浅析微凸起和微坑结构的特种加工成形技术

王 玥

(辽阳职业技术学院，辽宁 辽阳 111000)

从上世纪80年代至今，微机械(也可称为微机电系统)有着非常巨大的发展。特别是伴随着大规模集成电路中微细加工以及超精密加工技术的不断发展与优化，微机械已经开始部分进入实用化、商品化阶段。正是因为微机械的体积较小、能耗很低，更加便与运用到精密加工领域，所以当前在医疗、生物工程、信息工业、半导体加工、军事等领域，微机械都有着非常广泛的应用。有些研究人员还将微机械看作是21世纪最关键的技术之一。微细加工技术是获得微机械的关键技术，现在微细加工的尺度可以达到亚微米数量级，加工单位可以达到原子度量级。相较于传统加工技术，微细加工的不同之处在于：

(1)具有不同的加工精度表示方法。通常进行尺度加工时，传统加工加工精度是用相对精度来表示的;而在微细加工中，必须用绝对精度来表示加工精度。

(2)不同的加工机理。微细加工中，加工单位相较于传统加工技术而言，有着非常数量级的减小，所以微细加工过程中，必须要考虑晶粒作用。

(3)加工特征有着非常大的变化。对于传统加工过程，加工的尺寸、形状以及位置精度是其主要特征;而对于微细加工而言，因为加工对象的微小化，所以通常情况下是按照分离或者结合原子、分子为特征的。

按照被加工对象的形成过程，可以将微细加工分为以下几大类：分离加工：把被加工材料的某一部分通过分解、蒸发或者切削等方法，从整体结构中分离出来;(2)结合加工：同种或者不同种材料之间的附加加工、相互接合加工等。这种加工方式可以再细分为附着、注入以及接合三类。所谓附着就是在材料集体上附加上一层材料;注入就是对材料的表面进行处理，使其出现物理、化学或者力学上的变化;接合就是我们常说的焊接、粘接操作;(3)变形加工：顾名思义，就是对加工材料进行形状变化的加工方式。

1 微凸起结构及微坑结构的放电加工

从形状上来看，微凸起与微坑是两种相互对应的结构，所以，在使用放电加工方法时，只需要制备两种结构中的一种工具电极即可，也就是说通过电火花加工成形技术制备凹或凸形工件中的任何一种，只需制备出一种工具电极。微细电火花线切割加工技术目前最重要的一个应用就是在制备电火花成形时，所必须使用到的微细工具电极。这里电极设计关键之处在于电极材料的选择上，一定要事先确定电极的结构以及尺寸等参数。第一步，将电极的材料确定下来。现如今，电火花加工中通常使用的材料是石墨或者紫铜。用石磨加工出来的电极具有密度小、质量轻等特点，而且加工起来相对较简单。但是最大的缺点就在于石墨垫起力学强度较弱，在使用宽脉冲、大电流加工时，很容易出现起弧烧伤的情况，而且不同质量的石墨材料加工出来的电极在性能上也有较大差异;用紫铜加工出来的电极在组织密度上就好些，而且韧性较强。所以紫铜常用作形状复杂、精度要求高的型腔加工中。其最大的不足之处在于紫铜切削加工性能较差，而且密度较大，不适用于制作大中型电极，但对于微放电加工而言，又有着较大的优势。第二步，微凸起电极尺寸以及形状等参数的确定。假设这里要制备一个大小在φ100μm-φ300μm范围内，深度在50μm以内的微坑，就需要一个尺寸为φ200μm的微凸起电极。在微小器件加工中，电极只需要满足小面积基体即可，我们可以将基体的长宽高规定为10mm、10mm和5mm，紫铜电极末端圆柱的长度控制在25mm。电极的单体既可以是方形，也可以是菱形，但必须是呈阵列式排布。

2 微凸起结构和微坑结构的超声加工

超声加工的工具头端部是一个微小阵列微凸起机构，使用阵列微孔电极，通过电火花直接反拷贝成形加工，从而实现超声电解复合加工方式，来制作阵列微坑结构。所谓超声加工，实质上是通过超声振动工具，在磨料液体介质中形成撞机、抛光、液压冲击等来达到去除材料的目的。也可以使用使用超声频振动，对工具或者工件在某一个方向上进行加工。这里工具的振动频率以及振幅的大小是影响加工效率的关键因素，通常情况下，较高振动频率以及振幅一定程度上能够提高加工效率，但是如果这个数值超过了合理范围，那么工具以及变幅杆就会承受较大的应力，联接处能量损耗将增大，长期使用势必会影响整个系统的使用寿命。所以在实际的加工过程中，可以将振动频率与机头设定为同一频率，出现共振情况，这样就可以得到最大的工具振幅。假如机床的工作频率为19KHz，那么可以实际测得振动频率为19KHz时，工具头的振动幅度是最大的。在使用超声微细加工技术时，还需要注意的一点就是对工件所施加的压力。只有工具头施加的压力合理，才能够以最高的效率加工出最好的工件。施加压力的大小是受到加工面积、工具的材料、工具的硬度以及脆性等多种参数的控制。压力过小，加工时工具头的前端与工件表面之间就会出现一定的间隙，使得磨粒与工件的撞击力度以及撞机深度很难以达到标准;压力过大时，加工时工具头的前端与工件表面之间的间隙虽然变小了，但是磨料与工作液就很难以顺利进入间隙，保证实施更新，从而极大地影响着加工的去除效率。

3 结语

机械加工领域发展至今，可以说已经涉及到了很多学科。在今后的发展过程中，个人认为与生命科学相交叉形成的仿生机械将是一个重要的发展方向。仿生机械与仿生制造已经受到了很多研究人员的关注，这方面现在也有了一些研究成果。上述只是研究了微凸起以及微坑结构的特种加工技术，这两种技术现在也在逐渐的完善过程当中。笔者将在今后的工作中，深入研究放电加工以及超声加工在机械加工领域中的应用，同时也将就仿生机械的相关知识进行全方面的学习与研究，以期能够获得一定的研究成果。

［1］李立斌，朗素萍，谢丽丽，微机电系统与微机械学，机械设计，2003，20(4)：8.

［2］段润保，赵砚江，毛言理，微机械(MEMS)与微细加工技术，河北理工学院学报，2004，26(2)：34.