基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法

摘要

本发明涉及一种基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法。该技术综合了精密/超精密加工、表面涂覆及精密测量等多项技术，采用先“-”(去除加工)后“+”(结合加工)的零件精密加工方式，在精密测量的基础上，通过精确控制涂(镀)层厚度对零件尺寸进行补偿，鉴于涂覆层厚度可精确控制在纳米级，从而提高了加工精度和表面质量。精密/超精密加工技术加工材料范围广，方法简单，可实现三维复杂结构形状微小型零件的批量化生产；广泛适用于钢、合金等多种微小型零件的加工中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微小型零件制造方法，特别是一种基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法。

背景技术

随着航空航天、国防工业、精密仪器、医学和生物工程技术的发展，微小型零件制造技术作为先进制造技术的重要发展方向，越来越多的受到各国学者的关注，与此同时，微小型零件由于其体积小，重量轻，耗能小、惯性低等优势，应用也变得越来越广泛。

现今，微小型零件制造主要有两种方法。一种是较为成熟的以硅微工艺和LIGA技术为代表的微电子技术，即MEMS技术，另一种方法主要是以传统精密机械加工为背景的制造技术，例如车削、铣削、钻削、抛光等。长春理工大学于化东教授在长春理工大学学报2008(3)：1-8.中发表的题为“超精密微机械制造技术研究进展”文章，对上述两种微小型零件制造方法做了比较详细的对比。文中指出：以硅微工艺和LIGA技术为代表的微电子技术，即MEMS技术，这种加工技术主要基于半导体加工工艺，以硅为主要加工材料，可实现零件的批量生产。但这种加工方法普遍存在加工材料单一等问题，且三维体加工能力较差，仅能加工结构比较简单的二维或者准三维的微机械零件；另一种以传统精密机械加工为背景的制造技术，这种加工技术的加工材料范围广，并且可以批量加工复杂结构形状的三维零件。但由于加工原理、机床、刀具以及装夹等因素的影响，这种方法的加工精度较低，同时由于被加工零件特征尺寸特别小，导致加工工艺非常复杂，实现加工的可靠性较差。因此也难以广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有加工精度高，可批量加工复杂结构形状零件，并能摆脱对加工材料限制的基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法。

本发明的目的是通过以下方法步骤实现：

1)根据设计要求对所有待加工的微小零件/结构进行加工工艺与尺寸链分析，并根据经济加工精度，放大微小系统中零件的制造公差或调整结构的基本尺寸，确定机械加工工序尺寸。

2)按照上一步所确定的机械加工工序尺寸对微小结构/零件进行精密加工，使微小结构/零件加工成为传统意义上的不可修复的废品；

3)对加工后的微小结构/零件待加工表面进行精密测量，并根据与最终设计尺寸的比较确定涂覆补偿量；

4)对微小结构/零件进行超声波清洗；

5)选用合适的沉积方法、涂层材料及工艺参数，根据步骤3)中的测量结果对零件待加工表面采用表面涂覆，进行尺寸补偿，并进行在线测量对涂覆厚度进行实时监测，精确控制涂(镀)层厚度，达到设计要求的尺寸精度与表面质量。

上述方法5)中，所指的合适的沉积方法可以是物理气相沉积方法或化学气相沉积方法或分子束外延技术方法；涂层材料可以选用氮化物或氧化物或氮碳化合物或类金刚石。

一般结构/零件中，涂(镀)层多用来改善零件的表面质量，提高防护性能和机械性能，增加美观，而对结构/零件的尺寸精度不会产生显著影响，但微小结构/零件中，涂(镀)层厚度将改变结构尺寸和形状。目前，精密加工技术以及表面涂覆技术相对比较成熟，精密加工技术的精度一般可以达到微米级，表面涂覆技术可以精确控制在纳米级，介于此点，表面涂覆技术可以为精密加工技术进行尺寸补偿，更重要的是，可以按照经济加工精度原则，适当放大零件公差，降低加工难度，减少成本。综合运用这两种技术为微小型零件的纳米级精度制造技术的集成创新提供了可能。

本发明采用了一种全新的加工理念，在尺寸链理论的基础上，根据经济加工精度放大精密加工工序中零件的制造公差或者调整结构的基本尺寸，确定机械加工工艺尺寸。采用精密/超精密加工去除工序间的加工余量，先使零件变为“不可修复的废品”，再通过表面涂覆的方式，通过控制精密涂(镀)层的厚度对零件尺寸进行补偿，为“废品”添加材料，实现去除加工与结合加工两种方式的结合，将零件的最终精度由原来取决于机械加工改为取决于涂层的厚度(公差)，最终达到微小零件的制造精度，同时也提高了表面质量，具有“一箭双雕”的效果。本发明集成了精密加工、表面涂覆及精密测量等多项技术的优势，是一种三维复杂结构形状精密零件微纳制造的新方法，开辟了一条经济合理的新途径。

本发明与现有技术相比其显著优点是：(1)综合运用了精密/超精密加工技术、精密测量技术和表面涂覆技术，通过对零件表面精密涂(镀)层的厚度控制对零件尺寸进行补偿，实现了对三维复杂结构形状微小零件的精密加工；(2)通过在线测量，调整工艺参数，涂覆层厚度可精确控制在纳米级，保证了较高的加工精度；(3)本发明对工件进行表面涂覆处理，可以赋予零件表面新的材料性能，提高表面质量，提高材料抵御环境作用的能力，主要表现在：提高了材料及其制品的耐腐蚀、抗高温氧化、耐磨减摩、润滑及抗疲劳性能等，从而延长其使用寿命，同时还可美化其外观；(4)精密/超精密加工技术加工材料范围广，方法简单，可实现批量化生产，可广泛适用于钢、合金等多种微小零件的加工中。

附图说明

附图是本发明所述基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以加工材料为45#钢，加工直径为10mm的轴类零件外表面为例，并要求获得一定的强度和耐磨性，对本发明作进一步详细描述。

1)对此轴类零件外圆表面进行加工工艺分析，毛坯选用直径为15mm圆棒料，确定采用粗车、半精车、磨削工艺，加工余量分别为3mm，1.5mm，0.6mm，使公差等级达到IT7，根据经济加工精度，可放大零件的制造公差3-5μm。

2)按照前一步确定的加工工艺对其进行粗车，精车加工，再进行磨削加工，使零件变为不可修复的废品。

3)采用外圆精密测量仪器对工件外径尺寸进行测量，并进行分组，分别确定各组所需的涂覆补偿量，介于0-10μm之间不等。

4)对待加工工件进行超声波清洗，其清洗过程为：用一定配比的碱液脱脂去油，浓水喷淋，纯水去除多碱液，纯水漂洗，气枪吹干，采用脱水剂脱去纯水，烘干。

5)采用磁控溅射的表面涂覆方法(属物理气相沉积方法)，以反应磁控溅射的方式沉积TiN薄膜，溅射靶采用纯度为99.9％的平面Ti靶。将待加工工件装夹在旋转支架上分批放入镀膜机中，抽取真空，通入一定比例的N₂与Ar气体，选用合适的工艺参数，例如溅射电流，溅射电压，脉冲偏压，真空度等，进行涂覆加工。采取在线测量方法实时监控涂(镀)层厚度，根据测量结果，进行尺寸补偿，达到设计要求时，停止涂覆加工，取出工件。

6)完成零件加工。

相对于现有加工方法，此基于表面涂覆的微小型零件集成制造方法实现了对三维复杂结构形状微小零件的精密加工，使加工精度与表面质量得到了同步提高，开辟了一条微小型零件微纳制造的新途径。