三维微细超声波加工研究外文翻译Word格式文档下载.docx

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如硅材料、玻璃、水晶、陶瓷正日益用于微机电系统（MEMS）器件。

超声加工（USM）成为加工部分脆硬材料的替代机。

然而，微细超声加工中的刀具磨损影响了加工精度。

因此，有必要在补偿刀具磨损加工方面作介绍。

本文阐述了，将微型电火花加工中均匀磨损方法结合CAD/CAM生成准确地微型超声波立体（三维）微震动的可行性。

实验结果表明，为保证工件的加工精度，一直补偿刀具磨损。

关键词：

微细加工、超声波加工、三维微观形态

引言

随着有效利用空间和节约资源，例如材料、能源等的需求的增加，微型产品和微型技术正在迅速被工业重视。

追求极小化产品已经导致微机电系统（MEMS）器件与传感、驱动力能力的开发。

许多微细制造技术已经开发了微机电元件与器件。

除了硅（在MEMS中最常用的材料）,其他材料,如玻璃、石英晶体被许多行业大量使用。

在生物科学方面被用于制造光学的玻璃部件或反应体以及石英晶体（因其压电性能）通常用来制造微元件。

陶瓷抗高温、腐蚀是在汽车零件产业中使用。

微细加工技术，如光刻、蚀刻，用于生产集成电路的微电子产业。

这些过程是适合大规模生产，易于融入电子控制电路。

然而这些过程在形成二维的特点中大多被限制。

在Z轴中控制大小和形状是非常困难的。

结构产生相应的低展弦比。

包含X射线光刻、电铸、塑料成型的LIGA技术工艺,都是用来生产高宽比结构。

LIGA技术能够加工的材料，如铜和镍电铸塑胶成型。

然而这种技术无法加工硬脆材料，如玻璃、硅。

机械制造方法,如磨、转复杂形状的三维机床用于加工许多金属和非金属材料。

通常的工具和材料是钻孔加工凸形状的工件。

然而，直接接触的工具、机械工件的变形、电发热、失真。

刀具易磨损、精度高、切削力大。

当加工微孔或凹腔、刀具的大小限制主轴转速和切削速度，导致加工脆硬材料的难度。

电火花加工和电化学加工被用来制造微型形态不等，复杂形状三维微孔和导电工件材料。

激光是从工件的硬度、导电方面来清除材料的。

二氧化碳或钕：

YAG激光机能钻微孔或微型读卡器。

Z轴控制和低展弦比的困难与（限于去除熔融材料的深孔）其适用构成呼应。

但是，如同其他加工方法，电子束和聚焦离子束，这些进程面临的问题：

低投资成本和高效率加工设备。

超声加工（超声马达）是由于机器的能力和脆硬材料而驰名，如玻璃、硅、石英晶体、氮化物、蓝宝石、铁氧体、光缆。

在20-100赫兹0.025微米振幅频率下振动工具产生精确镜像成形孔。

在超声波电机中，材料受冲击磨料拆除磨料中动能是受超声波振动声学系统影响的。

微型超声马达还成功地应用于钻微孔直径为5微米。

然而，在实现微型超声马达全部过程中，受设计与制作工具（有时多种工具）和刀具磨损的影响与部件加工精度成正比。

细观微型元件的这些问题变得更加至关重要。

因此，本文的目的是研究钻微孔的超声波电机、了解刀具磨损程度和发电的可行性，任意三维微形形状的简单工具（如圆柱体）具有自我补偿刀具磨损能力。

研究钻微孔微超声马达的基础是描述在第2部分观察加工性能和工艺参数对刀具磨损程度。

第３部分均匀配载方法结合CAD/CAM生成复杂三维凸轮。

实验结果列在第4项。

研究的总结是在最后一节。

钻微孔超声马达的研究

在超声波电机中，磨料是振动工具和工件之间的高频振动系统。

从某个程度讲述振动冲击磨料对工件表面产生裂痕，工件材料和工具进行最后清除。

图1显示了超声马达的基本过程原则。

通常在超声加工过程中使用，尤其在三维造型加工。

同样的工具，如形状和大小的设计部分。

目前，微型超声马达主要应用于钻微孔。

超声波振动通过集齐传感器传给磨粒、选矿厂及其它相关零件，造成大偏心旋转工具。

工件振动已经提出要解决这个问题,微孔直径为5微米，已成功钻探。

为了进行微型超声马达钻探试验，一种微型超声马达系统的设计、组装图2所示工件固定在高高的激荡是由一个超声波传感器系统，包括在频率39.5千赫兹超声波振动发生器、振动传感器。

泥浆、磨料、搅拌机的水，加在工件表面。

三维刀具轨迹运动控制的X、Y和Z方向及其控制器。

当工具控制沿着道路设计，静态负荷监测加工。

如果静载荷大于定值，工具吊起到一定高度是为了避免因超载刀具破损。

已经发现许多影响表面宏观超声波加工的因素。

静负荷、振幅、磨料类型、大小、材料、尺寸工具、泥浆浓度大大影响材料去除率和表面粗糙度。

因在微型超声马达超声波振动下容易蒸发水分，然而很难保持同一水平浆料浓度。

另外，外部原因是微型振动工具和静态负荷变化加工。

因此，这些初步的研究，泥浆浓度不视为其中的输入参数。

选择钻石粉磨料是因为它硬度高、超声波振动冲击下不断裂。

微型超声马达通过钻微孔实验，了解影响静态负荷大小和工具的材料去除率、刀具磨损率。

刀具（钨）接触工件表面（晶圆），这一点被称为钻孔起点。

钻孔所使用的微型超声马达加工条件列在表1，刀具在前后加工工件表面被移到同一参考点。

工具降至地面接触时静载10至20微克（以百万9.8310251.9631024百万）无振动。

观察Z轴计算刀具磨损长度。

工具直径测量使用光学显微镜。

测量洞口径和厚度的工具是晶圆。

静负荷在电子秤沿纵轴监录。

步骤3和4，钻微孔的超声波电机和微型工具加工后，孔直径分别为66微米，总工具钻料200微米，刀具磨损长度11.2微米。

于是差距（相差一半是直径测量工具的直径钻孔）约为8微米，其中最大粒径将近一倍。

可能是因为硅结晶，孔边缘似乎有不规则裂痕。

如果可以减少使用较小磨料，则需要更多的实验以确定它的工作。

刀具在加工过程中磨损很大。

然而，保护刀具在加工过程中很重要。

步骤5所示移除速率增加了静载荷和刀具直径。

静态负荷压力的增大，就意味着工件最终磨料更大、移除速率也因而增加。

刀具受磨损，导致刀具在工作区局部变形，其次是刀具去除下一层物质，导致刀具磨损。

当静负荷增加，迫使刀具加压，从而增加了刀具磨损图6和7所示产生裂痕的锐利边缘部分导致折断的边缘部分更容易趋向中心部分。

比例磨损的边缘部分规模较小。

因此，随着刀具磨损减少图所示刀具的大小，据观察静载所得差距（图8）。

当静负荷增加，静态横向载荷还可抑制刀具的振动。

上述实验结果表明，微型超声马达刀具的磨损程度。

当一个三维微观形态是机械、刀具与微观特征来产生相应的微观特征。

不过编写复杂形状微型刀具是一项艰巨的任务。

另外,就是要编造一些复杂形状微型刀具实现刀具磨损设计精度的要求。

多种刀具的使用导致刀具走向问题。

因此，编造多重微型刀具很困难而且不合算。

要解决这些问题，形成一个简单的刀具，如缸，被用于沿着刀具的设计路径产生三维微观形态。

电火花磨削（WEDG）方法是用来获取各种刀具简单形截面[22]。

因此，在CAD/CAM软件均匀磨损方式产生的方法，其中应有补偿刀具磨损和刀具路径生成，是用于在随后的企业产生三维微超声马达。

这种方法在微型电火花已经取得成功〔23〕。

三维微细超声马达

产生复杂的三维腔与预期准确性。

既要补偿刀具磨损又要生成刀具轨迹。

均匀磨损方式是结合商业CAD/CAM软件。

均匀磨损方式。

静负荷用来清除微型工具造成的工件材料磨损、局部变形和工具表面的微型裂缝。

在产生精确的三维微观形态下微型超声马达是必须补偿刀具磨损。

均匀磨损方式的基本原则是，在一定条件下，刀具的形状是由于一层加工磨损后重新获得。

因此，它的长度可以变的稍短些但是能够获取新的形状。

加强这一现象，刀具路径设计必须包括以下规则。

逐层加工。

三维微观形态是在Z轴使用简单型刀具中逐层加工的。

刀具棱角的形状在排除表面加工的恶化效应之后很容易被恢复。

重复扫描。

在一层加工中，从刀具路径起点到终点的加工表面倾斜是因为刀具长度由于加工磨损而变短。

扭转刀具路径等，重复扫描,有助于减轻地表产生倾斜。

这可以用刀具磨损模型验证。

进一步完善加工精度，切削角，即主要道路的方向，也是改变。

刀具路径重叠。

超声波振动冲击下刀具的棱角是刀具更容易磨损较中心部分。

当刀具沿着刀具设计路径圆形边缘的棱角将反映在加工表面。

刀具路径重叠是为了避免由于圆形边缘和刀具尖端形成表面基准面的不一致。

中部和边界的交替加工表面。

当正在加工的边界，刀具的边缘会磨损。

但是，在中部的加工层、刀具底层中心的静载荷比远离加工表面圆形边缘的稍大些。

它导致了刀具中心的磨损比边缘部分的多一些。

这有助于恢复原来的形状与间隔，刀具可进入下一边界道路。

基于以上分析，预示刀具形状保持不变时，微超声马达是基于刀具路径的方法。

刀具磨损补偿。

在微型超声马达，刀具形状同样可以保持不变。

超声波加工用的刀具可被视为一个单一类型的铣削过程。

然而，要弥补机床刀具长度三维微观形态与正确的简单型刀具。

补偿方程可以从定义刀具磨损量相对比，假设每一层刀具吃刀量可分为两部分，高温磨损长度，其余长度，相当于平均加工层深度。

图所示的关系9可以写成

刀具磨损率能测量和计算作为下一节提到实验中的加工槽。

刀具横截面积是刀具在加工后被测量的。

每一层的面积能通过沿Z轴的三维微形层的切片获得的。

当切片层的深度已知时，仅仅通过所需调整的切断层深度来产生准确的三维形态。

均匀磨损方式CAD/CAM系统的整合。

有许多CAD/CAM系统可用来为许多工序产生刀具路径。

如钻、铣、线材及电火花。

但是，这些系统不宜生成微型超声马达简单型刀具的刀具路径，因为三维微观形态刀具的机械磨损需要加以补偿。

因此，有必要整合具有CAD/CAM软件刀具路径的均匀磨损方式。

在CAD/CAM系统中的CAM模块中，利用CAD/CAM系统中的功能产生刀具路径，利用体积铣削产生刀具路径。

路径选择的模式是基于刀具均匀磨损方式。

加工表面顺利产生两套刀具切割路径的角度为0—90度，一套新的刀具路径是通过选择刀具路径生成两套数据和修改每层切削深度，此深度是基于刀具磨损补偿公式的计算产生的。

这套全新的刀具路径在由独立运动轴线补偿公式计算后译成X、Y和Z移动命令。

图10显示一体化步伐。

实验验证

在三维微型超声波加工中，为了获得磨损量和刀具磨损率，刀具补偿的两个关键因素和一个加工槽的实验已被验证。

输入工件的刀具深度是1微米，然后，沿着横向X轴受控制。

之后切削500微米，在此深度再次切削上一层的同深度。

反复这个过程，直到刀具总吃刀量（50微米）为止。

通过刀具列的路径图11。

槽深的测量与刀具磨损长度的测量方法一致。

槽和槽上表面两侧的底层的几个要点被检测。

槽深是由Z轴上不同的平均值估算的。

槽的长度和宽度用光学显微镜测量。

缝隙是槽的宽度和刀具直径之间相差一半的距离。

刀具相对体积磨损率的计算

表示刀具磨损量，表示工件清除量。

表2列示了加工条件、刀具磨损率和槽。

由于废弃物的彻底清除和磨料之间的不同，刀具磨损长度的估计和槽深未必完全准确。

均匀磨损方式和整合的应用，三维微型超声马达CAD/CAM系统是经复杂的三维造型。

图12显示了锥形腔（221.75*221.75微米）以1/8圈为半径（大约50微米）是在设计中心中使用CAD/CAM软件。

图13所示刀具路径是基于均匀磨损方式产生的，此部分是0.25微米厚度的切片层。

刀具路径的再生是基于均匀磨损方式，通过计算，首层的切削深度是0.823微米和最后一层是0.684