在φ100μm-φ300μm范圍內(nèi)，深度在50μm以內(nèi)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(guī)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(jié)構(gòu)和微坑結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(xiàn)超聲電解復(fù)合加工方式，來制作陣列微坑結(jié)構(gòu)。所謂超聲加工，實質(zhì)上是通過超聲振動工具，在磨料液體介質(zhì)中形成撞機、拋光、液壓沖擊等來達(dá)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(jìn)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(guān)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(shù)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(yīng)力，聯(lián)接處能量損耗將增大，長期使用勢必會影響整個系統(tǒng)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(shè)定為同一頻率，出現(xiàn)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(xì)加工技術(shù)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(shù)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(xiàn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn);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(jìn)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(jié)語

機械加工領(lǐng)域發(fā)展至今，可以說已經(jīng)涉及到了很多學(xué)科。在今后的發(fā)展過程中，個人認(rèn)為與生命科學(xué)相交叉形成的仿生機械將是一個重要的發(fā)展方向。仿生機械與仿生制造已經(jīng)受到了很多研究人員的關(guān)注，這方面現(xiàn)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(jié)構(gòu)的特種加工技術(shù)，這兩種技術(shù)現(xiàn)在也在逐漸的完善過程當(dāng)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(lǐng)域中的應(yīng)用，同時也將就仿生機械的相關(guān)知識進(jìn)行全方面的學(xué)習(xí)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(tǒng)與微機械學(xué)，機械設(shè)計，2003，20(4)：8.

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