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& 微孔加工工艺分析
微孔加工工艺分析文章出处：本站　　责任编辑：Editor　　人气：813　　发表时间： 11:17:35　　【
微孔加工工艺分析
&&目前现已广泛应用于精密过滤设备、化纤喷丝板、喷气发动机喷嘴、电子计算机打印头、印刷电路板、电视机障板、天象仪星孔板、航空陀螺仪表元件、飞机透平叶片以及医疗器械中的红血球细胞过滤器等零件的加工领城。根据小孔的尺寸范围划分，到目前为止约有50种之多,本文重点介绍有代表性的几种金属微孔加工方法。有很多种，每一种加工方法都有其独特的优点和缺点，这主要取决于工件孔径的大小，孔的排列，孔的密度，孔的精度要求，还有就是要考虑工件的后续使用因素，这就涉及到考虑用哪种加工工艺能否批量加工的问题。
&&电火花是微孔加工的重要组成部分，电火花微孔加工技术随着微机械、精密机械、光学仪器等领域的不断拓展而得到广泛的关注。电火花以其加工中受力小、加工的孔径和深度由调节电参数就可得到控制等优势，使其在各国的研究日益活跃。但是电火花加工是一个典型的慢加工，在时表现的尤为明显，时间随着加工精度的提高而减慢。对于少量的孔如：2个或5个左右，可以使用，主要是针对模具打孔等操作，无法批量生产，费用高。
&&激光加工主要对应的是0.1mm以下的材料，电子工业中已经广泛地应用了激光加工技术。例如，精密电子部件、集成电路芯片引线以及多层电路板的焊接；混合集成电路中陶瓷基片或宝石基片上的钻孔、划线和切片；半导体加工工艺中激光走域加热和退火；激光刻蚀、掺杂和氧化；激光化学汽相沉积等。但是作为金属的微孔加工，激光存在的问题是会产生一些烧黑的现象，容易改变材料材质，以及残渣不易清理或无法清理的现象。不是完美的解决方案。如果要求不高，可以试用，但是针对批量的订单，激光加工就无法满足客户的交期和成本的期望值。
&&线切割是采取线电极连续供丝的方式，即线电极在运动过程中完成加工，因此即使线电极发生损耗，也能连续地予以补充，故能提高零件加工精度。慢走丝线切割机所加工的工件表面粗糙度通常可达到Ra=0.8&m及以上，且慢走丝线切割机的圆度误差、直线误差和尺寸误差都较快走丝线切割机好很多，所以在加工高精度零件时，慢走丝线切割机得到了广泛应用。但是对于来讲，使用线切割工艺材料容易变形，如果批量生产的话线切割无法应对，并且价格昂贵，客户一般难以接收。
&&蚀刻也称光化学蚀刻,指通过曝光,显影后将要蚀刻区域的保护膜去除,在蚀刻时接触化学溶液,使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨达到溶解的作用,形成凹凸或者镂空成型的效果。蚀刻是很有针对性的，是指受控腐蚀，是金属通过化学方法进行一种可以控制的加工方法。随着电子科技的发展，越来越多需要许多集合形状复杂、精密度要求高而机械加工难以实现的超薄形工件。而化学蚀刻方法却易达到部件平整、无毛刺、图形复杂的要求，且加工周期短、成本低。它的化学原理是利用三氯化铁水溶液作为腐蚀剂与金属反应。
&&用蚀刻工艺解决问题时，必不可少的环节需要受到材料厚度的限制。一般情况下，所开微孔直必须要小于材料的厚度，如材料厚度大于孔径的时候，就不适用蚀刻工艺来解决微孔加工的问题了。因为此时由于化学蚀刻的药剂的扩张性无法满足蚀刻量。这种工艺可以有效的和使用的材料厚度相配套，解决微孔加工的问题。特别是针对一些密集，公差要求高的小孔有很独到的加工方式。加工后的孔壁无毛剌，孔径均匀，且真圆度好。当这种密集或不密集的小孔产品需要大批量生产时，蚀刻工艺也可以积极应对。
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微孔加工技术
微孔加工技术
&National Jet公司于1937年由微型钻孔技术的开拓者John Cupler建立。多年前，一个外国钻头制造商把自己所生产的最微型钻头送给Cupler，并问他是否能生产出如此小的钻头。而Cupler先生回答他们的方式是在这个钻头上钻了个孔并将它送了回去。 &&&&这些微型小孔只有在高倍显微镜下才能看到，许多微小型钻孔的决定因素也类似于标准尺寸的钻削加工。每当对一项新任务进行评估时，National Jet公司首先必须确定最为有效的孔加工方法。这很大程度上还得根据加工零件种类、内孔直径、几何形状、尺寸精度要求和深度、加工零件的批量大小，以及原来采用的加工方法等。 &&&&装有显微镜的手控机床经常被用于科研项目、小批量生产或只需要极少数的微小孔加工。一些致力于微小孔加工机床开发的制造商，大多提供是手控式机床，这一加工方法要追溯到上世纪的三十年代。其它的尽管已经用CNC工作台加以改造，但仍然保持着用手工控制钻头的进给，手动进给这样的微小直径钻头，需要熟练的工人进行手工感觉。National Jet公司已经总结的许多微小孔钻削的经验。“我们的熟练的工人操作者事实上都能由'感觉’确认微小型钻头是否已被磨钝。”Condor先生说。
图1 微小孔加工成了National Jet公司的技术专长。 图示是一根0.003英寸直径的人的头发，被一个 0.001英寸的微小钻头钻穿通过的图示。
&&&&啄钻的加工程序在几乎每一个微型钻孔操作中都被用到，以保证顺利排屑，保证微小孔的质量，表面粗糙度和最佳化钻头使用寿命。&&&&冷却液或轻质油用以冷却和从钻尖排除切屑。根据Condor先生介绍，National Jet公司生产的大多数扁平型微小钻头所具有的长径比（L/D）为7:1，而10:1通常被认为是仍能保证提供紧密公差的最大比率。 &&&&在一个曲面上钻一微小孔，需要在零件上预钻一微小盲孔进行导向，以防止孔的弯曲或“偏斜”。进行预钻的导向微小钻头一般需设计得很短，具有的最大长径比（L/D）为２:1。公司拥有一种专利的加工方法，可以在很尖锐的工件边缘上加工微小型导向孔。 &&&&对于高生产率加工或对于有许多微小孔需要加工的零件，National Jet公司将使用他们的CNC加工中心或车床。手动机床经常用来在将任务交付新的CNC机床之前，对加工的工件进行试钻。这样主要是为了确定在加工的过程中需要更换微钻刀具的频率。 &&&&该公司新购置的2215 VMC由Fadal Machining Center公司（加利福尼亚州的 hatsworth）生产，经主轴孔注入冷却液，可钻小于2.5 mm的小孔。这种加工方式，取消了啄钻方法，因为切屑可通过冷却液从切削区顺利排除。更小的直径钻头即使没有冷却液通道，也可以在这一机床上使用。零件的定位状态可利用传统的刃口尺或专门设计的直线度测试仪进行检查和对零件进行定位调试。 &&&&L32型瑞士车床由Marubeni Citizen-Cincom公司（新泽西州的 Allendale）生产，能提供圆柱体零件的完整加工，包括在一次装夹中，实行微小孔钻削。该车床具有两个最高转速达30000r/min的气动主轴，驱动微小钻头加工。气动主轴实际上被更多地用来进行精密加工小直径钻孔而不是超高速加工。该车床还装备有一个棒料进给器，提供较长久的无人化零件加工。
图2 使用一台装备有气动主轴的瑞士车床 进行一般车削、铣削操作和微小孔钻削。
&&&&Condor先生承认许多人对微小孔能够在相对较低的速度下被加工完成感到惊讶，“我们对于直径为0.005英寸的微小孔，选择在500～3000r/min的主轴转速下加工获得了巨大成功,”Condor先生说，“在进给量很小的情况下，没有必要用数千转每分的主轴转速来加工微小孔。” &&&&钻好微小孔后的去除孔口毛剌，也是完成好孔加工的一个重要因素。每次钻孔都有需要清除孔出口处的毛刺。National Jet公司通常都采用抛光内孔表面和使用一微小钻头捅出孔口毛刺至外的手工去毛刺方法。 &&&&National Jet公司对于难以去除的毛刺，例如小直径通油孔和非圆形的小孔都运用小直径的钢丝或通过EDM设备进行去除。“但对于小深孔加工，我们一般不使用EDM，因为电极容易烧伤小孔底部和产生锥度。”Odom先生说。
图3 微型 EDM 用于管材或其它的去毛 刺和钻孔都比较困难或无法加工的场合。
&&&&National Jet公司的EDM机床能够加工小至0.001英寸直径的微小孔。除了进行微小孔加工，微型的EDM机床还能够从零件中清除已折断在小孔内的小钻头。钻头的直径非常微小，因而折断是可以理解的。 &&&&一些公司的EDM机床都有配备直线电机，用于X和Y轴的工作台快速运动。同时还配备了托盘夹具系统，提供机外的零件快速装夹和更换。EDM机床经常整夜和周末都在进行无人化作业。最新的EDM机床具有一套基于PC的机床控制系统，使原来供CNC加工中心上使用的CAM汇编程序，现在能迅速地变更到EDM机床上加工。
&&&&微小孔的检测&
&&&&National Jet公司不是对每个零件上的每个微小孔都进行检测，它实际上是通过Nikon视觉系统对每个微小孔进行检测的。该视觉系统能对精密微小孔的尺寸精度和粗糙度进行检测，并将检测结果通过E-mail传递给用户。 &&&&但对于一些上设计有微小孔的零件，例如喷丝头中有几个几何形状精度要求很高的微小孔，用Nikon视觉系统是不能检测的，为此，公司设计了一个能精确检测小孔几何形状的新方法。为了检查微小孔几何形状和微小孔的形状轮廓，National Jet公司向孔中注入一个分成两部分的橡胶泥，当橡胶泥成型后，会被从孔中取出，微小孔轮廓和几何形状等有关信息能通过在测量显微镜下观察橡胶模而得到。
图4 经预加工的喷丝头零件，能提供很快的零件交付
图5 用橡胶泥检验复杂微小孔几何形状。 以前对于微小孔的几何形状精度是无法检查的。
&&&&在一次装夹中加工&
&&&&National Jet公司所具有的很强微小型钻孔能力已帮助公司走出最近的制造业不景气的低谷。然而，公司认为它必须将这一能力扩展范围到其它的工业领域，以创造出更好的商机。“我们的微小孔钻削能力已在开始目标外的工业领域获得成功，例如无线电通讯和航空和航天工业，它能支持我们完成许多其他的R & D项目。”Condor 先生说。“我们的重点仍是不断增长着的微小型零件的加工市场。” &&&&最近的经济衰退也重新坚定了在进入微小孔加工市场后继续前进的决心。我们的微小孔加工，经常是整个零件的最终加工。或者安排在零件的接近最终加工工序。”Odom 先生说。National Jet公司最近作了不少努力，向用户宣传在一次装夹中，完成整个零件加工（也称一次性加工）的优点。并购置新的CNC加工中心，将其计划付诸于生产实际。 &&&&这对一个已在制造业占有一席之地的制造商，跨过以往的专业界限进一步走向柔性化，总是有帮助的。以下是National Jet公司总结出的一次性加工将给用户带来的经济和生产效益： &&&&◆使产品迅速交付。由一家公司在一次装夹中，完成整个零件加工，意味着只需很少运输和搬运，加工时间集中，使加工产品能迅速交付。National Jet公司采用一次性加工方式的第一个零件是一个需要车螺纹加工和有一个关键的直径为0.005英寸通孔的小体积汽化器。公司是在先进行完所有要加工的工步后，最后在零件上钻出微小孔的。National Jet公司为用户证明了，它只用了原来加工时间的一半，就能在瑞士车床上加工好整个零件，最终为公司赢得这项生产任务。&&&&◆快速适应新产品设计变化，这一点也很重要。快速适应新产品设计变化，National Jet公司为它的主要的纺织业用户，库存了大量的喷丝头等零件的粗制品。因为毛毯制造商不能为新的喷丝头等待一个月的时间。公司采取了预先下料和粗加工毛坯，一旦接到订单，能够迅速地在粗制品上增加微小孔和零件所需的其它几何特征。 &&&&◆一次性加工带来高的加工精度，极大地减少了多次装夹造成的安装误差，稳定地保证了零件的加工精度。避免了以往因零件满足不了指定规格而遭用户的指责。 &&&&另外，那些进行整体零件生产的用户车间可能不会考虑到那些在二级工序中重要的问题，比如微钻的深度。 &&&&◆特殊经验。National Jet公司在其微小孔钻削方面，积累了许多宝贵经验，它建议，有时通过设计结构的改造，能使加工变得容易并使生产成本下降。“如果一用户需要在零件上钻出一个很难达到设计要求的微小孔，建议将图纸设计成由一个大孔锥度过渡到微小孔的结构形状，将会使加工变得容易并不会影响产品性能。”Condor先生说。 &&&&一个公司在制造业占有一个固定的专业位置固然重要。但是专业性很强的车间会很快发现，根据用户的市场需要，研究开发新技术新工艺，灵活地为用户提供多种技术服务，将对企业的发展有很重要的作用。这一多种技术服务的继续发展，将会极大地提升企业在市场的竞争力。日本旭硝子（AGC）开发出了在厚度仅为0.1mm的薄玻璃板上加工直径为微米级细孔的技术。该公司在2011年开发出了厚度仅为0.1mm的超薄玻璃板，这是浮法玻璃中世界最薄的产品。不过，由于该玻璃非常薄，因此利用普通方法很难加工，要想投入实际使用，还需开发新的加工技术。旭硝子表示，通过将上述超薄玻璃板的生产技术与此次的微孔加工技术相结合，极有望将超薄玻璃板用于积层半导体等最尖端的应用。 &&&&此次开发的微孔加工技术利用了放电造成绝缘破坏的方法。不仅可在超薄玻璃板上精密开孔，而且处理时间也只需数毫秒。该加工技术可用于在积层半导体的转接板用薄玻璃板上开孔。 &&&&积层半导体是将半导体芯片垂直层叠以提高其性能，通过转接板连接到印刷基板上。为了设置转接半导体的贯通电极等，转接板上需要大量直径50μm的细孔。转接板的材料中，目前备受关注的是厚度为0.3mm的薄玻璃板。不过，使用原来的技术很难在这样薄的玻璃上做微细开孔加工。然而使用此次开发的超薄玻璃板微细开孔技术，就能使精密且高速加工贯通电极转接孔成为可能。 &&&&旭硝子将在～8日于美国亚利桑那州举行的“iMAPS International Conference and Exhibition on Device Packaging”上发表相关研究成果。
马歇尔制造公司
图1& 插槽、平面及其他特征的加工首先在瑞士型机和（或）电火花线切割设备上进行，然后由厂里专有的3D弯管机生成复杂的弯曲，做成像这样的一些医疗器件
马歇尔制造公司把数控加工和3D弯曲融合在一起，用小直径棒材和管材生产出结构复杂的医疗组件。客户的需求是促使该厂开拓出成功医疗制造的基石。
总的来说，工厂并不塑造自己，而是客户塑造工厂。也就是说，是客户的需求驱动了工厂内部对于设备、产能和工艺做出决策。因此，越来越多的制造厂正在寻找超越传统的“减法”加工工艺，作为补充其“生产碎屑”的设备的替换型制造技术。归根到底，制造业的目标是尽可能以最快、最具成本效益的方法为客户提供其需要的产品。
马歇尔制造公司就是这一发展趋势的好例子。对于在明尼苏达州明尼阿波利斯市的这家厂来说，医疗器械客户对精密加工和螺旋弯曲金属线组件的需求，推动其开发出专有的3D弯曲工艺，再结合厂里的先进的加工设备一同工作。马歇尔制造公司所开发的工艺流程，是用瑞士型车床或线切割机把主要工件特征（形状）加工成直的、小直径的细棒或管，然后在改良型数控弯管机上精确地把工件弯曲到正确的轮廓（图1）（传统上，这个过程是相反的：先做弯曲，然后再加工表面特征，这样机械加工会困难得多）。这家工厂的高效方法，不仅能在弯曲之前沿整个棒材精密加工表面特征，而且也保证了这些表面特征在弯曲作业后最终处于其正确的位置。
图2& 4台瑞士型车床，这些L20 Marubeni Citizen-Cincom机器可以单独运行，也可以使用发那科龙门机器人自动卸载工件以无人参与的模式运行
马歇尔制造公司起初并没有着手专门用机加工和3D弯曲方法做线和管的医疗装置。该公司在20世纪50年代初创立，主要是制造汽车行业和液压行业的精密车削件。今天，这个机加工企业有40人工作在2ft2=0.093m2）的空调厂房里，60％的工作专做医疗设备，40％向过滤设备发展（主要是机加工过滤筒的塑料芯管）。该厂也做一些普通的机械加工。它可以加工多种材料包括不锈钢、钛、铝、黄铜、青铜、纯铜和各种塑料等,并通过了ISO 和ISO标准认证。实现后一个标准是其发展医疗设备方面业务的关键。
实践证明，多年前客户对零件进行弯曲加工的要求，改变了马歇尔制造公司的业务取向。最初，客户要求加工的零件只需相对简单的2D弯曲，该厂自己内部便能够对付，没有太多麻烦。但后来，制造工件要求有更复杂的螺旋弯曲。由于没有做3D弯曲的经验，马歇尔制造公司便寻找其他单位来承担这项工作。结果，只有一个愿意尝试这项复杂的弯曲工作的单位，而它其实也根本干不了，于是该厂决定创建自己的3D弯曲工艺流程。然而，在成功开发了手工弯曲工艺后，这种工件的产量需求又增加了。这时显而易见的是，该厂需要一个更高效的数控折弯技术来满足不断增长的产量需求。
图3& System 3R工件夹紧装置用于加速厂里两台发那科Robocut线切割单元上的任务转移，这样，操作员可以设置在一个夹具上的任务，而另一项任务已经安装在机器上，该厂还创造了固定装置来堆叠众多管件或线件，使得尖端特征可以在所有工件上同时加工
先机加工后弯曲
该厂生产的许多弯曲医疗元件有一种是局部过压成形的并带有塑料把手的。其中一个例子就是所谓的导引器，是外科医生在做微创失禁手术时用来定位支持器官吊索的元件。装置制造商不同，这些装置两端的几何形状也不同（可能是直的、楔形的、圆锥形的或开槽的）。
大多数这些线形组件的加工是通过使用瑞士型车床实现的。该厂有九台这样的机器，但大部分工作是在其四台Marubeni Citizen-Cincom公司（新泽西州艾伦代尔）的L20瑞士型机床上进行的（图2）。这些七轴机床适合加工直径0.1~0.75in（1in=2.54cm）的棒材，并带有Marubeni Citizen-Cincom公司自产的CAV20- IS棒料进给系统。虽然该厂的其他瑞士型机床在棒料进给方面整得一团糟，但L20型机床从来没出过问题，因为棒料进给系统就是专为配合这些机器而设计的。这种可靠性以及编程的简单性便是该厂一直以来选定Marubeni Citizen-Cincom公司作为瑞士型机床供应商的重要原因。
每台L20机床有一个主轴和一个第二主轴共同加工。主轴最大转速为10000r/min，第二主轴最大转速为8000r/min。这些机器特有的“支撑导向衬套”的设计，对于马歇尔制造公司把长条小直径棒材加工成导引器特别有效。这是因为导向衬套在切削点给工件提供支撑，最大限度地减少了工件变形和振动。
另外，除了铣、钻和车削，这些多功能机床还可以做拉削、珩磨、滚花、抛光、滚齿、螺纹旋风削和滚丝。这通常都不再需要在另一台机器上二次操作。
图4& 正在马歇尔制造公司的3D数控弯曲加工设备上金属线成形的一个特写
该厂生产的线形元件大多由不锈钢制成，从12ft长的无心磨削棒材开始。精密棒材几乎总是使用瑞士型车削中心，以确保该材料可通过导向衬套进给而不会卡住。磨削棒的直径精确到0.0002in。当一个塑料把手要在元件上塑造成形时这样的精确度是很重要的，可以确保正确中止工件成形过程。同样，钻交叉孔的精度也很重要，因为这些孔有时用来定位模具里销钉上的工件。这种机床同样适用于加工平面及其他特殊形状，可用于在数控弯曲作业之前帮助定向工件。
这四台L20瑞士型机床同在一个工作单元。每台都有一个抓手把加工完成的组件从机器取出。当机器在正常模式下运行时，这些工件进入溜槽集中。然而，对于大批量的工作，机器可以作为无人生产单元。单元内有一台发那科龙门式机器人从这些L20机床拣出成品，并把它们送到超声波清洗站。清洗站有自己的小发那科机器人，它拿着每个工件通过三个独立的超声波浴，去除碎屑和切削液。经过清洁和冲洗周期后，工件被吹干。龙门机器人的夹子也要清洗和吹干，然后再把成品交到德莎（Tesa）Scan 50非接触式测量系统进行最后的检查。该装置可以测量圆柱形对称元件的长长度、直径、角度、半径等特征。
图5& 这种数控折弯工艺实现了复杂螺旋弯医疗器件生产的自动化
电火花线切割机通常用于加工管材的尖端特征。该厂有两个发那科Robocut自动送线线切割单元（这些机器是从Methods Machine Tools购置的）。使用System 3R夹持元件（图3），在机器台子上的夹具可以快速搬迁。这样，机器在运行一项任务时，操作工可以在夹具上设置另一项任务。与此同时，车间里还可以把许多要加工的管件堆叠起来。通过电火花切割机生成的狭槽可以保持在0.0002in。
一旦加工完成，管或棒便送到车间的3D数控弯管机。该厂（不透露它使用的弯管机品牌）已开发出一种创新的、可以无人操作的模具成形与自动化的组合体。
八轴弯管机适应直径0.096~0.375in的管材和直径0.08~0.2in的棒材。在运行中，机器的驱动臂从分级储料库拿起一根加工好长度的棒料，传感器保证材料根据加工特征准确定向。一个导向装置帮助把线材送过机器的三个心轴。经过精心设计的心轴和旋转驱动臂的运动，来完成3D弯曲作业（图4、5）。编程工作就在机器上进行，使用厂里开发的宏指令微调基本的弯曲程序
图6& 该厂加工出像这样的2D块规和像这样的3D块规来验证组件是否已被弯出了合适的轮廓
为检验而做的机加工
马歇尔制造公司有一些测量设备。然而，机械加工也在弯曲件的检查工作中发挥作用。该厂为其生产的许多2D和3D医疗元件而加工的“通过不通过量规”就像上一页的那种。工件放进量规里，确定工件的特征，通常是尖的，扁平的或长杆的。合适的弯曲件不会碰到量规的（加工过的）轮廓壁或超过（加工过的）通道的高度。该厂执行其100％的弯曲件检查。这是重要的，因为对于不同的材料，与弯曲过程有关的回弹也不同。这也使厂里能检测到有超出公差倾向的弯，可在弯管机的数控上作出偏移补偿（图6）。
该厂一般加工三个量规——一个自己使用，第二个给其成形件供应商在成形处理前检查工件，第三个给客户用。弯曲的公差根据设计要求而定。对于这些设备来说，弯曲的一致性是非常重要的。对于一些基本2D弯曲件，厂里将使用一个简单而有效的纸质打印件，勾勒出工件的弯曲轮廓允许限值。
厂里有了精通3D数控折弯的能力，又在医疗行业之外寻找哪有合适的单位需要有精确加工特征的弯曲线形或管状元件。该厂也希望能充分发挥其多功能机加工能力及其瑞士型机床所提供的精确度。特别是，它正在调研使用螺纹旋风削做空心骨钉的工作。它的目标是将医疗器件加工发展到占其总业务的75％。
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