微細(xì)孔加工技術(shù)方法及其應(yīng)用

王惠

摘要：工業(yè)技術(shù)、材料科學(xué)以及加工技術(shù)的進(jìn)步，使得工業(yè)成品朝著短、小、輕、薄方向發(fā)展，多功能細(xì)小產(chǎn)品的微細(xì)加工技術(shù)顯得尤為重要。文章綜述了傳統(tǒng)的鉆屑加工技術(shù)存在的問題，介紹了超聲振動(dòng)磨削加工、鐳射加工、微放電加工、電子束加工等新興非傳統(tǒng)微細(xì)孔加工技術(shù)，分析了技術(shù)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微細(xì)孔加工；超聲振動(dòng)磨削加工；鐳射加工；微放電加工；電子束加工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG66 文章編號(hào)：1009-2374（2016）32-0050-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.32.024

一般將直徑在0.1～0.4毫米之間的孔稱為微細(xì)孔，直徑小于0.1毫米的稱為超細(xì)孔。常見微細(xì)孔的應(yīng)用主要有四大領(lǐng)域：（1）精密模具，如鐘表地盤、空氣軸承等；（2）醫(yī)療器具，如手術(shù)針、流道導(dǎo)入管等；（3）電子零件，如IC基板、光線電纜連接器等；（4）微細(xì)噴嘴，如柴油引擎噴嘴、霧化器等。目前微細(xì)孔加工主要有傳統(tǒng)加工和非傳統(tǒng)加工，傳統(tǒng)加工以鉆削為主，非傳統(tǒng)加工主要有超聲振動(dòng)磨削加工、鐳射加工、微放電加工、電子束加工等。以下對(duì)微細(xì)孔加工的幾種加工方法及其應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 傳統(tǒng)加工技術(shù)

傳統(tǒng)的微細(xì)孔加工技術(shù)是使用刀具對(duì)加工材料進(jìn)行切削，通過機(jī)械力的鉆削方式加工微細(xì)孔。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，高速鉆削技術(shù)已經(jīng)在微細(xì)孔加工領(lǐng)域應(yīng)用，其加工方式是機(jī)械力加工，運(yùn)用這種方式能夠加工出高深徑比、孔差異性較小的孔，且速度較快，但由于微細(xì)孔鉆頭直徑小、剛性較差，在鉆削深孔時(shí)，容易受到排屑阻礙，使加工中斷。在加工速度提高后，對(duì)鉆頭的磨損速度也會(huì)加快，需要經(jīng)常更換刀具。鉆削加工屬于接觸加工，在鉆頭高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下出孔時(shí)，會(huì)給加工材料造成一定的毛邊損傷，需要進(jìn)行后期的修邊處理，因此這種微細(xì)孔加工技術(shù)主要在電子板以及軟金屬材料中應(yīng)用。

2 非傳統(tǒng)加工技術(shù)

2.1 超聲振動(dòng)磨削加工

1993年，日本九州工業(yè)技術(shù)研究所開始在電解沉積鉆石磨輪增加超聲振動(dòng)，進(jìn)行硬脆材料的鉆孔研究，以替代傳統(tǒng)游離磨粒的超聲加工，該方法為超聲振動(dòng)磨削微細(xì)孔加工。利用頻率40kHz超聲作用在直徑粒度0.27～1.0mm、粒度100～1000的電解沉積鉆石磨輪上面，然后以回轉(zhuǎn)數(shù)3000rpm、進(jìn)給量0.14～4.2mm/min以及在外側(cè)供油條件下，在厚度3mm鋁及氧化鋯板材上面進(jìn)行鉆孔加工。結(jié)果表明在超聲振動(dòng)時(shí)，鋁CIP材料、HIP材料兩者軸方向平均研磨阻抗均明顯減少，即使增加鉆孔的深度，研磨阻抗仍然維持很低的數(shù)值。附加超聲振動(dòng)的加工方法，由于能夠降低平均加工阻抗，抑制微小徑刀具變形，所以適合微細(xì)孔加工。目前孔加工用電解沉積鉆石磨輪的最小直徑是0.135mm。

超聲振動(dòng)加工使加工精度顯著提高，在傾斜面上孔加工的適用性強(qiáng)，在展延性材料上的適用性及直徑50μm等極小徑鉆頭適用性強(qiáng)，其加工特性如下：

2.1.1 由于超聲振動(dòng)，摩擦降低使切屑變薄并增加切削、排除部件零碎雜質(zhì)的速度，鉆頭中心側(cè)及棱角側(cè)的切屑排出速度差縮短，橫向卷繞切屑變小，形成平滑螺旋狀或帶狀的切屑，使切屑排出更為順暢，因此在不分級(jí)進(jìn)刀的前提下可進(jìn)行深孔加工。

2.1.2 由于超聲振動(dòng)，在孔加工入口處鉆頭振動(dòng)有一定的抑制效果，所以不易產(chǎn)生應(yīng)變圓，利用鑿尖錘的作用力控制鉆頭，使鉆頭對(duì)加工對(duì)象間歇性接觸，降低鉆頭彈性變形恢復(fù)力及摩擦力，減少徑向作用力的變化。

2.1.3 由于增加了超聲振動(dòng)，在傾斜孔加工時(shí)的應(yīng)力縮小。

2.1.4 通過超聲振動(dòng)，使用直徑60μm極小徑鉆頭在不銹鋼鉆孔加工時(shí)變得更容易。

該加工屬于非傳統(tǒng)加工，在硬質(zhì)合金和非金屬材料上應(yīng)用廣泛，也在玻璃、陶瓷等非導(dǎo)電體材料上使用較多。

2.2 鐳射加工

鐳射加工是利用高能量密度的光束，照射到材料表面，使材料升溫到氣化溫度去除材料的加工方法。在工業(yè)界的應(yīng)用十分廣泛，但使用的范圍限制在以熱加工方式的紅外線鐳射和紫外光鐳射冷加工模式的技術(shù)上。

所謂的紫外光指的是波長(zhǎng)分布在150～400nm之間的光源，目前被使用在工業(yè)應(yīng)用上的紫外光鐳射主要有兩種：一種是氣態(tài)的準(zhǔn)分子鐳射（Excimer Laser）；另一種是利用Nd：YAG電射的光源經(jīng)過非線性倍頻晶體轉(zhuǎn)換技術(shù)（nonlinear crystal conversion）而將紅外光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成紫外光。準(zhǔn)分子鐳射是利用兩種在常態(tài)下不起反應(yīng)的氣體，但在激發(fā)態(tài)會(huì)結(jié)合成不穩(wěn)定分子后迅速解離而放出紫外光。一般工業(yè)上常用的種類主要包括XeCl（308nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）三種波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子鐳射。準(zhǔn)分子鐳射是一種脈沖式的鐳射，每個(gè)脈沖能攜帶的能量是目前所有紫外光鐳射中最高的。準(zhǔn)分子鐳射又是一種多模的鐳射，在實(shí)際加工作業(yè)時(shí)，能夠在瞬間發(fā)出數(shù)十個(gè)平方毫米的電射光束，通過這數(shù)十個(gè)電射光束，能夠?qū)崿F(xiàn)更加快速的加工。

Nd：YAG本身的波長(zhǎng)為1064nm，利用倍頻技術(shù)可將頻率做2倍、3倍、4倍甚至5倍的轉(zhuǎn)換，由于波長(zhǎng)和頻率成反比，因此分別可得到532、355、266及213nm的鐳射光波長(zhǎng)，其中532為綠光，其余的皆為紫外光，一般簡(jiǎn)稱為UV YAG。UV YAG和準(zhǔn)分子鐳射光的主要差別在倍頻技術(shù)是相當(dāng)?shù)托实哪芰哭D(zhuǎn)換方式，每個(gè)脈沖的能量通常都在1mJ以下，但由于UV YAG每個(gè)脈沖的時(shí)間比受激準(zhǔn)分子小一個(gè)數(shù)量級(jí)（約4～7ns），因此有足夠高的尖峰脈沖功率來工作。

隨著電子工業(yè)逐步微小化的趨勢(shì)，紫外光鐳射鉆孔直徑可達(dá)10μm，精度可達(dá)1μm，鉆孔速度快、尺寸精確。由于該特性此方法在鉆孔上的應(yīng)用逐漸廣泛，目前印刷電路板的鉆孔，已經(jīng)有很大的比例由UV YAG的鉆孔機(jī)來取代。紫光鐳射對(duì)一些微小的金屬器件的鉆孔發(fā)揮著非常重要的作用，因?yàn)槠渌夹g(shù)可能達(dá)不到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，例如一些精密的金屬過濾板、醫(yī)療導(dǎo)管的末端細(xì)孔等，均需要使用紫光鐳射技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)孔的精細(xì)加工。還有就是在打印機(jī)噴墨頭部的深孔，噴孔的要求要在聚酰亞胺的TAB（卷帶自動(dòng)結(jié)合）電路板上鉆出300個(gè)50μm或更小的微孔，這種加工面積小、細(xì)孔數(shù)量多的深孔加工作業(yè)，運(yùn)用準(zhǔn)分子鐳射的光罩投影式加工，可以非常迅速地完成，并且合格率能夠達(dá)到98%以上。

2.3 微放電加工

微放電加工使工件與工具電極在絕緣液中相向，當(dāng)電極在此引火時(shí)，工件與工具電極間就會(huì)產(chǎn)生放電。利用這種脈沖放電，可以將工作放電點(diǎn)附近，相當(dāng)微小的部分溶解或蒸發(fā)，再利用加工液等的壓力作用就可將熔解或蒸發(fā)部分去除。如此反復(fù)放電，就可以將工具電極的形狀轉(zhuǎn)換成加工形狀。利用放電加工能將工具電極的形狀轉(zhuǎn)換到工件上，因此如果工具電極小，所加工出來的形狀就小，達(dá)到微細(xì)加工的目的。微放電加工要求工具電極小，每次脈沖放電能量小，放電痕的尺寸如果小，加工面的粗度也小，間隙如果小，轉(zhuǎn)換出去的工具電極的形狀精度就高。因此為了使用放電加工來進(jìn)行微細(xì)加工，工具電極尺寸必須符合所需的微細(xì)尺寸，同時(shí)每次脈沖放電的能量都必須很小。進(jìn)行微細(xì)孔放電加工不僅加工電路很重要，工具電極的制作也是重要條件之一。

該加工方法屬于非接觸加工，與工件本身的軟硬度無關(guān)，加工之后不會(huì)產(chǎn)生毛邊，缺點(diǎn)是在加工時(shí)由于溫度過高，會(huì)在工件表面殘留熱應(yīng)力，另外在加工時(shí)由于電極的消耗，容易造成入孔和出孔的尺寸不一致。該方法只適用導(dǎo)體材料的加工。

2.4 電子束加工

電子束加工是利用高能量的會(huì)聚電子束的熱效應(yīng)或電離效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行的加工。一些部件的內(nèi)部細(xì)小孔徑，利用電子束加工技術(shù)，充分發(fā)揮電子束高照射釋放的熱量，將孔徑內(nèi)的材料進(jìn)行融化蒸發(fā)，并進(jìn)行徹底排除，能夠得到內(nèi)部光滑、勻稱、細(xì)致的孔徑結(jié)構(gòu)，需要注意的是，利用電子束加工的部件，在工件孔徑下面需要加入一定的輔助材料。電子束加工由于電子束能量密度大，工件不受外界機(jī)械力作用，不產(chǎn)生宏觀應(yīng)力和變形，生產(chǎn)效率很高，因此加工材料范圍很廣，可以加工脆性、韌性的導(dǎo)體、非半導(dǎo)體和半導(dǎo)體等材料。

3 結(jié)語

隨著微細(xì)孔加工技術(shù)方法的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍也會(huì)不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的鉆屑加工技術(shù)已不能滿足高品質(zhì)、高效率微細(xì)孔材料加工的需求。近年來發(fā)展的超聲振動(dòng)磨削加工、鐳射加工、微放電加工、電子束加工等新型非傳統(tǒng)技術(shù)，在不同的材料加工領(lǐng)域均具有較好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步改進(jìn)和推廣。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）