微型制造工藝簡述

《先進(jìn)制造系統(tǒng)》課程結(jié)課論文微型制造工藝簡述姓名：班級：學(xué)號：任課老師:二0一六年六月微型制造工藝簡述摘要：微型制造指的是高精度的三維產(chǎn)品制造，其結(jié)構(gòu)尺寸范圍是從幾十微米到幾毫米。微電子制造技術(shù)(VIIIMS)在半導(dǎo)體和微電子領(lǐng)域已有了很好的應(yīng)用，但它并不能滿足廣泛的非硅材料以及復(fù)雜三維幾何形狀制造工藝的要求。同時，在工業(yè)和軍工領(lǐng)域，特別是在醫(yī)療、生物、通訊和能源領(lǐng)域，對微型化產(chǎn)品的要求與日俱增。這些產(chǎn)品包括：微型手術(shù)刀、可在血管里運(yùn)動的微型潛艇、微型電池、攜帶式電子裝置、照相機(jī)、微反應(yīng)器、無線電裝置、微型泵和閥、微型噴嘴以及微型模具等。微型制造的可行性與制造成本是產(chǎn)品占領(lǐng)市場的根本條件，而這些取決于制造工藝。關(guān)鍵詞：微型制造；系統(tǒng)；桌面工廠微型制造系統(tǒng)或微型工廠是微小零件制造系統(tǒng)一個創(chuàng)新的概念，它不是傳統(tǒng)系統(tǒng)或工廠單純地在尺寸上縮小，而是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),以一種創(chuàng)新的思維方式和技術(shù)路線指導(dǎo)下的產(chǎn)物。根據(jù)微型化和造設(shè)備與系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，目前涉及的技術(shù)可歸納為兩個方面：單元微型化技術(shù)和系統(tǒng)集成化技術(shù)，微型制造對我國有著重要的影響。微型工廠定義及研究實(shí)例桌面工廠是在日本很流行的微型制造工藝，它是將整個微型制造系統(tǒng)置于桌面上，利用微型化的車床和加工中心進(jìn)行微型加工，其裝配和工件的運(yùn)輸均由微型機(jī)器人完成。例如，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)的一臺DTF包含了質(zhì)量為1009、外形尺寸為32mmX25mmX30.5mm的微型車床（其轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min,定位精度為25nlTl）以及轉(zhuǎn)速可達(dá)300000r/min、精度為50啪的高速銑等。DTF的特點(diǎn)是高度的微型集成化，它可以將工廠設(shè)置在手術(shù)臺旁、遠(yuǎn)行的輪船上甚至飛機(jī)機(jī)倉內(nèi)，隨時加工所需要的部件，同時還提供了最小能源化的途經(jīng)，為企業(yè)在國際市場中的競爭創(chuàng)造了有利條件。室的微型工廠模型。該輕便的微型工廠尺寸為625mmX490mmX380mm,質(zhì)量為34kg。該微型工廠包括微型車床、微型銑床、微型壓力機(jī)、微型機(jī)械手、微型機(jī)器人以及3臺微型CCD攝像頭和1臺液晶監(jiān)測器。其中微型車床尺寸為32.0mmX25.OmmX30.5mm,質(zhì)量為100g,主要包括了主軸單元、線性進(jìn)給單元和刀夾部分；微型壓力機(jī)的高度僅有170mm;微型銑床尺寸為120mmX120mmX100mm,成形末端是直徑為2mm的手柄；微型機(jī)器人包含一微型傳遞手臂，具有三向平移自由度和一向旋轉(zhuǎn)自由度。該微型工廠沒有考慮加工對象，但是卻給微加工提供了廣闊的思路。另一模型是ISTF公司研發(fā)的微型工廠。該系統(tǒng)包括加工單元、裝配單元和傳遞單元三部分，桌面尺寸為60X65X75mm,能夠加工質(zhì)量為幾克的微小零件。其中加工和傳遞單元是采用全新的設(shè)備，裝配單元設(shè)備是對傳統(tǒng)設(shè)備本身尺寸的縮減。加工單元包括了電化學(xué)加工裝置、微型泵和識別裝置等，裝配單元有2個帶有7個自由度和7個超聲馬達(dá)的微型臂、精密平臺和一些工作工具?？梢栽诙ㄎ环直媛蕿閛.5且m的精密平臺上實(shí)現(xiàn)裝配。傳遞單元則有一系列微型致動器來驅(qū)動。丹麥學(xué)者提出了“丹麥微型工廠”和微型工廠群［1?\該微型工廠群用于微型工廠中新技術(shù)的開發(fā)，具體包括微型化機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)和微型化的檢驗(yàn)裝備。其中微型化機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)用來開展三維微型結(jié)構(gòu)和裝配技術(shù)的研究；微型化的檢驗(yàn)裝備用來檢查質(zhì)量缺陷和獲取工藝數(shù)據(jù)等。微型工廠的發(fā)展對微型加工設(shè)備的發(fā)展提出了更高的要求。相反，微型加工設(shè)備的進(jìn)步也推動了微型工廠的發(fā)展。兩者是相輔相成，互相促進(jìn)的。目前微型加工設(shè)備的研究實(shí)例有很多，包括微型磨床、微型鉆床、微型銑床和微型沖床等。例如瑞士的AGIE和聯(lián)邦技術(shù)中心等聯(lián)合開發(fā)的桌面電火花加工機(jī)。瑞士聯(lián)邦技術(shù)中心開發(fā)了的Delta3結(jié)合AGIE開發(fā)的電火花加工機(jī)［”］。據(jù)報道它的工作體積為8mmX8mmX8mm,有5nm的高分辨率和高達(dá)600Hz的頻帶寬。為了更好地運(yùn)行，采用了一個“基于柔性連接的并聯(lián)運(yùn)動機(jī)構(gòu)”來減小摩擦、磨損和間隙。還采用了3臺線性電磁電動機(jī)來驅(qū)動該機(jī)器，大大提高了精度，在蝕刻小零件時能夠達(dá)到所期望的loonm的精度，其精度比市場上現(xiàn)存的電火花加工機(jī)的精度要好得多。目前，人們設(shè)計制造了首臺樣機(jī)，并進(jìn)行了激光切割。還有微型注射模塑機(jī)［11］的開發(fā)。此外還有基于掃描電鏡的微型增量成形機(jī),納米壓痕系統(tǒng)，微型模壓裝置，基于掃描電的拉伸測驗(yàn)機(jī)和用于微米材料及結(jié)構(gòu)的疲勞檢測系統(tǒng)等。這些實(shí)例都表明了用微小設(shè)備進(jìn)行材料處理和檢測是可行的。微型加工和檢測設(shè)備的發(fā)展必會推動微型工廠的進(jìn)一步發(fā)展。微成形工藝的研究工業(yè)上已經(jīng)能夠成形小型零件，但是，在零件特征尺寸為幾十個微米或者零件的精度要求小于幾個微米時，對其成形出現(xiàn)了很多問題。相對于微機(jī)械加工和化學(xué)蝕刻等工藝，具有高生產(chǎn)效率、良好的材料完整性、少或無加工廢料、低的加工成本等優(yōu)點(diǎn)的微塑成形無疑是更好的生產(chǎn)方式，目前研究較多的微成形工藝有微沖壓（微彎曲、微拉伸、微壓印等）、微體積成形（微擠壓）、微超塑成形、微注塑、微壓鑄等。微彎曲經(jīng)常被用來加工微彈簧、微型夾頭、連接器、引線框等微細(xì)三維立體零件。Hee-WonJeong等口1對薄片合金玻璃進(jìn)行了微彎曲和扭轉(zhuǎn)。試驗(yàn)在真空中進(jìn)行，首先利用激光對薄片合金玻璃懸臂梁進(jìn)行加熱，然后在微彎曲和扭轉(zhuǎn)下變形,該變形過程沒有發(fā)生結(jié)晶。驗(yàn)證了成形三維微結(jié)構(gòu)方法的可行性。微拉伸可以生產(chǎn)出形狀很小的杯形、殼形零件。但是它的工藝相對微彎曲來說要復(fù)雜的多，在摩擦、各向異性、變形的不均勻性等方面，較之其他工藝更為突出，而且這方面的研究和報道也較少。Saotome等在自行研制的裝置上進(jìn)行了深拉深試驗(yàn)，研究了不同凸模直徑與板料厚度的比值對板料成形性能的影響。微沖壓也是一種很重要的微成形工藝方法。Gwo—LianqChern等研制了一新型的微型沖壓機(jī)。眾所周知，沖壓成形中要保證凸模和凹模的對中性以及凸凹模之間的間隙均勻是非常困難的。因此，該裝置采用了CCD攝像頭的監(jiān)測來保證凸凹模的對中性和均勻間隙。利用此裝置在厚度為0.1mm的不銹鋼SUS304上成功沖壓出了直徑為0.1mm和。.2mm的孔。M.Geiger等口1在研究微沖裁加工時發(fā)現(xiàn)，剪應(yīng)力并沒有隨著產(chǎn)品的微型化而減小，當(dāng)板料厚度減小到一定的時候,材料的臨界減切強(qiáng)度又會輕微地增加，而且這種現(xiàn)象不會隨晶粒尺寸改變而改變。X.Peng等對基于激光加熱的微型件沖壓進(jìn)行了分析，因?yàn)榧す饧訜峥梢越档蜎_壓力和增加深寬比。通過實(shí)驗(yàn)和模擬指出了對于導(dǎo)熱性差的材料（如不銹鋼316）采用低功率激光加熱可以產(chǎn)生理想的溫度分布。另外研制了管狀沖頭的裝置，如此激光束可以通過管狀孔照射到工件表面。微擠壓是微成形中較為典型的工藝。但是各國對此的研究處于起步階段。Y.Saotome等教授對此進(jìn)行了大量的研究。并利用自行設(shè)計和制造的反擠壓微成形機(jī)械系統(tǒng)成功反擠壓出模數(shù)為0.1mm,齒數(shù)為10的微型齒輪。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張凱峰等對鋅合金和鋁合金進(jìn)行了超塑性擠壓成形研究，分析了成形壓力、保壓時間等對微成形的影響以及材料在微成形時的行為。大連理工大學(xué)在微塑件成形方面進(jìn)行了探索，臺灣陳嘉濠對微注塑的尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)束語目前，有許多微型制造工藝方法和裝備，但大多數(shù)都是引用現(xiàn)有的傳統(tǒng)工藝，微型制造工藝對我們生產(chǎn)工藝有很大的影響，我們大學(xué)生應(yīng)該努力學(xué)習(xí)這方面的知識，只有多學(xué)科，多領(lǐng)域的共同研發(fā)才能促使微型制造工藝的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：【1】RuprechrR,GietzeltT,MulerK.Injectionm01dingofmi—crostructuredcomponentsformplastics.MetalsandCeramicsMicrosystemTechnologys,2002,(8)：351?358【2】 JeongHeeWon,HataSeiichi.Microformingofthree-di—mensionalmicrostructuresfromthin—fllmmetallicglass.JoumalofMicroelectromechanicalSystem,2002,12(1)：42?52MicromanufacturingprocessdescriptionAbstract：Micromanufacturingreferstothehighprecisionof3dproductmanufacturing,thestructuresizerangefromafewmicronstoseveralmillimeters.(伽MS)microelectronicsmanufacturingtechnologyinthefieldofsemiconductorandmicroelectronicshasverygoodapplication,butitdoesnotmeetawiderangeofnonsiliconmaterials,andcomplexthreedimensionalgeometrymanufacturingprocessrequirements.Atthesametime,inthefieldofindustrialandmilitaryindustry,especiallyinthefieldofmedical,biology,energyandcommunications,therequirementofminiaturizationproductisgrowing.Theseproductsinclude:miniaturescalpel,inthebloodvesselsinthemovementoftheminiaturesubmarines,microbatteries,portableelectronicdevices,cameras,microreactor,radios,micropumpandvalve,micronozzle,microm