利用IT技术进行机械加工制造的必要性
关键词：发展；微加工技术
本文描述了正在发展中的微加工技术,主要包括光学加工技术和精密机械加工技术。
1 非球面加工
非球面加工是光学零件加工中的重要技术之一。在最初开发冲压玻璃技术时,没有人会预料到它会取得划时代的进一步。直到人们对轴外非球面加工、大型非球面加工进行深入的研究之后,论文代写才感到这项技术已成熟。其间发表了大量的相关论文,如介绍了用该项技术在波导上形成非球面透镜等,从而形成了微非球面加工这一新领域。
2 微加工
本文所描述的微加工并非传统意义上的微加工,其加工对象是亚毫米到毫米级部件。这项技术不仅在光学领域,而且在所有工业制造领域也是一项重要的生产加工技术。
为实现微加工,必须将加工单元变小,但加工单元一旦变小,就会出现以下问题:如在切削上,切削阻力变大,切除单位体积所需能量随之增加。因此需要解决的问题是:①如何将加工单元变小;②如何提供所需能量。具体而言,必须解决加工刀具小型化与难以承受的去除衬底材料所需的高能量这样一对矛盾。表1列举了一些微加工技术。
作为具有代表性的微加工技术,硅刻蚀技术是由半导体加工技术演变的一种微电子机械系统(MEMS)技术。这项技术的优点是:
(1)单元技术已经确立;
(2)巧妙地利用了材料的性质(各向异性蚀刻等);
(3)实现了机构单元和功能单元(电气回路)的一体化。
存在的问题是:
(1)材料的局限性;
(2)形状的局限性;
(3)生产的自由度小(对应于设计的变更);
(4)加工时间长。
LIGA加工是一种结合X射线刻蚀、电镀、复制的技术。该技术能够实现更高纵横比的加工(纵横比高达200)。
近年来,鉴于对半导体加工设备的投资,许多企业对MEMS工艺的设备成本存在顾虑。实际上微加工技术已历经了几代的发展,许多厂商使用的是已收回成本的设备,因此设备的成本并不像想像的那么高。与之相比,由于整个工艺时间长、工序多而引发的上述两个问题(3)(4)也许会更为严峻。另据业内人士分析,封装是MEMS工艺中一个比较突出的问题。
为了弥补上述半导体加工技术的不足,表1列举了多项微加工技术,其中包括从传统的机械加工技术延伸出来的一些技术。目前世界上许多大学研究机构相继投入了大量的人力和物力对这些技术展开研究。
2.1 微加工的现状
(1)微工厂
微小零件的机械加工,既需要刚性好的设备,又需要像超精密机械那样大的加工装置,这是以前常规的考虑方法。然而日本产业技术综合研究所机械技术研究室从“小产品对应小型生产装置”这一想法出发,提出了微工厂的概念,构筑了台式
机械加工的微工厂的雏型。
试制成的微工厂可实现从亚毫米到毫米级小型零件的机械加工及组装。主要有500mm×700mm的超小型车床、铣床、冲压机、搬运小型零件的手臂,进行组装的双杆臂等设备及小型轴承等。
车床:长32mm、宽25mm、高30.5mm、重100g,具有将直径2mm的材料加工到60μm的能力,由额定功率1.5W的主轴电机驱动;铣床:长和宽分别为170mm、高102mm。所配电机额定功率为36W,具有约2mm的切、削能力;冲压机:长111mm、宽66mm、高170mm,配置100W的交流伺服电机,具有3kN的冲压能力,并具有间隔3mm的6个工序的顺序自动冲模能力;双机械手的工作范围为100μm×100μm×30μm,能以高于1μm的位移分辨率与移动机构联动,可在显微镜的观察下进行组装工作。
微车床的加工能力可达到1·5μm的粗糙度为1.5μm,2.5μm圆度,而微机床却使整体刚性变差,但因能量循环短,故亦能达到某种程度的加工精度。
微工厂的维修管理可节约必要的能量、资源和空间。从节能、节省资源、节省空间的角度考虑,可获得非常可观的经济效益。
(2)微粒子应用技术
目前流行用空气或液体高速输送微粒子,并喷射到被加工件上,以便对去除加工方法进行研究。与传统的喷砂、喷研磨剂和液体研磨的加工方法相同,该技术只是用更细微的粒子和更硬、更脆的材料进行微加工修正。这种加工方法可以克服用离子加工法导致粒子半径变大、加工效率降低的缺点。装置的原理是在空气或者液体从喷嘴中喷出时混入微粒子,因此能降低装置的成本。另外若将微粒子的材料硬度设定在两种物质的中间,即可进行选择性加工。从这一构想出发,对用微粒子加工的试验进行了探讨。
研究人员对用于膜堆积的微粒子喷射法进行了试验,主要研究了PZT材料的膜形成。堆积时利用微粒子的功能产生非常致密的膜。这是一种在物性上与松散材料相近的膜,以10~20μm/min的速度形成厚度超过100μm的膜,这一技术具有非常重要的意义。
3 IT技术对加工技术的影响
在今后的加工制造业中,与生产率相比,加工速度尤为重要。它关系到与IT有关的产品和零部件的加工制造。为实现这一目标,有效地利用IT技术进行加工制造是非常必要的。该项技术已率先应用于飞机及汽车领域。数字工厂体系的建立,即生产技术设计支撑工程、业务的体系化、数据的体系化等非常重要。这不仅需要全部更换机床等硬件,还需要对开发管理领域进行一场名符其实的IT革命。
IT技术在飞机、汽车等种类少、零部件数目多、整体性能要求高的产业中率先应用。这类企业对这种先进IT技术的投入产出比较高,而这种大规模的投资对包括光产业在内的其他产业是否适宜仍是一个值得思考的问题。(No.6)
