幾種微米加工方法的應用

■成都敏捷制造工程公司 （四川 610091） 黃政樹 黃海基

幾種微米加工方法的應用

■成都敏捷制造工程公司 （四川 610091） 黃政樹 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共5種微米級加工比較典型的方法，以及微米加工中工藝基準系統的應用和測量技術。

副總經理黃政樹（右）、總工程師黃海基（左）

微納制造技術是衡量一個國家制造水平的重要標志，已經進入到電子、汽車、工業控制、醫療、航空、航天、國防及精密機械等眾多領域，并越來越多地發揮著重要作用。本文主要從長期實踐中的幾種精密機械加工方法中，歸納出能達到微米級精密程度的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，簡稱：AFM）在國內也稱為擠壓珩磨，它是特種加工中一種新的機械光整加工方法，是在擠壓珩磨作用下，利用具有流動性的粘彈性半固狀態磨料對被加工零件表面進行往復運動，從而對零件各種型腔和交叉孔徑、邊棱進行研磨拋光、倒圓角、去毛刺的一種新型工藝（見圖1）。

圖1　工作原理及設備

磨料流加工是20世紀60年代由美國兩公司獨立發展起來的，最初應用于航空、航天領域的復雜幾何形狀合金工件的去刺加工。由于科學技術的飛躍發展，這項技術已擴展到紡織、醫療、縫紉、精密齒輪、軸承及模具制造等其他機械行業，特別適用于進入精加工階段的微米級光整加工。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，經珩磨3～5min可使工件表面粗糙度值在原來的基礎上提高2～3級，最高表面粗糙度值可達0.05μm，精度可以控制在微米級（見圖2）。由于磨料介質自身有很強的內聚力，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。這些被剝離下來的磨料收起來以備重復使用，殘留的磨料采用超聲波振動或壓縮空氣吹或汽油清洗就可以除凈。

AFM能夠加工結構復雜的金屬工件，且由于它可采用根據金屬特性而專門配方的介質，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”的粘附層能發展成為小裂紋，若得不到控制，它會擴散。使用AFM工藝可除去再澆注層，防止導致嚴重損壞的裂紋擴散。一家飛機發動機生產廠在控制條件下做的試驗表明，采用AFM精加工的孔在10 000次熱循環后，其裂紋數要比不用AFM方法加工的孔減少87%（見圖3）。

AFM的特點：①拋光效果好。表面粗糙度值一般可降低2 ～3級，最佳表面粗糙度值可達Ra≤0.02μm的鏡面。②可保持零件的原加工精度。孔去除毛刺時，直徑變化不會超過5μm，圓度保持在1.5μm以內。③改變殘余應力的方向，減小摩擦系數，延長使用壽命。

圖2　磨料流加工的各種樣品

圖3　珩磨前后樣件表面對比

圖4　精密線切割機與其加工的零件

精密線切割機的微米級加工（去除法加工）

我公司采用的是三菱公司生產的FA20PS慢走絲線切割機（見圖4a），該設備配備了支持三維CAD數據的NC裝置，能夠直接讀取三維CAD數據的設計信息來自動生成數據。除進行檢查和工序前準備外，還能夠根據工件的凹凸情況及形狀來控制加工條件。

通過選配“超精細加工用電源DIGITAL-FS”可使工件表面粗糙度值達Ra=0.03μm，通過“細電極絲”實現細縫和微小內接圓弧的細微加工（見圖4b）。

一般來說，加工超硬材料模具時，如果進行長時間加工，模具表面會因加工液的電解作用而被腐蝕，生成低硬度的細微軟化層，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。而配備“高品質超硬加工系統”后，能夠通過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。

技術指標：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。

超聲電火花微米級加工（去除法加工）

高精密電火花成形機( AT HYPERSPARK2 HS）可自動化加工的電火花成形機床，擁有獨特的性能和功能。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，可達到最佳結果的雙測量系統，精加工模塊SF保證表面粗糙度值Ra≤0.2μm（見圖5）。

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

圖5　超聲電火花成形機加工的各種零件

高速銑削的微米級加工（去除法加工）

與傳統的切削方式相比，高速銑削的切屑形成方式不同，產生的絕大部分熱量由切屑帶走，熱量不會聚集在加工區域，同時走刀速度比常規走刀速度要快得多，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，表面粗糙度質量差，電極一般不需要拋光處理，不會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的發展，高速銑削的外部環境也越來越完善。刀柄、冷卻系統、機床結構和主軸轉速的不斷提高，應用技術的累積等，使得高速銑削技術的性價比越來越高。

典型的高速銑削設備如圖6所示，其性能特點：①可加工的最小圓弧半徑為0.05mm。②非金屬床身，高穩定性，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（見圖7），同等切削條件下可以獲得：①更好的表面粗糙度質量和更高的尺寸精度。②更長的刀具壽命，有效延長刀具壽命達30%。③更小的切削力，更小的噪聲。④延長機床主軸壽命。

圖6　典型的高速銑削設備

圖8中展示了在相同機床、相同材料和相同工藝參數條件下切削加工后零件的表面質量。圖8a為：工件安裝在普通的托盤上，切削加工后的表面可見明顯刀痕，表面質量差，幾何尺寸精度低。圖8b為：工件安裝在配有阻尼系統的托盤上，切削加工后的表面質量和尺寸精度均為良好。實踐證明，切削系統中，考慮工件安裝系統的動態穩定性是十分必要的，能夠降低模具表面粗糙度值，縮短生產周期，延長使用壽命。加工實例如圖9所示。

圖7

圖8

圖9　高速銑削的實際加工零件

PVD的微米加工（增量法加工）

表面涂層技術是近幾十年來應市場需求發展起來的材料表面改良性技術，從而提高材料的硬度和耐磨性，滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，其中以刀具和模具應用較為廣泛。

目前涂層技術方法主要有氣相沉積法、溶膠-凝膠法、熱噴涂法等。其中，氣相沉積法的應用較多，且制備涂層的質量較高。氣相沉積技術通常可分為物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）和化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）。物理氣相沉積具有溫度低、環境污染少等優點，因此近年來得到迅速的發展。

我們采用的是瑞士PLATIT公司生產的PL70型物理氣相沉積涂層機（見圖10）。

圖10　PL70型物理氣相沉積涂層機及工作原理

該設備采用陰極電弧等離子沉積技術，該技術所沉積涂層的主要優點是：可在較復雜形狀基體上進行≥0.5μm的沉積，沉積率高，涂層均勻性好，基片溫度低（250～350℃），涂層與基體結合力好，易于制備理想化學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題。

該設備主要技術指標：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。

同時由于不同的涂層沉積于材料表面產生不同的顏色，因此PVD技術也可作為裝飾性應用，增強產品的外觀效果（見圖11）。

圖11　物理氣相沉積圖層級實際加工零件

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系統的應用

在微米級加工中，一件機械加工產品往往需要經過多道工序的加工才能完成，高精度產品不僅需要加工手段的精密性，加工過程中，無論工具或工件在各機床之間交換時，都需要保持較高的重復定位精度，采用3R工藝基準定位系統無疑是最佳的選擇。

3R工藝基準定位系統是一種機械接口（界面）系列產品，在生產過程中，無論工具或工件在各機床之間交換時，不必找正，總能保持必要的定位精度在1～2μm左右。可“在線加工，離線裝夾”，從而使停機時間壓縮到最低限度。測量環境寬松，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（見圖12）。此基準系統包括了工作臺臺面基準系統以及主軸基準系統。其元件的設計制造極為緊湊，可靠耐用，而且能夠有無限的組合方式。

特點：①所有機床工作臺都要標準化。②具備已知的工件基準系統。③系統的重復定位精度在±1μm以內。④不需打表找正，實現工件快速換裝。⑤工件能夠輕易而精確地在各種機床之間交換。⑥系統必須簡單易用并具有柔性。

圖12　采用工藝基準系統前后加工精度對比

下面將常用的3R Refix系列、3R Macro系列工藝基準定位系統介紹如下：

1. 3R Refix系列工藝基準定位系統

3R Refix技術的基礎是在X、Y和Z軸方向都給出固定基準，從而確保了極高的重復精度。此外，這種定位系統可無限制地應用于各類機床（見圖13）。3R工藝基準定位的基礎件Refix工作臺（托盤）具備間隔為100mm×100mm、模塊化分布、直徑為20m m的精密基準孔群（見圖14）。裝到Refix工作臺中的工裝夾具，都是具備100mm或倍數于100mm標準間距的兩個基準孔。在換裝時，操作者只須在工作臺上找出和夾具相應的兩個基準孔就可以了。為了避免固定式定位銷重復精度差、容易卡死的通病，必須采用獲得專利的膨脹銷芯來定位。3R膨脹銷芯能夠消除工作臺托盤和夾具工作的基準孔直徑之間的間隙，φ20mm銷芯可移動質量≤800kg的工件，并能補償各孔距之間的偏差，而銷芯是靠膨脹來定位的，不會使基準孔產生磨損。3R膨脹銷芯是“一分鐘換裝”合理化快速的關鍵。

圖13　工藝基準系統的應用

性能特點：①最大工件尺寸≤工作臺尺寸。②重復定位精度達±0.002 5mm。③系統精度達±0.002 5mm。④抗扭力矩達2 600N·m。⑤簡單易用。工件基準板可由用戶自制。⑥專利膨脹銷芯。φ20mm銷芯可移動重達800kg的工件。⑦長壽命。膨脹定位工作臺工藝板，膨脹銷壽命50

萬次幾乎無磨損。⑧經濟性。一次性投資。⑨簡化工裝。僅需一種規格的螺釘即可。

圖14　3Refix結構圖

2. 3R Macro工藝基準定位系統

Macro系統是一套通用的工藝基準定位系統（見圖15）。無論對于手動機床還是CNC機床、機床主軸或者工作臺、成批生產或單件生產都能適用。零件制造均使用統一基準，基準元件和零件隨行至零件加工完成，拆除后的基準元件可重復使用。Macro基準系統的應用場合非常廣泛，可在銑床上安裝刀具；磨床上安裝砂輪和頂尖；測量儀上安裝測頭；EDM電火花放電成形機或WEDM線切割機上用于安裝工件或電極；在沖壓機和壓床上用于安裝沖頭或者模具；各種金屬切削機床的主軸頭或分度頭上固定刀具，以及各類機床工作臺上用來固定工件或工裝。

性能特點：①使用方便。自動定心，自動夾緊，一扣即合，簡單迅速。②堅韌穩定。由于基準面有很好的保護，所以對于沖擊和振動不敏感。③經濟耐用。經受得起粗重的工作環境，對于廢屑污物不敏感。④容易搬動。重量輕，所占空間很小。⑤對于溫升不敏感。結構設計保證溫度變化的對稱性，從而確保精度不變。⑥重復定位精度達0.002mm。⑦允許最大工件尺寸54mm×54mm托盤為70mm×70mm×70mm；而7 0 m m×7 0 m m托盤為100mm×100mm×100mm。

圖15　3R Macro系統

微米加工中的測量

傳統的精密檢測儀器對環境和操作人員的技能都有較高的要求，而且價格較高。我公司大量使用的是GBL型系列臺式微位移測量儀，這是我公司自行研制開發的新型測量儀表，它是介于普通量具和高精度三坐標測量機之間的測量工具。不受空間、時間、場地及室溫變化等諸多因素的影響，最適合車間生產現場對零件尺寸和形位公差的測量，精度誤差可達到微米級，重復測量精度2μm，方便適用，屬高性能價格比產品。

性能特點：①測量儀由花崗石工作臺、支架、GBL-50微位移光柵傳感器和GBL-1型微位移數顯表共4部分組成，測量值數字顯示到小數點后3位（公制單位），當切換英制單位時，顯示變為1位整數、5位小數。讀數直觀，不易失誤（見圖16）。②測量值可隨意進行公制和英制單位的轉換。③可以花崗石平臺作為測量基準，也可以在零件的任何部位設置為零基準進行相對測量，減少換算，提高工作效率。④花崗石工作平臺為“00級”精度，平面度3μm，材質為優質天然花崗石，它的線膨脹系數低，具有高強度、高硬度及良好的穩定性。

圖16

G B L型臺式微位移測量儀有4種規格：GBL-1型工作平臺為200mm×300mm； GBL-2型工作平臺為300mm×400mm；G B L - 3型工作平臺為400mm×500mm和GBL-4型（金屬座）（見圖17）。直接測量尺寸范圍0～50mm，擴展可測量尺寸范圍0～300mm。

圖17

收稿日期：（20141229）