摘要：微纳米级器件的加工是MEMS系统的开发、应用的关键技术之一。通过切削试验，设计出能加工最小直径为7µm的微细轴的金刚石车刀，其主要参数为：主偏角Kr=93°，副偏角K''r=30°，前角g0=0°，后角a0=5°。
然后以加工直径20µm的轴为例，分析了进给量、背吃刀量以及主轴转速对微细轴成形和表面粗糙度的影响。研究结果表明，在微细轴的加工中，切削用量不仅对工作表面质量产生影响，而且关系到是否能够车削成形。在可成形范围内，进给量与表面粗糙度值成正比，具有显著的影响；背吃刀量、主轴转速对表面粗糙度的影响较小。最后试制了不同加工参数条件下的极限实例产品。
前言
近年来，随着MEMS技术研究的日益成熟，开发研制MEMS产品需要高效率的微器件加工技术，因此，微加工技术正受到日益普遍的关注。在诸如计算机、微电子仪表及激光聚变(ICF)等领域对Ø0.1mm以下微细轴的需求越来越急迫。同时如喷墨打印机的墨水喷头、电子枪及ICF物理诊断设备均需要微米级的微细孔，而这些孔通常以微细轴为工具采用电火花成形或超声波加工而成。目前见诸报道的微米级微细轴加工方法主要是电火花加工、电解加工，超声振动磨削以及LIGA等特种加工方法。这些方法的共同问题是效率低下、设备昂贵、工艺较复杂和对操作人员技术要求高，阻碍了微器件加工的发展。而传统的切削加工技术发展较成熟，是否可以在微器件加工中发挥作用呢？该方面的文献报道很少。在高温高密度等离子体国防科技重点试验室的支持下，以紫铜为工件材料，通过一系列试验，探讨了微细长轴的精密车削加工技术，结果证明精密车削技术在微米级细长轴的加工方面有其独特的优势。
1 微细轴车削加工用车刀设计
微细轴长径比较大，刚性差，对于切削力、振动和切削温度十分敏感。车削加工时，很容易产生弯曲变形和振动，给切削加工带来一系列的困难，使几何形状精度和表面质量得不到保证。影响微细轴加工精度的主要因素包括：切削力、切削热变形、刀具热变形、内应力以及刀具安装高度误差等引起的误差。而上述因素均与刀具的材料，刀具参数主偏角Kr、副偏角K''r、前角g0、后角a0、切削刃刃口半径r和刀尖圆弧半径几有关。
通过分析资料，试验采用人工合成单晶金刚石作为刀具材料。通过如表1的系列试验，分别得到理想的金刚石刀具参数如表2。试验条件如下，切削参数：n=2500r/min, f=0.3mm/min, ap=0.02mm; 加工材料为Ø40µm×500µm的紫铜，车刀是刀尖为两条切削刃相交为一点的尖刀。
2 试验结果及讨论
试验系统组成
微细轴的加工试验在精密数控车床上进行。由于微细轴的尺寸只有数十微米，眼睛直接观察很困难。为此在精密数控车床上加装了一套显微观测系统，该试验系统的主要组成如下。
Hartinge公司超精密CNC车床：CONQUEST GT；加工精度：Ra0.05µm。
长工作距离显微镜：QUESTAR 100。
专用图像处理系统。
扫描电镜：KYKY1010B。
该系统的关键部件是一架长工作距离显微镜，这架显微镜的物镜至工件表面的最大工作距离为350mm，最高分辨率可达2µm。在显微镜上安装了微型摄像头，经图像处理后，可以在图像显示器的屏幕上观察到微细轴的整个加工过程。利用附带的专用软件，该系统还可以原位测量工件尺寸。加装这套系统还有利于实现尖刃刀具的精确对刀。
微细轴材料采用易于金刚石刀具切削又适合微细孔加工的紫铜。加工后采用ALPHA-STEP 500表面轮廓仪测量微细轴表面粗糙度值。
图1 显微观测系统结构框图
切削用量对微细轴成形及表面粗糙度的影响
与车削尺寸较大的工件不同，在微细轴的加工中，切削用量不仅对工件表面质量产生影响，而且关系到是否能够车削成形。也就是说切削用量只有在一定范围内才能车削成微细轴，而且微细轴尺寸越小，切削参数的选择范围越窄。以车削直径20µm轴为例，介绍进给量、背吃刀量及切削速度对微细轴成形及表面粗糙度的影响。
