1-微制造-研究生课件-(1)

1微制造徐林红[e-mail]中国地质大学（武汉）机电学院2一、微制造基础现代制造技术的发展有两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术。另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。探索有效实用的微细加工技术，并使其能在工业生产中得到应用。3手机、掌上电脑等电子消费品。微型分布式发电机、涡轮机、燃料电池以及换热器。医学筛查和诊断芯片的微元件、生物化学传感器、芯片实验室系统微型飞行器和微型机器人微型传感器和执行器一、微细加工概述微小产品的应用微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，受到世界各国的高度重视并被列为21世纪的关键技术之首。4一、微制造基础45一、微制造基础5微型直升机掌上飞机6一、微制造基础6微型机器人7比如，美国宇航局投资1亿美元着手研制“发现号微型卫星”；近年来，中国不仅在太空中发生大量的大型卫星，甚至还发射了无数的微型卫星，而美国对这些微型卫星根本没有侦查能力，因此对此担忧不已。美媒猜测，中国这些微型卫星拥有激光武器等攻击方式，能够瘫痪或扰乱别国卫星，而且这种微型卫星数量太多将成为太空地雷，对美国卫星造成巨大的威胁。而且美媒还认为中国已经研制出了最新的纳米卫星，并且已经发射，这种卫星不可能被发现，却能准确的掌握太空各种信息。卫星有大型、小型卫星、微型卫星和纳米卫星，区别是：小型卫星为一种可用常规运载器发射的航天器，质量为100～500kg；微型卫星定义为所有的系统和子系统都全面体现了微型制造技术，质量为10～100kg；纳米卫星是一种尺寸减小到最低限度的微卫星，质量为1～10kg。一、微制造基础8微机械的特点(1)体积小、重量轻、精度高。其体积可小至亚微米以下（小于20微米，人眼已不能分辨），重量可轻至纳克，尺寸精度可高达纳米级。已经制出了直径细如发丝（头发丝的直径约0.07mm）的齿轮、能开动的3mm大小的汽车和花生米大小的飞机。(2)性能稳定、可靠性高。由于微机械器件的体积极小，几乎不受热膨胀、噪声及挠曲变形等因素的影响，因此具有较高的抗干扰能力，可在较差的工作环境下稳定地工作。一、微制造基础9(3)能耗小、响应快、灵敏度高。完成相同的工作，微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，而运作速度却可达其10倍以上。如微型泵的体积可以做到(5mm×5mm×0．7mm)，远小于小型泵，但其流速却可达到小型泵的1000倍。由于机电一体的微机械不存在信号延迟等问题，因此更适合高速工作。(4)多功能化和智能化，既能感知环境又能控制环境。许多微机械集传感器、执行器和电子控制电路等为一体，特别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功能和智能化。(5)适于大批量生产，制造成本低廉。微机械能够采用与半导体制造工艺类似的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部件，因而可大幅度降低制造成本。如美国的研究人员正在用该技术制造双向光纤通信所必须的微型光学调制器。通过巧妙的光刻技术制造芯片，做一块芯片只需几美分，而过去则要花5000美元。一、微制造基础10一、微制造基础10产品尺寸：介观（1-10mm）到微观（1-1000μm）11一、微制造基础11微机电系统（MEMS）：尺寸在亚微米（0.1μm~1μm）到亚毫米（0.1mm~1mm）之间。介观（mesoscopic）”这个词汇，由VanKampen于1981年所创，指的是介乎于微观和宏观之间的尺度。介观的特征尺度为：10-9~10-7m。12一、微制造基础12微机电系统（MEMS）硅基材料加工，主要是分层制造，电化学沉积等微电子制造技术和工艺。局限性：材料类型（仅限于硅与溅射蚀刻金属薄膜的组合）。零件的几何形状（2D和2.5D）。性能要求（可实现的机械运动类型、耐久性和强度等难以满足）成本高（低效和顺序工艺）13一、微制造基础13微制造技术目标：能够利用合金和复合材料来加工低成本3D微小零件，且具有良好的耐久性、强度和表面粗糙度。微制造技术分类：微拉伸微压印微冲压微锻造微切削微细电火花激光束微加工微成形微加工14二、微成形14微拉伸微压印微冲压微锻造微成形152.1微成形机理/微成形系统微成形（微尺度变形加工）是利用塑性变形加工至少在两个方向上几何尺寸为亚微米的微型构件的成形方法162.1微成形机理/尺寸效应材料的塑性变形是通过晶粒的滑移、转动和变形实现，位于材料表面的晶粒没有约束，与内部受约束的晶粒相比更容易产生变形。宏观条件下，材料的表面积与体积比值比较小，表面晶粒所占的分数小，而对于微成形中的加工对象而言，其特征尺寸大多处于毫米下，因此与宏观构件相比，微零件的表面积与体积之比要比宏观大很多。对于同样晶粒度的试样，特征尺寸（试样尺寸）变化引起材料体积与表面积的变化，这对材料性能具有一定的影响。而对于特征尺寸处于毫米级以下材料，晶粒尺寸的大小对材料的晶粒数以及内部晶粒与表面晶粒所占的比例起着重要影响。172.1微成形机理/尺寸效应微成形中的尺寸效应：当成形加工尺度从宏观降到亚毫米以下时，工件的微结构、表面形貌等保持不变，将导致构件尺寸（如厚度、宽度、长度和高度）和微观结构（如晶粒尺寸）和表面参数（粗糙度）的关系发生改变，即通常所指的“尺寸效应”18微成形中材料的非均质连续性：材料的变形区内只有几个晶粒，不能看成是均质连续的，单个晶粒的尺寸和取向对材料的行为有显著的影响。依据著名的Hall-Petch关系，材料的强度（如流动应力）随材料晶粒尺寸的减小而增大。但当晶粒尺寸接近板材厚度（单晶粒变形）时，出现了与Hall-Petch相反的流动应力-晶粒尺寸关系。当晶粒尺寸与工件特征尺寸（板材厚度）为同一尺度时，表现为各向异性。2.1微成形机理/尺寸效应192.1微成形机理/尺寸效应20在微尺度体积成形领域，使用铜合金的墩粗和压缩试验显示出流动应力随着微小化程度的增加而减小。表面层模型：位于表层的晶粒内部位错受到的限制较材料内部的晶粒少，因此表层晶粒的硬化较小，由于微小化中自由晶粒数与内部晶粒数之比增大，从而引起流动应力减小。2.1微成形机理/表面层模型21材料硬化效应：当试样等比例减小到很小尺寸时，测量到的硬度减小，另外，材料硬度值与流动应力成一定比例关系。因此，对小尺寸试样，不能通过拉伸或压缩试验获得材料数据时，可以利用硬度和流动应力的关系构件材料的流动规律曲线。2.1微成形机理/材料硬化效应22微小化对摩擦的影响：摩擦力随试样的尺寸减小而增大。开式和闭式凹坑模型来解释与表面边缘相通的粗糙度谷底不能存润滑油，这些开式的润滑坑不能分担载荷，导致较大的摩擦力。另一方面，闭式的凹坑可以封闭润滑剂，有助于载荷的传递，因此减小了粗糙峰上的正压力。2.1微成形机理/摩擦效应随着尺寸的减小，开式凹坑与闭式凹坑的比值增加，这导致了摩擦力增大。23与表面边缘相通的粗糙度谷底不能存润滑油，这些开式的润滑坑不能分担载荷，导致较大的摩擦力。另一方面，闭式的凹坑可以封闭润滑剂，有助于载荷的传递，因此减小了粗糙峰上的正压力。随着尺寸的减小，开式凹坑与闭式凹坑的比值增加，这导致了摩擦力增大。2.2微锻造242.3微弯曲252.4微拉伸26三、微加工微切削微细电火花激光束微加工微加工27微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。三、微细加工28热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法3.1微细加工概述29◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半径（可小到5μm）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。单晶金刚石铣刀刀头形状3.2微细机械加工30微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。◆微细机械加工设备◆FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床3.2微细机械加工31机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。BX导轨B轴回转工作台空气涡轮主轴刀具C轴回转工作台工件Z导轨空气油减振器CFANUC微型超精密加工机床3.2微细机械加工3.3微切削加工技术及难点微切削是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式。随着微机电系统和微机械的多样化发展，对拥有不同机械性能与电子特性的微元件的需求也显得越来越迫切。采用微切削技术可以实现多种材料任意形状微型三维零件的加工，和其他微细加工技术相比，具有体积小、能耗低、生产灵活、效率高等优点。还可利用CAD/CAM技术实现三维数控编程，几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。和某些特种加工方法相比，微细加工切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。与当前科技密切相关的主要的微型制造系统及微制造的产品有：国防领域中的光学元件等、微型传感器、微制导系统；航空航天领域中的微推进系统、卫星零部件、微激光陀螺等；电子领域：电子封装、微马达、微型夹持与微装配系统等；医疗领域中的微小型外科手术、血管支架、生物芯片、血管机器人等。3.3微切削加工技术及难点3.4微切削加工范畴微切削指加工尺寸在1mm以下、精度为0.01～0.001mm零件的切削加工。T.MasuzeWa定义微切削为切削厚度小于999μm的切削过程。试验中他把切削厚度选择在1～200μm。国际生产工程协会CIRP物理化学科学制造过程会议把加工尺度定义在1～500μm。A.Simoneau认为微切削定义应从切削特点上真正反映微切削与宏观切削的分别，即尺度效应的出现。Subbiah.S认为微切削是以下三种情况下的微量材料去除过程：一是微小产品及部件的加工过程；二是制造大型工件上的微小、复杂结构；三是在大型工件上制造精密的光滑表面。因此微切削并不完全需要微小尺寸的刀具，用宏观切削中的刀具也可以做到微切削。近二十年来，各国的研究者对微切削尺度范畴定义并不统一，主要有以下观点：3.5微尺度下材料去除机理/尺寸效