微细加工技术的发展及应用
黄伟民
摘要:微细加工技术是现代加工技术手段的新发展,是二十一世纪关键技术之一。本文介绍了微机械与微细加工技术的发展过程、技术特点以及相关理论基础,并具体阐述了微细加工技术的应用、发展的意义、存在的问题及发展要求。 关键词:微细加工 微电子 微铣削
1.微细加工技术的概念
微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技 折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能和光纤传感、光学术的总称,从广义上讲,微细加工技术包含了各种传统精信息处理、成像系统、光通信、光计算、光互连、光盘、光学密加工方法和与其原理截然不同的新方法,微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。在微机械研究领域中，从尺寸角度，微机械可分为1mm~10mm的微小机械，1μm~1mm的微机械，1nm~1μm的纳米机械，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密切削加工等多种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。从基本加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等；接合加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性和热处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作，正是借助于微细加工技术才
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使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。目前，微细加工技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥日益重要的作用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节。如微细切削技术,微细切削技术是一种由传统切削技术衍生出来的微细切削加工方法，主要包括微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。微细车削是加工微小型回转类零件的主要手段，与宏观加工类似，也需要微细车床以及相应的检测与控制系统，但其对主轴的精度、刀具的硬度和微型化有很高的要求。图1.1为用单晶金刚石刀头加工的微型丝杠。微细钻削的关键是微细钻头的制备，目前借助于电火花线电极磨削可以稳定地制成直径为10um的钻头，最小的可达6.5um。微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产效率高，便于扩展功能，对于微机械的实用化开发很有价值.
图1.1
在微电子方面目前已有大量的微型机械或微型系统被研究,微电子技术方面。随着器件特征尺寸的不断缩小,出来,如用于航空航天、汽车工业、医疗器械、军事武器、单纯以特征尺寸的缩小而提高集成度的微电子技术的一器人等领域的各种微型压力传感器、加速度传感器、温度方式发展模式面临着来自于基本物理规律、材料、技术、传感器、智能传感器;用于军事领域的微型机器人、飞行器件、系统和传统理论方面的物理限制,这些限制迫使微器;用于医疗卫生领域的微
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型泵、微型阀等手术器械;用于电子技术的发展要呈现出多维发展的模式,如克服限制、航空航天工业和武器工业的微型开关,用于计算机、核工 发展纳米新技术、研究新的器件结构、微电子技术与其他业的各种微型喷嘴;用于仪器仪表、计算机和机械工业的技术相结合等等。
2微细加工技术的研究现状
从国际上微细加工技术的研究与发展看，主要形成了以美国为代表的硅基MEMS 制造技术，以德国为代表的LIGA 制造技术和以日本为代表的传统加工方法的微细化等主要流派。他们的研究与应用情况基本上代表了国际微细加工的水平和方向,我国的超精密加工技术起步晚于国外，微细结构表面及微小元件超精密加工技术的研究才刚刚起步，近年来，我经过政府和研究部门的努力，在超精密加工技术的研究领域已经取得了很大进步，在某些单项关键技术的研发方面甚至已经达到了国际先进水平。中科院长春光机所进行了光学零件的超精密研抛技术方面的研究，实现了离轴非球面的加工；哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、微纳米切削加工机理、金刚石刀具晶体定向和刃磨、刀具磨损破损机制、脆性材料超精密加工时的去除机制等方面开展了卓有成效的研究工作；清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究；国防科技大学自主研发了离子束和磁流变抛光技术，在抛光工艺与装备的研究方面取得了长足进展.
3.微细加工的应用
结构和零件的微型化是技术领域的发展趋势之一，开发经济上可行的微细加工技术对于微型技术的发展具有重要意义。微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细微细加工技术是精
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密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。
目前，产业化的微细制造技术主要用在半导体工业，它们仅仅对大批量生产是经济的；在印刷制版术行业里使用的微细制造技术对所加工的几何形状及所能加工的材料又有很大的局限性。与这两种制造技术比较，微细切削加工可以弥补上述的缺点，因此，开发微细切削技术是微细制造技术的新领域。微细切削加工的第一批装置是美国在60年代末开发的，主要用于加工光学件的表面，并由此诞生了超精加工技术。目前，在光学、电子和机械零件加工中达到了微米和亚微米的精度和几十个纳米的表面粗糙度。在八十年代末，德国的卡鲁斯厄研究中心把微细切削用于在微型元件的表面上加工微细的纹理，制造微型热交换器：它们对一个圆筒上的铜箔或铝箔用单晶金刚石制造的刀尖进行切槽，最终做成一个微型的、效率很高的热交换器。直到九十年代，微细切削主要是用金刚石刀具加工有色金属零件。随着微型技术应用领域的不断扩大，要求能加工更多样化的材料，尤其是对钢和陶瓷的微细切削，成为微细切削技术的发展方向.微细加工技术结合了超精增亮和超精抛光两项革新技术，能够有选择性地保留表面的微观结构，以提高表面的摩擦和滑动性能，以机械化和自动化取代传统的手工抛光，提高表面的美学功能。这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具，航空、汽车、医疗器械、塑料注射模具等机械零件的表面处理，能够极大地改善零件表面的性能,微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。这些
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微观结构能提高零件表面对特定应用功能的适应性。如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改善涂镀前后表面的沉积性能等。微细加工技术是一种有选择性地精修被加工对象表面微观粗糙度和拓扑结构的创新性微观加工工艺。这种机械化学加工工艺是一种全自动化的加工工艺，适用于汽车制造、电子、化工、冶金、机械制造、航空制造等行业，尤其是注塑模具、刀具和机床工具、高精密零件、光学器件，以及硬涂层处理前后的表面预处理加工。微细加工技术通过改变材料表面的微细结构，能够减小摩擦、提高抗磨损性能，显著地提高材料的表面性能，在刀具行业具有广阔的应用前景。如采用超精增亮技术，彻底消除次级微观粗糙表面，减小摩擦，能够提高刀具的排屑性能，降低切削力；而保持初级粗糙表面，有利于保护润滑油膜，提高刀具的排屑性能，减少发热；如果在涂层处理前优化预处理涂层基面，或者在涂层之后彻底清除涂层引起粗糙表面，则能够提高pvd涂层的附着性能，延长刀具的使用寿命，消除刀具表面的积屑瘤问题。
这种创新的加工工艺近几年来在诸多工业领域的实际应用清楚地表明，微细加工技术能够大幅降低超精加工的成本；极大地缩短生产周期；方便地提高表面的质量，并且采用这种加工工艺加工出来的表面具有无以伦比的一致性和再现性。微细切削是微细加工工艺的一个重要延伸，尽管目前微细切削所能加工出的零件细节不及微细电加工所达到的程度，但它与激光刻蚀加工等技术一起可在各种各样的材料上加工任意的空间结构。此外，它比基于平板印刷的微细技术需要的设备少，也省去了昂贵的母板制造，总之，零件的微细切削加工对于经济地制作中等批量的微型构件有很大的优势。
总结:精细加工加工设计未来会涉及到国民经济的的各个方面,对我国机械加工,
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国防工业,生物工业等高科技及时领域有不可替代作用的作用, 未来微机械和微细加工技术的研究仍然要立足于微观理论基础的研究和微细加工技术的探讨开发上。随着人们对微观世界的深入了解和掌握，微细加工技术手段必将发展向更高的层次，促进人类社会通往更高层次的文明时代。
参考文献:
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2.傅惠南，李锻能，王成勇，纳米机械加工与材料表面性质研究，电子显微学报3.尚广庆，孙春华，纳米切削加工模型的研究，工具技术 4.《互动百科》
《微细加工技术的发展及应用》 《激光微细加工的发展》 5.百度文库
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