姜正義

（1.伍倫貢大學(xué)機(jī)械、材料、機(jī)電與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，新南威爾士州，伍倫貢 2522；2.遼寧科技大學(xué)，材料與冶金學(xué)院，遼寧，鞍山114051;3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山114009）

由于產(chǎn)品越來越向小、輕、薄以及多功能化和高密度化發(fā)展，這就要求在有限的空間內(nèi)設(shè)置更多高質(zhì)量的微鉆孔。與微型化趨勢(shì)相一致的是微鉆頭現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于精密工程等領(lǐng)域，如微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、消費(fèi)品、生物醫(yī)藥、化學(xué)工程、光學(xué)顯示器、流體學(xué)、無線和光通信以及印刷電路板（PCB）［1-3］。 在上述行業(yè)中，PCB 制造使用的微鉆技術(shù)最多。由于對(duì)智能手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)和錄像機(jī)等電子設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，研究表明，PCB市場(chǎng)有望在2015～2020年以同期復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）4%的速率增長(zhǎng)。

為了滿足微鉆頭的需求，根據(jù)應(yīng)用的類型、尺寸精度要求、孔壁表面質(zhì)量和速度，大量不同的、傳統(tǒng)的和非傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)已經(jīng)而被廣泛應(yīng)用。非傳統(tǒng)的微鉆頭涉及電、化學(xué)、機(jī)械、熱等手段，本文研究了六種主要的非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)，其中包括：激光微鉆孔（LMD）；電火花微鉆孔（EDM）；電化學(xué)微鉆孔（ECMD）；電子束微鉆孔（EBMD）；放電輔助化學(xué)加工微鉆孔（SACE）；超聲波振動(dòng)微鉆孔（US）。

1 非傳統(tǒng)微鉆頭技術(shù)的發(fā)展歷史

鉆孔是最常用的機(jī)械加工技術(shù)之一，自古埃及時(shí)代就開始使用。1958 年，Levin［4］通過機(jī)床制造了一個(gè)小至0.015 mm的鉆孔，這可能是微鉆頭技術(shù)的第一次嘗試。在所有的非傳統(tǒng)技術(shù)中，激光微鉆孔在20世紀(jì)70年代開始被使用［5］，這一時(shí)期的激光打孔是基于長(zhǎng)脈沖CO2和YAG（釔鋁石榴石）激光系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，材料通過熔體去除排料，導(dǎo)致尺寸精度差，孔壁上易產(chǎn)生裂縫，這些缺點(diǎn)限制了激光鉆孔技術(shù)的使用。在以后的十年里，隨著低功率波導(dǎo)準(zhǔn)分子激光器和四倍頻率Nd-YAG激光器的發(fā)展，解決了一些缺陷［6-7］。然而，這些技術(shù)僅限于非金屬材料和大直徑鉆孔。在這段時(shí)期，其他一些非傳統(tǒng)的微鉆技術(shù)，如EDM也可用于微鉆頭。在1990～2000年，除了激光鉆孔和EDM，ECM和超聲振動(dòng)手段也開始出現(xiàn)報(bào)道，但應(yīng)用十分有限［8］。激光微鉆孔在這十年里主要致力于高精度和高展弦比微鉆頭方面的研究。這一時(shí)期，通過準(zhǔn)分子在聚合物和PCB上進(jìn)行激光鉆孔很受研究人員的追捧［9-10］。然而，在金屬上進(jìn)行微鉆還存在一些問題，在上個(gè)世紀(jì)90年代末，人們做了很多關(guān)于微鉆金屬的嘗試。Zhu［11］等人使用飛秒鈦，通過藍(lán)寶石激光脈沖研究了鋁、鉬、鈦、銅、銀、金和黃銅等材料的微鉆技術(shù)。從2000年開始，激光微鉆以及其他的非傳統(tǒng)微鉆技術(shù)如EDM、EB、SACE和US已廣泛應(yīng)用于包括金屬在內(nèi)的幾乎所有的材料。

2 非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)

非傳統(tǒng)微鉆孔被定義為不使用常規(guī)微鉆孔工藝加工微孔。非傳統(tǒng)的微鉆孔方法有激光、電火花加工、電子束、電化學(xué)和放電輔助化學(xué)加工，其中使用最廣泛的是激光打孔技術(shù)。然而，每種技術(shù)在成本、加工效率、精度、可加工材料和最小可實(shí)現(xiàn)尺寸方面都有其各自優(yōu)缺點(diǎn)［12］。非傳統(tǒng)微鉆頭技術(shù)相對(duì)較新穎，同時(shí)也在現(xiàn)代生產(chǎn)中大量應(yīng)用。與傳統(tǒng)鉆頭的使用方式不同，非傳統(tǒng)微鉆頭技術(shù)使用的是涉及各種電氣、化學(xué)、機(jī)械、熱力工藝或這些工藝過程的組合。

2.1 激光微鉆孔

在非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)中，最常用的方法是激光（微）鉆孔。常用于微鉆孔的激光包括紫外激光（短脈沖，超短脈沖）、ND:YAG、CO2激光、有源光纖激光、金蒸氣激光、二極管陣列激光、Nd-VO4激光、準(zhǔn)分子激光，THG-YAG激光器和銅蒸氣激光器。激光燒蝕的典型脈沖持續(xù)時(shí)間在納秒、微微秒和飛秒范圍內(nèi)［13-14］。

激光（微）鉆孔非常適合在復(fù)雜形狀零件上的加工微孔，激光微鉆孔技術(shù)以其高寬高比，局部處理能力強(qiáng)，加工精度高，與光刻技術(shù)相比，具有成本低、生產(chǎn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為克服傳統(tǒng)機(jī)械加工缺點(diǎn)的潛在替代品，廣泛用于高級(jí)硬質(zhì)材料或難切削材料，如陶瓷、玻璃和超級(jí)合金復(fù)合材料。在眾多的應(yīng)用中，激光微鉆孔技術(shù)在航空工程、汽車、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛［15］。

典型的激光微鉆加工示意圖見圖1，它是一種將高密度光束聚焦在試樣上的一個(gè)點(diǎn)上，以熔化和蒸發(fā)其經(jīng)過路徑上的材料的激光微鉆孔加工技術(shù)。

圖1 典型的激光微鉆加工示意圖［18］Fig.1 Typical Shematic Diagram on Processing by Laser Micro-drilling［18］

這些孔的直徑從一微米到幾百微米不等，激光微打孔發(fā)生在兩個(gè)階段：光化學(xué)階段和光熱階段。在光化學(xué)階段，激光光子能量直接落在材料上，從而使材料在光照下從基體中噴出；在光熱階段，由于材料吸收了激光能量，溫度上升到熔化點(diǎn)或蒸發(fā)點(diǎn)以上，使材料被快速沸騰或蒸發(fā)帶走［15-17］。

除此之外，許多研究者也開始關(guān)注飛秒激光微鉆孔技術(shù)。飛秒激光可用于各種材料，如金屬、半導(dǎo)體、透明材料、超硬材料和聚合物。傳統(tǒng)激光器的光源是固體激光器，其成本高、體積大并需要定期維護(hù)，而非傳統(tǒng)飛秒激光器具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高和維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 電火花微鉆孔

微細(xì)電火花加工技術(shù)通常稱為微細(xì)電火花加工（EDM），它實(shí)際上是一種微細(xì)電火花加工工藝。近年來，這種方法在微尺度鉆孔中的應(yīng)用得到了推廣。它用一根微絲作為電極，穿過工件，在工件上鏡像，最終在工件內(nèi)部打一個(gè)孔。只要通上電流，該技術(shù)就可以加工復(fù)雜的幾何形狀和難以加工的強(qiáng)韌性的材料，例如工具鋼、航空航天合金和碳化鎢。電火花微細(xì)加工的另一個(gè)有前途的特點(diǎn)是該技術(shù)與傳統(tǒng)的微細(xì)孔相比，能加工出更高深寬比的微細(xì)孔。

借助于電火花加工技術(shù)的微鉆孔技術(shù)是一個(gè)復(fù)雜的加工過程，其典型原理圖如圖2所示?；鸹óa(chǎn)生在兩個(gè)電極之間的間隙中，兩個(gè)電極在介質(zhì)中彼此保持很小的距離，同時(shí)在它們之間施加高電壓。通過高壓電介質(zhì)的液體在加工間隙中循環(huán)，燒蝕材料迅速凝固并以碎片顆粒的形式從電極間隙中沖出［12，19-20］。 結(jié)果表明，激光微鉆孔的圓度和表面質(zhì)量接近常規(guī)，但由于材料是通過熔化和汽化過程去除的，因此加工表面有熱老化層或微裂紋，表面質(zhì)量差。同時(shí)刀具磨損快，材料去除率（MRR）低，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

圖2 EDM的典型原理圖［21］Fig.2 Typical Schematic Diagram of EDM［21］

2.3 電化學(xué)微鉆孔

電化學(xué)加工（ECM）是 Gusseff于 1929年發(fā)明的專利［22］。從那時(shí)起，這項(xiàng)技術(shù)在科學(xué)研究和制造業(yè)越來越受歡迎。利用電解加工（ECM）或電化學(xué)微加工（ECMM）制造的微孔稱為電化學(xué)微鉆孔（ECMD）。目前，由于ECMD具有設(shè)備低廉、材料去除率（MRR）高、精度高和加工表面粗糙度小及其環(huán)境可接受性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的抗化學(xué)腐蝕材料，如鈦、超級(jí)合金、銅合金和不銹鋼等可以通過這種方法進(jìn)行微鉆孔。

ECMD是一種類似于電鍍，利用陽極溶解去除材料的方式，工作原理如圖3所示［23-24］。待鉆孔工件為陽極，刀具為陰極。陽極和陰極在電解液（通常是鹽溶液）的幫助下分離。當(dāng)?shù)毒吲c工件保持一定距離并通過電解液施加脈沖電壓時(shí)，陽極即工件開始局部溶解，從而產(chǎn)生微孔［25-26］。

化學(xué)加工或電化學(xué)加工實(shí)際上是一個(gè)無熱加工過程，不會(huì)在加工表面留下微裂紋或熱殘余應(yīng)力［26-27］。ECMD的主要缺點(diǎn)是刀具絕緣失效和雜質(zhì)去除。此外，它的加工精度不如傳統(tǒng)的微鉆孔。ECMD產(chǎn)品的最大市場(chǎng)主要是電子、醫(yī)藥、汽車、光學(xué)、生物技術(shù)、通信和航空電子工業(yè)，典型的例子包括壓力傳感器、光盤播放器、氣囊和噴墨打印機(jī)。

圖3 ECMD典型原理圖Fig.3 Typical Schematic Diagram of ECMD

2.4 電子束微鉆孔

電子束微鉆孔（EBMD）是在真空條件下形成的一種熱微鉆工藝。1948年，卡爾·施泰格瓦爾德在使用高分辨率電子顯微鏡時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了這個(gè)過程。不久之后，他在卡爾蔡司開發(fā)了一種微型鉆孔系統(tǒng)，生產(chǎn)從50 μm到1 mm不等的微孔。圖4顯示了電子束微鉆孔整個(gè)過程的工作原理。電子束產(chǎn)生后，通過電磁透鏡將高加速和高濃度的電子束聚焦在試樣上，激發(fā)的光束在撞擊點(diǎn)立即熔化并蒸發(fā)工件材料。

圖4 電子束微鉆孔操作裝置原理圖Fig.4 Schematic Diagram for Operating Device by Electron Beam Micro-drilling

圖5顯示了創(chuàng)建孔所涉及的步驟。背襯材料用于排出熔融材料，有助于保持孔尺寸均勻，一旦電子束穿透試樣，背襯材料將發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，將熔融材料從鉆孔中吹出［28-29］。圖6為典型的EBMD實(shí)例。

圖5 EBMD工藝Fig.5 EBMD Process

電子束（EB）微鉆孔與激光微鉆孔類似，其原理是產(chǎn)生能量并精確地聚焦在特定尺寸上，以熔化和蒸發(fā)鉆孔區(qū)域。目前的電子束尖端技術(shù)有穿孔的單脈沖和擴(kuò)大孔的多脈沖模式兩種基本模式。與激光、電火花或電解加工相比，由于電子束微鉆孔技術(shù)具有更高的生產(chǎn)力，得到了更廣泛的應(yīng)用。

圖6 典型的EBMD實(shí)例[30]Fig.6 Typical Examples of EBMD[30]

這種方法在未來有很大的潛力，特別是在那些需要在單個(gè)零件上有10 000個(gè)以上孔的應(yīng)用。對(duì)于難以切割和復(fù)雜形狀的零件，EBMD是最佳選擇之一。另外，將它安裝在可編程數(shù)控機(jī)床上會(huì)使系統(tǒng)更容易被用戶接受。

2.5 放電輔助化學(xué)加工

放電輔助化學(xué)加工（SACE）又稱為電化學(xué)放電加工和電化學(xué)火花加工。該系統(tǒng)由Kurafuji等人開發(fā)，1968年首次用于玻璃微穿孔，但后來被用于加工其他非導(dǎo)電材料，如石英和陶瓷。在玻璃材料中進(jìn)行微鉆孔是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，特別是在高長(zhǎng)徑比的微鉆孔中，其原因是玻璃的脆性和非導(dǎo)電性。傳統(tǒng)的微鉆孔加工時(shí)間較長(zhǎng)，表面質(zhì)量較差?；跓彷o助刻蝕的SACE可以為脆性材料的微鉆孔提供一種很有前景的解決方案，但它的局限性在于該技術(shù)大多只適用于脆性材料。放電輔助化學(xué)加工的機(jī)理是基于電化學(xué)放電，而機(jī)械加工是基于熱輔助刻蝕。SACE微鉆的典型機(jī)理如圖7所示［31-32］，電化學(xué)放電加工是在30%NaOH制成的電介質(zhì)溶液中進(jìn)行，通常使用兩個(gè)電極，較大的一個(gè)用作工件，較小的一個(gè)用作工具。在電池終端之間施加一個(gè)電位差，當(dāng)它達(dá)到臨界值（通常為30 V）時(shí)，氣泡在工具電極區(qū)密集生長(zhǎng)并聚集成氣膜。

圖7 SACE微鉆的典型機(jī)理［33］Fig.7 Typical Mechanism of SACE by Micro-Drilling［33］

2.6 超聲波振動(dòng)微鉆孔

超聲波輔助加工技術(shù)在微鉆孔領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)新的發(fā)展方向［34-35］。該技術(shù)問世后，已廣泛應(yīng)用于加工和切割。典型的應(yīng)用實(shí)例包括高精度醫(yī)療設(shè)備、微型整合分析系統(tǒng)（μ-tas）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和許多其他設(shè)備［34］。Hung 等人［36］采用螺旋微工具，通過微細(xì)電火花加工和超聲振動(dòng)相結(jié)合，在高鎳合金內(nèi)部產(chǎn)生微孔。Aziz等人［37］采用直徑為 20 μm 的微型長(zhǎng)直徑鉆頭，對(duì)不銹鋼進(jìn)行超聲波輔助微鉆孔，當(dāng)施加超聲波振動(dòng)時(shí)，能夠提高工具的性能。Rusli等人［38］利用超聲波輔助電解加工技術(shù)在玻璃基板上檢查了微鉆孔的性能。超聲微孔加工見圖8，圖8（a）給出了超聲波微鉆孔工藝的典型示意圖，圖8（b）顯示了工件固定時(shí)刀具的振動(dòng)，圖8（c）顯示了刀具在固定位置旋轉(zhuǎn)時(shí)工件的振動(dòng)。

圖8 超聲微孔加工Fig.8 Processing by Ultrasonic Micro-drilling

3 非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)對(duì)比分析

文中涉及到的非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、工程以及不同科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。雖然激光微鉆孔是最受歡迎的一種非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)，但也有許多缺點(diǎn)。這些問題包括尺寸精度差，碎片需要清除，由于重鑄層的形成而導(dǎo)致孔內(nèi)微裂紋產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力以及生產(chǎn)成本高。較為流行的非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)是電火花微鉆孔，只要工件是導(dǎo)電的，這項(xiàng)技術(shù)就可以用于任何幾何形狀或難以切割的高硬度材料。然而在加工過程中，材料去除仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要正確控制，因此該方法存在微裂紋和表面光潔度差的問題。與電火花微鉆加工技術(shù)相比，電化學(xué)微鉆具有材料利用率高、安裝成本低、生產(chǎn)率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛的關(guān)注。電子束微鉆孔和超聲振動(dòng)微鉆孔是制備微孔的較新技術(shù)，一方面，電子束微鉆孔是為復(fù)雜形狀或難以加工材料而開發(fā)的批量微孔技術(shù)，該技術(shù)可配備可編程數(shù)控機(jī)床；另一方面，超聲波振動(dòng)微鉆孔主要用于制造高質(zhì)量的微孔，該特征可以添加到其他類型的微孔鉆孔方法中，以獲得優(yōu)質(zhì)的孔壁表面。

4 結(jié)語

非傳統(tǒng)微鉆孔是指不需要鉆頭的技術(shù)，本文重點(diǎn)概述了五種非傳統(tǒng)微鉆孔技術(shù)：激光微鉆孔、電火花加工微鉆孔、電化學(xué)加工微鉆孔、電子束微鉆孔及超聲振動(dòng)微鉆孔，并討論了每種技術(shù)的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、挑戰(zhàn)和未來前景。在所有的非傳統(tǒng)技術(shù)中，激光微鉆孔是最常用的技術(shù)。

（1）由于高速的優(yōu)勢(shì)，激光微鉆孔在工業(yè)應(yīng)用中一直是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

（2）短脈沖，例如飛秒激光微鉆孔，由于具有最小飛濺、微裂紋和重鑄層形成的優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。

（3）只要試樣是導(dǎo)電的，電火花微鉆孔就可以適用于任何幾何復(fù)雜零件。目前，該技術(shù)缺乏材料去除的改進(jìn)方法以用來提高生產(chǎn)速度、減少電極磨損。

（4）與電火花相比，電解加工有助于提高材料去除率。

（5）對(duì)于不需要高質(zhì)量孔的微孔批量生產(chǎn)，電子束微鉆孔是更好的選擇，該技術(shù)更適合復(fù)雜形狀的零件或難以切割的材料。

（6）在要求最終孔質(zhì)量的應(yīng)用中，超聲波振動(dòng)微鉆孔是最佳選擇。這種方法可采用多種刀具類型和尺寸。然而，這項(xiàng)技術(shù)因其緩慢的生產(chǎn)速度而受到限制。為了提高其適用性，有必要進(jìn)一步研究以提高生產(chǎn)率。

總之，由于市場(chǎng)非常廣闊，有許多替代品可供選擇，因此選擇合適的微鉆孔削技術(shù)不僅需要深入了解現(xiàn)有技術(shù)，而且還需要仔細(xì)考慮一些因素。對(duì)于難以加工材料或形狀復(fù)雜的試樣，推薦采用非傳統(tǒng)的微鉆孔技術(shù)。如果生產(chǎn)量大，更推薦使用激光或電子束。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金對(duì)本研究的財(cái)政支持。

特別感謝來自遼寧科技大學(xué)張紅梅教授、李娜副教授、趙大東博士和夏壘博士對(duì)論文的翻譯工作。