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机械微机械加工的最新进展
1美国加州大学伯克利分校机械工程系;2日本大阪大学计算机控制机械系统系
摘要
本文从最近的研究和发展文献的角度，综述了与加工过程相关的微制造领域的一些主要驱动因素、发展和未来的要求。本文所述的微机械加工包括使用特定的几何刀具进行切削，以制造尺寸在几十纳米到几毫米范围内的精确的二维和三维工件。评审的主题包括工艺物理，包括材料和微观结构效应，机床，加工和传感，工件和设计问题，软件和仿真工具，以及其他问题，如表面和边缘光洁度，以及对未来发展的展望。
关键词:
微机械加工，模型，机床
确认
这篇论文所依据的文献中的大部分参考文献都是CIRP同事的工作并被引用。此外，作者还感谢以下人士为撰写本文所作的具体贡献:
g . Bissacco博士、丹麦技术大学、丹麦,大肠Brinksmeier教授,德国不莱梅大学f .方舟子博士,新加坡先进技术研究所、新加坡,j·弗莱舍教授,德国卡尔斯鲁厄大学教授f . Klocke WZL,亚琛大学、德国和他的同事,梁教授史蒂文,乔治亚理工学院,美国教授t·森胁神户大学,日本博士h . Ohmori理日本,r . Rajurkar教授,内布拉斯加州大学
1介绍
自从制造业作为一门艺术/科学被确立以来，制造越来越小的工件的动机基本上是相同的——新的应用、更好的性能、更便宜的价格和更高的质量。加工工艺在工件制造中一直起着重要的作用，其精加工能力不断提高。Taniguchi在1983年的论文[1]“定义了我们在接下来的20年里讨论微机械加工的术语”。图1是在[2]中对Taniguchi进行修改后的结果，图1显示了对Taniguchi进行单位切削的微加工能力，单位切削是指在一个加工周期内工件的切削量，例如刀具的一次啮合。
中国机械工业集团公司在微机械加工技术的研究和开发方面有着悠久的历史。最近，Masuzawa和Tonshoff在[3]上的主题演讲以及Masuzawa在2000年[4]上对技术现状的回顾中讨论了微机械加工的能力，并以Masuzawa为例，定义了相对于“太小而不易加工”的部件的微机械加工。
《中国保监会年鉴》第55卷第2期2006
与其他微加工工艺相适应的地方。Alting, et al[5]涵盖了相对于“微工程”这一更广泛的领域，小尺寸零件的制造技术和放置微加工工艺，并讨论了微产品的设计。
图1:随着时间的推移，[2]的微加工能力。
本文主要研究几何定义的切削刃对材料的去除，以制作尺寸在几十纳米到几毫米范围内的精密三维工件。越来越小的部件的动机与[2]中概述的切割技术的改进是一致的。对更轻的重量、更小的尺寸、更高的表面质量和零件精度的要求，同时降低了从机电设备到医疗设备的零部件成本和批量尺寸，迫使我们沿着谷口曲线走。这些都是推动小型化的力量。科学界的反应是积极的，但也是喜忧参半的。也就是说，虽然微机械加工机床的开发遵循传统的缩小传统部件的路径，但过程研究和开发的结构化程度较低。这在文献中是显而易见的。随着单位切削尺寸的减小，刀具刃口几何形状、晶粒尺寸和方向等在较大尺度上被认为影响很小或没有影响的因素，成为影响加工零件精度、表面质量和完整性的主要因素。
这一主题的准备工作得益于最近在有关微尺度制造的文献中出现了一些优秀的报告和出版物。例如，2004年出版的ASME Trans, J. Manufacturing Sciences and Engineering的专刊就涵盖了关于微机械加工的广泛主题，是一本非常好的参考书[6]。同样，由Ehmann和DeVor[7]编辑的WTEC微管理制造小组最近发表的一份报告从美国的角度详细介绍了微管理制造的驱动因素以及该技术进一步发展的机会和要求。
本文旨在对前期工作进行展望，特别强调了对基础过程物理、建模工作、实验验证和机床开发的认识现状和未来要求。对于一般制造和机械微机械加工的研究，除了部分维度之外，还必须从多个不同的“尺度”来看待，包括:社会、感知和过程智能、可重构性、建模和机床。这篇综述不包括像它们那样重要的社会问题或可重构性，但是尝试将其他所有问题都包括在讨论中。根据行业、特性大小和兴趣点的不同，可以用许多不同的方式定义微加工。加工的定义通常涉及材料去除过程，如切割、抛光、蚀刻、溅射、热去除过程等。其中许多工艺用于半导体工业和MEMS相关应用，它们通常被称为微机械加工或纳米机械加工。本文将微机械加工严格定义为刀具啮合小于1mm的特征与几何定义的切削刃的机械切削。根据这个定义，所有的化学、热和磨料加工都被排除在外。
2物理过程
微机械加工结合了传统加工的许多特点。同时，由于尺寸或规模的原因，微机械加工也产生了大量的问题。减小加工规模不会使加工过程的一般特性改变到合理的限度。然而，当要生产的零件尺寸的比例或工作材料的微观结构尺寸与所使用的刀具尺寸(如直径)的比例变小(接近个位数)时，尺寸效应会改变整个加工过程。
尺寸效应有两个不同的方面值得关注，如当切削深度与刀具边缘半径的阶数相同时，工件材料的微观结构对切削机理有显著影响时。
2.1均质各向同性微机械加工
许多材料在加工中被认为是均匀的和各向同性的，不管刀具的边缘半径/芯片厚度比。微机械加工与宏机械加工的主要区别在于切削机理。一般情况下，宏机械加工的切削机理主要是对刀尖前的材料进行剪切，形成切屑。微加工依赖
更复杂的机理取决于大小效应的程度。因此，本文将尺寸效应定义为由于切削深度与刀具边缘半径的比值较小，但材料仍表现为均匀、各向同性的效应。
Backer等人的早期工作显示了可能是由于尺寸效应导致的单位体积的缺陷数量。Boothroyd和Knight[9]用尺寸效应解释了耕耘力，Larson-Basse和Oxley[10]解释了耕耘力对应变速率的贡献。
Nakayama和Tamura[11]认识到，当切割深度很小时，需要考虑在宏机械加工中忽略的一定能量耗散。低速时进行了铜实验(0.1米/分钟)的深度削减从2 - 40米使用工具的边缘半径3 - 4米和17米,地下塑性流动相关机械加工面下的剪切带是重要和占能量消散在这个区。另一个重要的问题是翼面弹性恢复的能量耗散。
Von Turkovich和Black[12]基于对切割深度在1 ~ 100 m的铜铝晶体晶片形成的微观观察，在非常低的切割速度下进行了非常早期的正交微加工。
森胁和奥田硕[13]首创研究实际问题在1980年代末和微加工研究微加工的基本方面包括芯片形成、晶体取向效应和晶界效应(将在后面的小节中讨论),圆角半径的影响的工具,切削力等,并进行了超精密钻石切割铜材料的深度从3 m减少到2.5纳米。在这些水平上观察到连续的芯片形成，并与表面完整性相关，如图2和图3所示。他们还发现，随着切削深度的减小，在0.2 m切削深度时，推力与主切削力的比值增大，推力大于主切削力，说明材料去除机理由切削向犁耕过渡。
早期对微机械加工的研究大多来自光学器件的制造。许多研究人员研究了光学材料的超精密加工，以实现大尺寸透镜的精细表面和精确形状。他们大多使用金刚石车削，因此调查仅限于玻璃和一些有色金属材料。但Moriwaki等人对铜材料的研究[13,14]进一步扩展到钢材[15]。
Weule等人[16]的结论是，由于尺寸效应，切削刃的圆度在微加工中非常重要。由于刀具刃口相对于其他刀具尺寸较大，且由于微刀具加工方法的影响，刀具相对较弱，因此选择合适的切削参数是很重要的。
(a)切割深度:5 nm (b)切割深度:57 nm
图2:正交飞切(切割速度754 m/min)[13]形成的典型芯片SEM照片。
(a)切割深度:5 nm (b)切割深度:82 nm
(c)切割深度:0.41 m (d)切割深度:1.62 m
(切割速度:754 m/min)
2.2各向异性加工
除了前一节讨论的尺寸效应外，工件材料的微观结构效应在微加工中也起着重要的作用。当要生成的刀具尺寸或特征与晶粒尺寸相同，或材料不能被视为各向同性和均质时，切削机理与传统加工有很大的不同。这在传统的单晶或各向异性材料的加工中也可以观察到，但由于尺寸的影响，仍然存在显著的差异。
一般情况下，削尖的单晶金刚石刀具的切削刃半径约为10nm，在亚微米范围内可以实现刀具的切削深度。因此，大多数多晶材料被视为具有随机取向和各向异性的晶粒集合。
Sumomogi et al.[17]对单晶硅进行了一系列微车削实验，观察晶体取向对表面和次表面裂纹产生的影响。采用显微维氏硬度压头作为切削深度较低的车削工具。当表面裂纹消失时，认为加工为韧性加工。未观察到地下裂纹的切削深度小于塑性切削深度，且与硅的晶体取向有关。
Vogler等[18,19]研究了微端铣削过程中单相和多相材料对表面生成和切削力的微观结构影响。他们证实了边缘半径效应对表面生成有显著的贡献，因为最小的芯片厚度，特别是单相材料。他们还报告说，当刀具经过不同阶段时，芯片形成中断导致表面光洁度差。
Schmidt等人研究了材料结构对微铣表面质量的影响。在模具制造中，通常使用高耐磨性材料，在微切削前必须对材料进行热处理，以达到合理的表面光洁度。
Furukawa和Moronuki在不同材料上的[21]微机械加工实验证明，对于多晶、单晶或非晶材料以及脆性或韧性材料，其切削机理是不同的。
他们发现，对于所有被测试的材料(纯铜、铝合金、PMMA、CaF2和锗)，比切削力高度依赖于未变形的薄片厚度(每齿进给量)与刀具啮合长度的展弦比，并且随着切削深度降低到3m以下呈指数增长。切削力随刀具通过晶界而变化，如图4所示。切割单晶萤石和无定形丙烯酸树脂，切割力更一致，表面性质较规则均匀。他们建议对一种特定的材料使用比晶粒尺寸大十倍的切割深度，以避免晶粒的晶体效应。
本金0.3 0。
0.
0.3 0.2 0.1
图4:对应于的切削力变化
铝合金的晶界(晶界可以在
放大图像在A和B)[21]。
在微机械加工过程中，许多研究人员观察到了不同参数的变化，如切削力、切屑形成、多相或多晶粒表面粗糙度等。Sato等人[22]研究了单晶铝正交切割中晶体取向对流动机理的影响，发现切割性能随切割方向的变化可以用结晶滑移体系图5来解释。
(一) (b)
图5:(001)[110](a)、(110)[001](b)侧表面计算的滑移线(上图)及观测到的滑移线
取向[22]。
Yuan et al.[23]也证实了在超精密金刚石切割中，单晶铜、铝的晶体取向对其表面粗糙度和切削力的影响。他们采用微塑性模型来解释切削力和表面粗糙度随晶体取向的变化。他们使用有效的泰勒M因子计算了特定晶体方向的剪切强度，并与实验数据进行了比较。剪切强度的变化引起切削力在不同切削方向上的变化，从而引起材料的振动，除了机械的振动外，还会降低表面质量。他们建议使用细粒材料或等温切割来避免这类问题。
Lee和Zhou[24]进一步完善了微塑性模型，分析了单晶切割剪切带的方向。根据他们的研究，剪切面并不是真正的滑移面，而是晶体中协同滑移过程的结果。通过对单晶铜[25]进行微正交切削，验证了上述观察结果。
2.3最小芯片厚度和比切割能量
各向同性切削和各向异性切削都受到切削深度与刀具有效切削刃半径之比的影响。在微机械加工中，刀具的边缘半径往往与切屑厚度的数量级相同。因此，切削深度的微小变化对切削过程有显著影响。这一比例主要定义了主动材料去除机制，如切割，犁，或滑动，从而产生的质量，表面粗糙度等。一些研究人员已经研究了最小芯片厚度的概念，在最小厚度以下不会形成芯片，或最小切割深度以下不会发生材料去除。这是一种尝试，以了解必要的最小芯片厚度，以确保适当的切割和避免犁和滑动的工具[26,27]。
Weule等人用最小切割深度来解释可实现的表面粗糙度。他们发现，最小切削厚度(或最小切削深度)主要取决于刀具的锐度，其次取决于材料的性能。当切削深度达到最小片厚的上界，材料被剪切机构去除时，根据弹性变形材料的回弹可以预测得到的表面粗糙度。
Kim et al.[28]等观察到在一定的切割深度下的犁耕，表明存在形成切屑的最小切屑厚度。Shimada等人[29]进行了类似的研究，通过分子动力学模拟来确定可达到的最终精度，发现对于铜和铝来说，最小芯片厚度约为切削刃半径的5%。但是Yuan等人在他们的铝合金金刚石车削实验中发现，最小的切屑厚度估计在切削刃半径的20% - 40%之间。因此，最小芯片厚度值随切削刃半径、工件材料和切削过程的不同而变化。在建模工作中，Vogler等人[19]建议应该开发两个单独的力模型来正确处理最小芯片厚度效应。这是微机械加工中获得良好表面质量的关键，需要进一步的努力来积累足够的知识。
Lucca和Seo[31]实验研究了在Te-Cu材料超精密正交飞切中，单晶金刚石刀刃几何形状对比能的影响。当切割深度小于刀具边缘轮廓时，公称前角对比能的影响很大，当切割深度接近边缘轮廓尺寸时，有效前角对比能的影响也很大。
Moriwaki和Okuda[13]以及Furukawa和Moronuki[21]在亚微米切削深度的金刚石车削实验中观察到比能的大幅增加。小深度切削时能量增加的部分原因是由于侧面下工件材料的弹性回复导
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