微型工厂

随着对微机械需求的不断增加，微细切削技术将大显身手，各式各样的微细加工设备将会越来越多。加工设备的小型化的确带来了很多优点，如减少了能量消耗，减小了热变形误差，提高了响应速度等。但同时必须看到，如片面地追求小型化也会带来不利的方面，如宜人性较差，不便于装卸工件，机床的刚度小等。

简介

微型工厂

随着科学技术的不断发展，世界各国在军事、航天、宇宙探测、微纳米技术等领域的竞争日益加剧．微小型化技术已经成为现代科技研究的重要前沿。微细加工技术是／僵小型化技术的基础技术。广义上讲，机床电器微细加工技术是指所有制造微小尺寸零件的加工技术。

微小型化桂术领域，机床电器依据微机械特征尺寸可将其划分为lnm—lgm的纳米机械、lgm—Imm的微型机械和1—100mm的小型机械，相应地依据零件特征尺寸可分为纳米尺度(o．I—t00am)、微米尺度(100nm～100}．tm)和介于宏微之间的中间尺度(100f．tm~10mm)。传统精密机械制造技术所涉及的零件特征尺寸一般在脚级以上，微米和中间尺度加工涉及的微小零件特征尺寸一般在10gm~10mm范围。因而微米和中间尺度机械制造技术是指覆盖微米和中间尺度范围，填补传统精密加工技术与MEMS技术之间空白的，具有较高相对精度的精密31)微小零件的制造技术。

由来

微型工厂

在20世纪90年代以前，大多数微小型化技术的研究主要集中于MEMS技术，由于其衍生于律电子技术，因而由半导体集成电路制作工艺发展而来的工艺方法是微细加工的主流技术，机床电器并且以多晶硅、单晶硅、氧化硅和二氧化硅等硅基材料，或铝、铜等金属为对象，进行怕单的二维或二维半几何形状加工。近年来，民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求怀断增加，对檄小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高，从而使得能够采用更广泛的工程材料、特征尺寸在pm级到mm级的精密三维(3D)微小零件的需求日益迫阳。因此，开发经济上可行的、能够加工3D几何形状和多样化材料的微细加工技术具有重要意义。

第一批微细切削加工设备是美国在20世纪60年代末开发的，机床电器主要用于加工光学零件表面，并由此诞生了超精加工技术。檄细切削所采用的设备主要是常规精密和超精密机床。如年代以来，人们逐渐认识到机床的微小型化有利于许多误差的缩小，包括热变形等与体积有关的因素导致的误差等，而机床运动精度与旋转精度却不会固体积变小而受到影响。同时，机床执行件的微小型化，使得运动部件的惯性减小，容易达到高速加工和高精度、高刚度的运动控制，这又将提高精度、质量和生产效率，节省能源、空间和资源。因此，研究开发与所加工零件尺寸相称的微小型化机床(Micro／Meso-ScaleMachineT001)及其系统逐渐被提到研究日程上来。

应用

微型工厂应用

随着电子信息技术的日新月异，半导体纳米材料的需求和应用也越来越广泛，如何批量连续合成半导体纳米材料成为各国科学界关注的焦点。科学家们在实验室里已发明出许多不同的方法来合成纳米材料，而王豪杰以他申请专利的反应器为核心组建了微型化工厂，成功批量连续合成纳米材料半导体量子点，并且能够使其技术产业化。

半导体量子点是由半导体材料制作的纳米晶体，是显微镜下可见的晶体。其用途相当广泛，可用于蓝光镭射、光感测元件、太阳能电池、单电子电晶体、记忆存储、触媒以及量子计算等，在医疗上可利用各种发光波长不同的半导体量子点制成荧光标记，成为生物检测用的“纳米条码”。王豪杰的研究是组建以微小型连续流化学反应器为核心，批量生产粒径可控，重复性好，单分散性半导体纳米量子点的微化学工厂，使半导体纳米材料批量连续合成成为可能。其优势在于，以连续过程代替准连续或间歇过程；工厂规模小；安全性提高；生产能力容易放大；输送、能量和材料消耗低；研究成果可快速转化为生产力；市场应变能力强。

目前，半导体量子点是理论上与实验上热门的研究题目。目前在国外仅有美国麻省理工学院、伦敦帝国理工大学等几家高校科研院所在半导体纳米量子点合成方面有比较系统的研究，而利用微型化工厂进行批量连续合成半导体纳米量子点在国际上尚属首次。

对于许多小型产品来说，现有生产系统的规模，与其生产对象相比，往往显得庞大无比。比如象手表、照相机等小型精密机械，都是由众多"毫米"级的零件组成的；而用于加工这些零件的机床等设备，其尺寸却是"米"级的。更有甚者，将这些小零件组装成小型产品(成品)的设备，则是由众多与真人差不多大小的机器人构成的生产线，其长度则达二、三十米的程度，设备与产品的数量级形成巨大反差。再说半导体工业吧，其发展是随着高技术化、高集成化的发展而发展的，其结果则是制造设备的大型化、大规模系统化，于是设备制造成本猛增、生产系统的柔性受到严重制约。为此，就需要一种与产品尺寸数量级相应的小型制造设备来制造、组装小型产品的微型生产系统，即所谓的"微型工厂".其目的就是要在有限的狭小空间内巧妙地统筹安排加工、组装、搬运、检验等多道工序所用的设备，建立一种微型的生产系统，使之具有生产微型产品的能力

微型工厂

医疗设备的进步使得越来越多的微型器械能安装到我们的身体内。微型零件在航空、汽车、生物医学、电子、信息技术光学和电信等行业具有各种广泛的应用。

如果iPod有任何暗示的话，那就是越小越好。iPod已经变成成功占领市场的最流行的小玩意之一，为苹果公司带来大把利润的同时也把股票价格推向新高。不仅在最初iPod的外形就已经很小，而且它正使其变得更小。现在取代iPod mini机型的是更小的iPod nano机型；而且然后有非常小的iPod机型。

并非只有iPod正变得更小。计算机和电视机也不断地变得更薄。医疗设备的进步使得越来越多的微型器械能安装到我们的身体内；甚至是一个极小的照相机能穿行于身体内。

不仅是东西正变得更小，它们被装配了更多的零件，能提供额外的动力和功能。微型零件在航空、汽车、生物医学、电子、信息技术光学和电信等行业具有各种广泛的应用。

所有这些产品的开发都正在对小型部件和产品提出更高的要求。为了不断降低成本，这些小型部件中的大多数使用模具进行生产。这些趋势对模具制造商提出形形色色新的挑战，范围从使用新的太空时代材料到特殊的模具涂层，用直径0.1mm的刀具铣削零件并获得亚微米级的精度。

同时，微型零件的内在复杂性也为模具制造商带来新的机遇。每当简单和中等复杂的模具制造被转移到劳动力成本低的国家时，美国和欧洲的模具制造商能转向诸如微型模具和微型铣削等更先进的技术以维持他们的竞争优势。

小型部件的加工

为小型零件加工模具的主要挑战之一是微型零件的加工。模具有效区域的直接铣削和小型EDM电极的制造都对铣削工艺提出极高的要求。

与微型铣削相关的挑战包括直径降为100微米(μm)或更小的微型刀具的使用并运转于达到150,000 rpm的非常高的转速。表面质量(Ra)需要达到0.2微米。而且既然对于如此小的零件和微小的细节，抛光是不现实的，微型铣削要求是一种无需抛光的加工。

微型铣削技术

微型铣削

为了在获得微型铣削要求的质量和精度的同时，满足经济性的约束条件，整个制造链必须优化和同步。CNC机床、刀具、刀柄、夹具和质量控制设备的供应商都需要以有竞争力的成本来提供正确的解决方案。

以下是一个在微型铣削环境中应该提出的主要问题的清单：

1) 刀具、刀柄和主轴

◆ 小规格的刀具是微型铣削的实现者。根据工件的大小，它们可小至0.1mm，而且在将来可能变得更小。在托付一个微型铣削项目时必须考虑刀具的可用性和成本。

◆ 在是用小直径刀具时，高转速的主轴是至关重要的。在主轴10,000 rpm下使用0.1mm直径的刀具，意味着切削速度(Vc)仅为3.3 m/min，这太低了！

◆ 对于转速级别20,000-150,000的主轴，主轴和热胀刀柄结合在一起作完全动平衡、跳动量为零是必须的。否则，将损害表面质量并显著缩短刀具寿命。

2) 夹具、夹紧系统和制造工艺

◆ 在多数情况下，微型铣削零件的生产应该在一次装夹中完成。例如，把EDM和铣削结合在一起很可能引起不能接受的不重合和接刀痕。

3) 机床和车间地面

◆ 不用说机床必须是精度的一致性好并能分辨出四位小数（尺寸传感器）。

◆ 微型铣削能很好地利用五轴铣削的功能。倾斜刀具并远离材料的能力使其能使用更短的刀具。但是，既然五轴联动铣削目前的精度比三轴铣削差，当把五轴联动用于微型铣削时，必须仔细验证机床规格和实际性能。

◆ 机床环境必须具有可控的温度（光有软件补偿可能是不够的）并避免振动。如果机床没有正确地隔离，即使是一辆重型卡车经过厂房外，可能产生的振动足以在工件表面上留下痕迹。

4) 铣削技术

◆ 取决于零件的几何形状，微型铣削可能需要超越简单的按比例缩小的特殊加工策略。例如，在很多情况下，逆铣（和非顺铣）将是优先考虑的铣削策略。

微型铣削系统

CAD/CAM系统的要求

每个人在直觉上认为铣床、刀柄和刀具是难以按比例缩小至微型铣削需要的极小的尺寸和极高的精度。初看起来，软件似乎也许是更容易地匹配。毕竟有人要说，处理象0.0001这样的数字对于软件来说应该象处理1.0或10那样容易。

用于模具制造的高精度微型铣削的CAD/CAM解决方案，有一整套易于使用的3-D刀具。

但是它比呈现在眼前的更复杂。生成和修改具有正确的精度、平滑度和连续性的几何形状对于小型部件的CAD解决方案仅仅是一个入口点。为了得到一个适用于微型铣削的功能性解决方案，CAD系统必须要仔细调整和优化以支持下述要求：

1. 可靠和精确地阅读零件模型。对于维持详细模型的精度，最小化多重数据转化的需要是至关重要的。

2. 当生成分型面或为滑块、推杆和顶出杆创建几何形状时，很紧的0.1-0.01微米的形位公差是起作用的。为了防止分型面之间的间隙并保持C1和C2的连续性，这是必需的。

3. 处理规格非常小的多型腔模具，包括专门的样品零件和组件。

CAM系统也必须为微型铣削进行优化。NC软件必须处理紧公差和超高精度的加工。而且既然操作工不能干预防止刀具的破坏，NC软件必须精确地考虑贯穿加工过程的切屑载荷。

为了充分支持微型铣削，CAM软件应该能：

◆ 精确地使用非常细化的数学模型，从而维持其复杂程度。拥有一个集成的CAD/CAM解决方案是理想的，因为它消除了处理中的任何数据转换。

◆ 在CAD系统内包括高精度的、内置的CAD能力，提供在CAM系统内的具有合适的精度和相切的造型帮助（例如，型面的封顶、延伸等）。

◆ 支持偏差低到0.1微米的刀具路径计算。当在大型零件上加工微细特征时，这尤其有挑战性。

◆ 支持考虑实际机床约束时的微型铣削级参数的计算。例如，CAM系统可能要求用一把直径0.1mm的刀具、0.005mm的步距和大10倍的0.05mm刀尖圆弧半径来提供超精的结果。生成的刀具路径必须精确到小数点后五位。

◆ 支持针对微型铣削优化的加工策略，如以相同的NC操作来进行粗加工、半精加工和精加工。

◆ 为了降低加工时间的同时保护精密的刀具免于损坏，在整个加工过程使用根据实际加工余量调整进给量以控制实际刀具负载的知识。

微型系统、微型模具和微型铣削对于微型零件的大量生产都是新颖且令人激动的技术。有了用肉眼几乎看不见的亚微米级的精度和刀尖，这种新兴且快速增长的领域给模具制造商和供应商提出了众多的挑战。新材料、新刀具、特殊的模具涂层和创新的CAD/CAM软件技术都必须要被研究和掌握。

从好的方面看，微型系统和微型铣削为正寻找差异性、得到更多业务和比低工资竞争对手处于更有利位置的模具制造商带来新的机遇。

这个领域的有效开发需要行业、研究机构和政府之间的合作。这种合作在欧洲已经在进行之中。欧盟的技术合作研究行动(CRAFT) 项目集合了Fraunhofer生产技术研究所(IPT)和CAD/CAM、CNC机床、刀具、夹具的领先供应商来开发针对微型制造的下一代材料、机床和软件工具及工作方法学。该是北美刀具行业加入到开发这个新兴的引人注意且有利可图的细分市场的时候了。

微型系统技术已经成为全球增长最快的工业之一，需要制造极小的高精密零件的工业，例如生物－医疗装备、光学、以及微电子（包括移动通信和电脑组件）等都有大量的需求。

需要微系统加工的零件其精度高达5mm或更小以及曲面质量达0.2mm 或更小，其零件硬度也达到45 HRC 或更高。

微铣削（Micro-milling）是加工微小零件和高精密零件的一种全新加工技术。微铣削使用非常小的刀具（直径小于0.1mm）并能获得非常小的曲面公差和高质量的曲面精度，通用的NC软件是不能达到这个精度的，所以制造商不得不面对以下巨大的挑战：零件变形，复杂程度增加，必须以极高的精度加工微小特征的工件，以及使用微米级的特殊刀具。例如直径为0.1mm的工件，为了获得高精度要求的曲面，达到以上要求，微铣削技术需要达到以下支持：100mm或更小的小直径刀具；外形比例（L/D）10或高达100的高速刀具；150000 r/min或更高速主轴转速； 0.1mm或更小的加工公差；能够修正几何体。

微铣削是高速铣削的未来，精通微精模具的公司将会拥有更大的竞争力。

微型车床

微型车削

微机械技术在工业、农业、医疗、军事等领域的应用日益广泛。目前，微机械的加工方法有：由硅平面技术衍生的微蚀刻加工，由特种加工衍生的微细特种加工，由切削加工衍生的微细切削加工。

微型机电系统技术衍生于微电子技术，由于这种历史原因，硅微细加工在微机械制造中占据主要地位，硅微细加工具有批量制作、预组装及容易与微电子电路集成的技术特点，适合于微型传感器的制作，但成型结构形状有限，不利于微致动器的制作。

可以进行微细加工的特种加工方法主要有电火花加工、电化学加工、超声加工、激光加工、离子束加工、电子束加工等。这些特种加工方法有的设备昂贵、对环境要求较高，有的加工速度偏低。对于加工三维实体结构的零件来说，单独使用特种加工方法并没有优势可言。

可以用来进行微细加工的切削方法有：微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、微冲压等。

微细车削

微型机器人

日本通产省工业技术院机械工程实验室（MEL）于1996年开发了世界上第一台微型化的机床——微型车床，长32、宽25mm、高30.5mm，重量为100g；主轴电机额定功率1.5W，转速1000r/min。用该机床切削黄铜，沿进给方向的表面粗糙度值为Rz1.5µm，加工工件的圆度为2.5µm，最小外圆直径为60µm。切削试验中的功率消耗仅为普通车床的1/500。

日本金泽大学的Zinan Lu和Takeshi Yoneyama研究了一套微细车削系统，由微细车床、控制单元、光学显微装置和监视器组成。机床长约200mm。在该系统中，采用了一套光学显微装置来观察切削状态，还配备了专用的工件装卸装置。主轴用两个微型滚动轴承支承。主轴沿Z方向进给，刀架固定不动，车刀与工件的接触位置是固定的，以便于用光学显微装置观察。因为工件的直径很小，车削时沿X-Y方向移动的幅度不大，所以令刀架沿X-Y移动。车刀的 刀尖材料为金刚石。驱动主轴的微电机通过弹性联轴器与主轴联接。机床的主要性能参数如下：主轴功率0.5W；转速3000~15000r/min，连续变 速；径向跳动1µm 以内；装夹工件直径0.3mm；X、Y、Z轴的进给分辨率为4nm。用0.3mm 的黄铜丝为毛坯，在这台机床上加工出了直径10µm 的外圆柱面，还加工出了直径120µm、螺距12.5µm 的丝杠。该机床的明显不足是切削速度低，因此得不到满意的表面质量，表面粗糙度值为Rz1µm 以下。

它的开发成功，证实了利用切削加工技术也能加工出微米尺度的零件。

从以上两例可知，并非机床的尺寸越小，加工出的工件尺度就越小、精度就越高。微细车床的发展方向一方面是微型化和智能化，另一方面是提高系统的刚度和强度，以便于加工硬度比较大、强度比较高的材料。

微细钻削

微型工厂

微细钻削一般用来加工直径小于0.5mm 的孔。钻削现已成为微细孔加工的最重要工艺之一，可用于电子、精密机械、仪器仪表等行业，近来倍受关注。

在钟表制造业中，最早使用钻头加工小孔。随着工艺方法的不断改进，相继出现了各种特种加工方法，但至今，一般情况下仍采用机械钻削小孔的方法。近年来，研制出多种形式的小孔钻床，如手动操作的单轴精密钻床、数控多轴高速自动钻床、曲柄驱动群孔钻床及加工精密小孔的精密车床和铣床等。上世纪80年代后，由于NC技术和CAD/CAM的发展，小孔加工技术向高自动化和无人化发展。目前机械钻削小孔的研究方向主要有：难加工材料的钻削机理研究；小孔钻削机床研制和小钻头的刃磨、制造工艺研究；超声振动钻削等新工艺的研究等。

微细钻削的关键除了车削要求的几项之外，还有微细钻头的制作问题。目前，商业供应的微细钻头的最小直径为50µm，要得到更细的钻头，必须借助于特种加工方法。有人用聚焦离子束溅射技术制成了直径分别为1cmmicro;m、22µm 和35µm 的钻、铣削刀具。但是，聚焦离子束溅射设备复杂，加工速度较慢。用电火花线电极磨削（WEDG）技术则可以稳定地制成10µm 的钻头，最小可达6.5µm。

用WEDG技术制作的微细钻头，如果从微细电火花机床上卸下来再装夹到微细钻床的主轴上，势必造成安装误差而产生偏心。这将影响钻头的正常工作甚至无法加工。因此，用这种钻头钻削时，必须在制作该钻头的微细电火花机床上进行。

微细铣削

微型工厂

MEL开发的微细铣床，长170mm，宽170mm，高102mm。主轴用功率为36W 的无刷直流伺服电机，转速约为15600 r/min。这台铣床能铣平面也能钻孔。

日本FANUC公司和电气通信大学合作研制的车床型超精密铣床，在世界上首例用切削方法实现了自由曲面的微细加工。这种超精密切削加工技术可使用切削刀具对包括金属在内的各种可切削材料进行微细加工，而且可利用CAD/CAM技术实现三维数控加工，生产率高，相对精度高。

其加工数据由三坐标测量机从真实“能面”上采集，采用单刃单晶金刚石球形铣刀（R30µm），在18K金材料上加工出的三维自由曲面。其直径为1mm，表面高低差为30µm，加工后的表面粗糙度值为Rz0.058µm。这是光刻技术领域中的微细加 工技术，如半导体平面硅工艺以及同步辐射X射线深度光刻、电镀工艺和铸塑工艺组成的LIGA工艺等技术所不及的。

目前数控铣削技术几乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工要求。与某些特种加工方法如电火花、超声加工相比，切削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本、更好的加工柔性和更高的加工精度。

微细铣削可以实现任意形状微三维结构的加工，生产率高，便于扩展功能。微细铣床的研究对于微型机械的实用化开发研究是很有价值的。

微细冲压

在仪器仪表制造业中，常常会遇到带有许多小孔的板件，板件上的小孔常采用冲孔的方法。

冲小孔技术的研究方向是如何减小冲床的尺度、增大微小凸模的强度和刚度以及微小凸模的导向和保护等。

MEL开发的微冲压机床，长111mm，宽66mm，高170mm，装有一个100W的交流伺服电机，可产生3kN的压力。伺服电机的旋转通过同步带传动和滚珠丝杠传动转换成直线运动。该冲压机床带有连续的冲压模，能实现冲裁和弯板。

日本东京大学生产技术研究所利用WEDG技术，制作微冲压加工的冲头和冲模，然后进行微细冲压加工，在50µm厚的聚酰胺塑料上冲出宽度为40µm的非圆截面微孔。

便携式工厂

微型工厂

MEL于1990年提出了微型工厂的概念，并在1999年设计制成了世界上第一套桌面微型工厂样机。它由车床、铣床、冲压机 床、搬运机械手和装配用双指机械手组成，占地面积为70m×50cm，能进行加工和装配。为了演示和证明微型工厂的可携带性，MEL于2000年设计制作 了第二套微型工厂样机——便携式微型工厂，重量为23kg，被放在长625mm、宽490mm、高380mm、重11kg的箱子里。箱子底部装有小轮，可 以像旅行箱一样拖着走。

虽然采用切削方法进行微细加工取得了进展，但是，这些方法也存在着本身难以克服的缺点，例如：加工时都存在切削力，不能加工比刀具硬的材料；工件小，切削速度低，限制了表面质量的提高等。微细切削技术与其它加工技术相互融合，可以克服这些缺点，从而进一步提高微细加工的微细程度和扩大工艺范围。

微细切削技术在微小型三维实体结构、致动器的制作上有其独到之处，且其批量制作可以通过模具加工、电铸、注塑等方法实现。微型机械的加工一方面在向三维复杂形状的制作发展，同时也在向更高加工精度和更小尺度推进。