精密超精密加工技术在微机械制造中的应用

精密超精密加工技术在微机械制造中的应用

罗晓明张旭

(天津航空机电有限公司天津300300)

摘要：微电子器件制造技术、微机电系统制造技术以及微光电子器件制造技术合称三微制造技术。目前与“三微”系统直接有关的航空背景型号主要有:微小型无人机、超高速天空飞行器、四代机、微小型武器等。其中微机电系统及微机电器件是机载设备发展的主要方向之一。该技术可应用于飞机的灵巧结构、灵巧蒙皮、雷达、导航、控制、微型武器、微型燃气涡轮发动机等。微机电系统制造技术是发展微型飞机的核心技术，要发展微型飞机、加快机载设备的更新换代，就必须发展航空微机电系统制造技术，建立相应的研究开发基地，逐步形成航空微机电制造产业。

关键词:微机电系统；超精密加工；微机械制造

一、微机电系统的应用

微机电系统NEMS目前已经在现代化国防建设领域得到广泛的应用，尤其是对信息获取、传递和处理等装备的小型化、智能化(如微卫星、微飞行器)的研究已成为当前的热点。从某种意义上讲，未来战争更是高新技术之间的较量NEMS技术的飞速发展，使得在未来战争中将不断涌现出更多的微型新概念武器。

NEMS主要应用领域有:制导、导航、微型卫星、兵器、雷达、光通讯、微波通讯医学等领域。首先作为军事需求牵引而发展的微系统技术，首先在军事上得到了应用，例如最早发展的微系统惯性技术和红外技术已经成熟，并在海、陆、空军和航天等领域都得到应用。

（一）空间应用

对于航天器来说，减小重量和尺寸，不仅可以减少2-3万美元/公斤的发射成本，更重要的是可以缩短研制周期，降低成本，增强机动性。NEMS为航天器的微型化提供了重要的技术手段，使得人们可以将卫星越做越小，如美国在1999年2月6日发射了一对皮卫星Pico-Sat每颗仅重230克。可以预见，将预制好的皮卫星的功能模块根据任务的需要进行系统集成，在短时间内就可以完成卫星的封装、测试，这种机动、灵活性在军事上有极大的实用意义。

（二）单兵武器应用

从战争史来看，最终解决问题必须出动地面部队，因此，发展优良的单兵武器始终是非常重要的。现代战争决定了未来的单兵武器会越来越信息化、智能化、轻量化。单兵信息系统将是单兵武器最重要的组成部分，包括战场信息探测、处理和传输显示等部分，如微型收发机用于接收、发射信息和控制指令，微传感器系统探测战场环境和有害物质，微型飞机用于侦察、电子干扰和攻击，微型GPS用于确定方位等。毫无疑问，单兵武器需求量大，且必须为便携式，因此对于单兵武器来说微型化、低成本是其基本要求NEMS将发挥重要作用。

（三）电子对抗应用

未来的高技术战争在某种程度上讲是一场信息战，现代战争对信息的依赖性越来越强。信息战中最常用的手段就是使对方变成“聋子”、“哑巴”、“瞎子”，而己方有“千里眼”、“顺风耳”，要做到这一点必须在电子对抗上占有优势，NEMS在电子对抗方面将会发挥重要作用。例如采用NEMS技术可以制造出无源干扰机器件，并能实现单片集成，降低成本和减小尺寸。此外，无线通讯网络、相控阵雷达、导弹引信头等都存在上述问题。

（四）智能引信应用

为了提高打击效果，总是希望能在最佳时刻引爆战斗部。要实现上述目标，必须有智能引信系统，采用NEMS技术可以将碰撞、差压、惯性等传感器和控制电路集成在一起，构成一个低成本的微型智能引信系统。

（五）微型能源

当系统微型化以后，一个不可避免的问题将会限制微系统的应用，那就是能源问题。无论系统做得多么小多么好，如果没有高效微型能源，那样微系统的应用将会非常有限。采用NEMS技术可研制微型涡轮发电机等微型高效能源，其能源密度远高于目前的能源系统，可为能源系统的微型化提供一条有效的途径。

二、微型制造系统中的关键技术

（一）微型加工设备的设计理论与制造技术

微型加工设备与传统机床在机构上有很大的区别，主要要求结构既要体积小、质量轻，又要有很高的静态和动态特性，因此，对其主轴等关键零件，必须要进行详细的结构动静特性分析与优化设计，使有限的空间和有限的材料能最大限度地发挥其性能，使整个微型加工设备结构布局和性能达到最优。因此要研究微型加工设备典型零件、部件及整机的建模、仿真、动静态特性分析和优化设计等方面的问题。

微型加工设备各主要零、部件的特点是微小，如何制造出精密的微小零件，并将它们装配成部件和整机是其中的关键内容之一。在完成微型加工设备本体的设计和制造后，要想使其能进行真正的切削实验，必须研究微小零件的装夹问题、微型刀具的设计及制造等关键技术问题。用超精密微细切削方法加工典型的微小机器零件，就切削尺寸而言属于细观切削的范围，有关细观切削过程中材料的去除机理工艺参数选取，也是关键技术之一。

微型加工设备核心是机床，它结构小而全，十分复杂，因此在设计方面必须要用现代设计理论和方法对其进行结构设计和动静态特性分析。使有限的空间和材料能充分发挥其效能。而在制造和装配时必须要依靠精密和超精密加工技术。此外，有一点要说明的是加工微小零件的机床并不一定需要微型机床，关键的是机床的精度及其动态特性。

（1）主轴部件

微型主轴是微型加工设备的核心部件，可以分别选用高精度微小滚动轴承、高精度气体静压轴承等为支承元件，采用直装式微小直流电极为驱动元件实现主轴的高精度、高转速回转，为此要将主轴系统的每个元件都简化成为有限元模型，对主轴系统进行动静态特性(静刚度和动刚度)的有限元分析，在此基础上，用最优设计理论对其进行结构优化设计，使主轴在满足性能要求的前提下，重量最轻，以最大限度地降低功率消耗。

（2）进给机构

微型加工设备的另一个重要部件就是双向进给机构。可以采用传统的滚珠丝杠定位方式，定位精度可以达到0.1μm同时也可以采用二维X-Y微动工作台方案，使用双向压电陶瓷作为驱动元件，推动弹性环节，利用位移放大原理将位移放大，实现双向各100μm行程的微量进给，定位精度为0.1μm。

（3）导轨机构

进给导轨也是微型加工设备的一个关键部件，为了保证导轨的精度，可以采用气体静压导轨、液体静压导轨等。

（4）微细切削及微细磨削试验

为了对微细切削过程切削力进行有效的测量，可以研制一台特殊的一体化微小刀架，即刀架不仅具有夹持刀具的功能，还要有微切削力测量的功能。以便对切削过程进行有效的监控。在此基础上，利用研制的微型加工设备对铝、铜等金属进行精密切削实验，通过实际加工，对微型加工设备的各方面性能进行检验和考核。同时利用研制的超精密磨床以及ELID技术可以进行微小零件的超精密磨削试验。

（二）微型装配系统

针对微小零件的特点，研究微小零件的装夹和定位装置，在此基础上进行准确定位控制系统的研究。

（三）三维微小零件的精密多功能测量系统

主要研究基于原子力对接触的三维测量装置，其中包括高精度微小型坐标测量机、原子力探针测头传感系统、位置反馈控制的超精密柔性位移系统、高精度数据采集及误差补偿系统。①长度基准采用高精度激光干涉测量原理(仪器分辨力可达1nm)，并通过几何量值比对，与米制定义相衔接，作为微型零件、微机械装配的几何尺度基准。还可通过标定与检定，传递给高精度电容测微系统和高精度电容监测系统，实现小空间范围内测量系统的在线测量与在线监测。②微尺度测量系统结构采用柔性铰链四连杆结构实现三维坐标运动，并采用螺旋型压电驱动装置，实现长行程和小分辨能力的驱动。③采用原子力微探针测头技术，深入研究和完善原子力微探针测头准接触力学模型和坐标测量模型。④采用可敏感亚纳米级位移量的激光杠杆技术与压阻、磁阻技术实现原子力信息检测。

结语：随着微机电系统的发展，微机械零件的材料应用领域不断扩大，结构形状也从二维、准三维提高到三维复杂结构，相应的微机械制造技术也随之发展。

参考文献：

［1］张志华.超精密微机械制造技术分析［J］.科技创新与应用，2015（28）：145.

［2］商凌云.超精密微机械制造技术研究［J］.橡塑技术与装备，2016（08）：22-23，37.