铸造 李邦盛等:微精密铸造工艺研究进展 677 (4)熔模铸造过程存在很大的偶然性,每一次微独到的优势,必然会使微精密铸造工艺的研究形成热 熔模铸型的制作工艺流程不可能完全一致(包括陶瓷潮。微精密铸造工艺的研究在世界范围内都是刚刚展 浆料的配比、粘结剂的配比、焙烧温度的控制等),而开,研究历史不超过十年,而且现有的研究多集中在 且任何微小的误差都有可能对结构尺寸微小的微铸件微精密铸造工艺的开发、验证上,关键的工艺参数优 的成形产生致命的影响 化、基础理论研究等都未展开,所以有关微精密铸造 (5)所做的工作都偏于工艺,更深层次的理论研的研究还存在巨大的发展空间。开发新的工艺、丰富 如微熔模精密铸造过程中的传热、传质和动量传试验数据、优化工艺参数及基础理论研究是摆在各国 输规律都未涉及。 科学家面前的难题,而进一步的产业化,与现有微机 因此,基于以上几点原因,微熔模铸造工艺研究械工业接轨也是急需解决的问题。 必然是微精密铸造工艺研究的奠基性工作,效率更高 的金属型铸造必将是微精密铸造工艺的发展方向,也参考文献: [U] TERRY SCA e silicon accelerometer with built-in damping 会是未来微精密铸造工艺研究的重点。 Baumeister也着 [C]. Digest IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1988: 重强调了这点叫,但国外科学家并没有开展这方面的 研究工作。哈尔滨工业大学的李邦盛等人开展了基于(2] RAMESHAM R. Fabrication of diamond microstructures for microele-. 金属型的微精密铸造工艺研究。 ctromechanical systems( MEMS) by a surface micromachining 6金属型微精密铸造工艺在中国的研1 CLARK WA, HOWER T, HOROWITZR Surface micromachined 究现状 z-axis vibratory rate gyroscope [C]. Technical digest of the Solid-State nsor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, 1996, SC, 以国外微熔模铸造工艺的研究进展为基础,李邦 盛提出了一种全新的基于金属型的微精密铸造工艺。 JUAN WH, PANG S W. High-aspect-ratio Si etching for microsensor 由于金属型采用分型铸造的方式,而微铸件的尺寸又 非常微小,因此对模具的制造精度和装配精度都提出 Vacuum, Surfaces, and Films. 1995. 13(3):834-838 了新的要求。此外,金属型的蓄热能力远大于陶瓷型]荣烈润特种微细加工的现状及应用机电一体化,200(3) 壳,即使是同等条件下,液态金属在充填过程中的冷 却速度也远大于陶瓷型壳中的情形。提高液态金属的 BECHER E W, EHRFELD W, HAGMANN P,ctal. Fabrication 冷却速度,严重增加了充型的难度。本工作中使用的 of microstructures with high aspect ratios and great structural heights 合金是工业上常用的锌铝合金,锌铝共晶合金具有良 moulding(LIGA process)[J]. Microelectronic Engineering, 1986 好的铸造性能,能满足微铸件流动性要求。 利用该工艺成功制备的微齿轮铸件的技术指标:[7] HORMES J, GOTTERT J,LANK,eta. Materials for LiGA and 外径580μm,齿轮轴直径300μm,两个齿轮轴长度 400μm,图5是微齿轮俯视和侧视的放大图示,同时, Physics Research, 2003, B119: 332-341 在图中放人了刻度尺、大米和小米颗粒作为比较。与 [8] KUSSUL E, et al. Development of micromachine tool prototypes for microfactories[J]. J. Micromech Microeng, 2002(12):795-812. 前面的研究相比,制备的齿轮具有齿轮轴,增加了工 [9] ADAMS D P, VASILE MJ, et al. Micromilling of metal alloys with 艺的难度,但从图中可见,齿形成形良好,从而验证 了金属型微精密铸造工艺的可行性。 [10 WOLFGANG E, HEINZ L, FRANK M, et al. Micro electro discharge machining as a technology in micromachining [J]. SPIE []王振龙,赵万生,狄士春,等.微细电火花加工技术的研究进展 中国机械工程,2002,13(10):894-898 [2]李志坚微电子机械系统(MEMS)发展展望门电子科技导报, [13] BAUMEISTER G, HAUSSELT J, ROTH S, et al. Microcasting Fig 5 Plan view and lateral view of micro-gear micro-engineering in metals and ceramics. Wiley-VCH, Weinheim. 7展望 [14] BAUMEISTER G, RUPRECHT R, HAUSSELT J Microcasting of parts made of metal alloys U]. Microsystem Technologies, 2004, 10 由于微精密铸造工艺在制造金属微构件方面具有铸造 李邦盛等：微精密铸造工艺研究进展 (4)熔模铸造过程存在很大的偶然性 ，每一次微 熔模铸型的制作工艺流程不可能完全一致 (包括陶瓷 浆料的配 比、粘结剂的配比、焙烧温度的控制等)，而 且任何微小的误差都有可能对结构尺寸微小的微铸件 的成形产生致命的影响 ； (5)所做的工作都偏于工艺，更深层次的理论研 究 ，如微熔模精密铸造过程中的传热 、传质和动量传 输规律都未涉及。 因此 ，基于以上几点原 因，微熔模铸造工艺研究 必然是微精密铸造工艺研究 的奠基性 工作 ，效率更高 的金属型铸造必将是微精密铸造工艺的发展方向 ，也 会是未来微精密铸造工艺研究的重点。Baumeister也着 重强调了这点【l3】，但 国外科学家并没有开展这方面的 研究工作。哈尔滨工业大学的李邦盛等人开展 了基于 金属型的微精密铸造工艺研究。 6 金属 型微 精 密铸 造 工 艺在 中 国的研 究现状 以国外微熔模铸造工艺的研究进展为基础 ，李邦 盛提出了一种全新 的基 于金属型的微精密铸造工艺 。 由于金属型采用分型铸造的方式 ，而微铸件 的尺寸又 非常微小 ，因此对模具 的制造精度和装配精度都提出 了新 的要求。此外 ，金属型的蓄热能力远大于陶瓷型 壳 ，即使是同等条件下 ，液态金属在充填过程中的冷 却速度也远大于陶瓷型壳中的情形。提高液态金属的 冷却速度 ，严重增加了充 型的难度。本工作中使用的 合金 是工 业上 常用 的锌 铝 合金 ，锌 铝共 晶合 金具 有 良 好的铸造性能，能满足微铸件流动性要求 。 利用该工艺成功制备 的微齿轮铸件 的技术指标 ： 外径580 m，齿轮轴直 径300Ixm，两个齿轮轴长度 400 m，图5是微齿轮俯视和侧视 的放大图示 ，同时 ， 在图中放人了刻度尺 、大米和小米颗粒作为比较。与 前面的研究相比，制备的齿轮具有齿轮轴 ，增加了工 艺 的难度 ，但 从 图 中可 见 ，齿形 成 形 良好 ，从 而验 证 了金属型微精密铸造工艺的可行性。 图5 微 齿轮铸 件的俯视 图和侧视 图 Fig．5Planviewandlateralview ofmicro—gear 7 展 望 由于微精密铸造工艺在制造金属微构件方面具有 独到的优势 ，必然会使微精密铸造工艺的研究形成热 潮。微精密铸造工艺的研究在世界范围内都是刚刚展 开 ，研究 历 史不 超过 十 年 ，而 且 现有 的研 究多集 中在 微精密铸造工艺的开发 、验证上 ，关键 的工艺参数优 化 、基础理论研究等都未展开 ，所 以有关微精密铸造 的研究还存在巨大的发展空间。开发新 的工艺 、丰富 试验数据 、优化工艺参数及基础理论研究是摆在各国 科学家面前的难题 ，而进一步的产业化 ，与现有微机 械工业接 轨也是 急需解决 的问题 。 参考文献 ： [1】 TERRYSC．Aminiaturesiliconaccelerometerwithbuilt—indamping [c]．DigestIEEESolid—StateSensorandActuatorWorkshop，1988： l14-l16． [2】 RAMESHAM R．Fabricationofdiamondmicrostructuresformicroele￾ctromechanicalsystems (MEMS) by a surface micromachining process[J】．ThinSolidFilms， 1999，340 (1-6)：1-6． [3】 CLARKW A，HOWERT，HOROWITZR Surfacemicromachined z—axisvibratoryrategyroscope[C]．TechnicaldigestoftheSolid—State Sensor an d Actu atorW orkshop， Hilton Head Islan d， 1996， SC， 283-287． [4] JuANw H，PANGSW．Hi曲一aspect—ratioSietchingformicrosensor fabrication [J]．JournalofVacuum Science & Technology A： Vacuum，Surfaces，andFilms，l995，l3 (3)：834—838． [5】 荣烈润 ．特 种微 细加工的现状及应用 [J]．机 电一体化 ，2003 (3)： 6一lO． [6] BECHEREW ，EHRFELDW ，HAGMANN P，eta1．Fabrication ofmicrostructureswith highaspectratiosan d greatstructuralheighcs bysynchrotron radiationlithography， galvanoforming， andplastic moulding (LIGA process) [J]．MicroelectronicEngineering， 1986 (4)：35—56． [7】 HORMESJ，GOTTERTJ，LIANK，eta1．MaterialsforLiGAand LiGA—basedmicrosystems[J]．Nuclear InstrumentsandMethodsin PhysicsResearch，2003，B I19： 332-341． [8】 KUSSULE，eta1．Developmentofmicromachinetoolprototypesfor microfactories[J]．J．Micromech．Microeng，2002 (12)：795-812． [9】 ADAMSDP，VAS／LEM J，eta1．Micromillingofmetalalloyswith focused ion beam —fabricated tools [J]．Precision Engineering， 2001．25 (2)：1O7一l13． [10]WOLFGAN G E，HEINZ L， FRANK M ， eta1．Microelectro dischargemachiningasatechnology inmicromachining[J]．SPIE， 1996， 2879： 332—337． [11】王振龙 ，赵万生 ，狄 士春 ，等．微 细电火花加工 技术的研究进 展 [J]．中国机械工程 ，2002，13 (10)：894—898． [12】李志坚．微 电子机械 系统 (MEMS)发 展展望 [J]．电子科技导报 ， I997 (I)：2—9． [13]BAUMEISTERG，HAUSSELTJ，ROTH S，eta1．Microcasting [C]．Haubelt(eds) SpecEdadvanced micro and nanosystems： m icro—engineering in metalsan d ceram ics．W iley—VCH．W einheim． 2005： 357—393． [14]BAUMEISTERG，RUPRECHTR，HAUSSELTJ．Microcastingof partsmadeofmetalalloys[J】．MicrosystemTechnologies，2004，10 维普资讯 http://www.cqvip.com