微加工：技术、机遇和挑战

微加工是一门大生意，随着行业需要更小、更复杂的零件，它在未来几年内将会增长。但这个术语的真正含义是什么，它与每天在世界各地的机械加工车间进行的“机械加工”有何不同？这是你需要知道的。

无论是医疗、航空电子还是汽车行业，微加工都是一项大生意。根据研究公司 The Insight Partners 2019 年 11 月的一份报告，它即将变得更大。

报告称，预计到 2027 年，全球微加工市场的价值将达到 54.8 亿美元，预计未来几年将增长到 2018 年水平的近两倍。

与业内大多数人一样，KYOCERA SGS Precision Tools Inc. 的研发工程师 Jake Rutherford 将微加工定义为需要工具直径小于 1/8 英寸或 3 毫米的任何零件或零件特征。
 

这并不是什么新鲜事，他解释道。微加工的第一个应用是制表，但随着技术多年来提供更小、更精确的组件，该术语现在涵盖了广泛的行业、零件和材料。这包括各种传感器、心脏泵和呼吸监测设备、航空航天和汽车行业的组件、电子显微镜配件、微流控设备，甚至是智能手机中的许多部件。

用于制造这些组件的材料范围也很广，不锈钢和高温合金非常常见，还有 PEEK、PTFE 和 POM 等聚合物。

“行业之间存在大量材料重叠，这就是为什么商店应该寻找针对特定材料的微加工工具，而不是为特定市场或应用设计的工具，”Rutherford 说。

微加工的经验法则

然而，无论工件尺寸如何，加工的一般原理都是一样的。不同的是，任何不太理想的应用变量对微加工成功的放大效应。

“一切都变得更加重要，”京瓷 SGS 应用工程师 Jacob Rak 说。 “以跳动为例。我们建议最多为您的切削刀具直径的 0.1%。但是，刀具越小，实现的难度就越大，对刀具寿命的影响也越大。”

德里克·纳丁同意。作为一名 M.A. Ford Mfg. Co. Inc. 的应用工程师，他为直径大于 1/8 英寸的工具提供了一个经验法则：对于每十分之一的跳动，机械师预计会看到工具寿命减少 10%。 “但是，当您处理微型切削刀具时，刀具寿命的损失可能更大。这就是为什么我们建议在大多数铣削和钻孔应用中使用高质量的热缩配合、液压或精密压配合系统，尤其是微加工。”

获得适当的表面速度也很关键。任何机械师都可以计算，但以 300 sfm 运行 1/32 英寸刀具需要接近 40,000 rpm，远高于大多数加工中心和所有车床都能够达到的速度。在这些情况下，Nading 和其他人建议使用 Speeder Head。电动、气动和冷却液驱动的版本很容易买到，尽管 Nading 很快指出其中第一个版本需要电线，因此禁止使用机器的自动换刀装置。

高主轴转速和清洁冷却液供给

对于冷却液供给的微钻应用，Nading 指出，应使用 500 至 1,000 PSI 的高压冷却液 (HPC) 系统来容纳钻头的超小冷却液孔。他警告说，适当的过滤至关重要。

“显然，这些钻头上的孔非常小，因此即使是最微小的碎屑或一点污染物也足以堵塞工件，通常会导致工具几乎立即失效，”他说。 “这就是为什么我希望看到 10 微米或更好的过滤水平以获得最佳性能。”

甚至比高主轴速度和清洁冷却液更重要的是，Nading 更喜欢看到为微加工而设计的对齐良好、高精度的机床。 KYOCERA SGS 的 Rak 也是如此：“当您尝试在过大的机器上运行微型钻头或立铣刀时，轴分辨率通常不够精细，产生的运动可能过于突然，刀具无法承受，”他说.

EMUGE Corp. 的铣削应用专家 Evan Duncanson 指出了另一个常见的微加工错误：刀具进给不足。

“刚接触这种工作的人倾向于使用微型工具，但是当你在 30,000 转以上的转速下降低进给率时，你最终只会推动材料并且工具会断裂，”他说。 “无论刀具尺寸如何，您都需要使用推荐的进给速度才能正确切割刀具。”

刀具路径本身也可能需要调整。 Duncanson 建议摆线切削仍有其一席之地，但由于微型立铣刀通常仅限于两个刃口并且具有相对较长的加工范围，因此可能需要采用不同的铣削策略。

“许多微型立铣刀的切削长度非常短——通常只有直径的一到两倍——颈部长度缩短了 10 倍甚至 20 倍，”他说。 “使用这些工具，您将进行非常浅的轴向切削并使用相对较大的步距量。”

最后，想要成为微机械师的人应该有适当的工具预算。就像使用铅笔芯大小的工具进行铣削和钻孔一样，胆小者不适合，磨削此类工具也不适合。邓肯森和这里的其他人说，需要高端磨床和特殊的细砂轮才能在他们的产品上实现极其光滑的饰面和锋利的边缘。即便如此，随着工具尺寸的减小，废品率也会上升——有时甚至会上升。结果是更高的工具成本。

“在显微镜下观察标准 1/2” 立铣刀的切削刃，”他说。 “无论工具多么好，你都会看到两到三微米的微碎屑和边缘断裂。这就是为什么大多数制造商对他们的工具进行轻微的打磨，以消除这种断裂并基本上预先磨损工具。但是，当工具的尺寸只有该尺寸的十分之一时，您就无法做到这一点，就像您无法使用相同的 5 到 10 微米厚的涂层一样。一切都必须尽可能锋利。”

微加工技术

尽管有很多关于锋利工具和特殊磨削设备的讨论，但今天的大部分“微加工”都不是这里所描述的。是的，正如刚才所讨论的，在 CNC 车床和加工中心上使用传统切削工具可以完成相当多的工作。但也有激光微加工（见边栏）、微电火花加工和一种更准确地称为微加工的微加工。

存在两种这样的制造工艺。其中第一个——批量微加工——通常用于通过选择性蚀刻硅基板来创建 MEMS（微机电系统）。如果一个 MEMS 设备有房子那么大，那么它的大部分将在地下，用一系列腐蚀性化学品挖掘，直到构建出所需的结构和机械性能。

另一方面，表面微加工在沉积在硅晶片顶部的表面层内建造“房子”。这个结晶层的一部分，大约 25 微米厚，通过类似的化学蚀刻工艺选择性地去除。这两种工艺各有利弊，都用于生产各种超小型设备。这些包括MEMS、惯性传感器、陀螺仪和压力传感设备，所有这些都可以在智能手机、汽车、飞机和各种高端工业产品中找到。

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