（机械制造及其自动化专业论文）微磨料气射流机设计及加工机理实验研究.pdf

沈阡i 理工大学硕士学位论文 摘要 微磨料气射流加工技术是微细加工中的一种新技术，该技术以其具有环境友好， 易于控制，无热影响区，切口质量好等优点成为硬脆材料微细加工的重要基础技 术。国内在微磨料气射流加工技术的应用方面，包括加工装置的研制与微磨料气 射流加工机理的研究还处在初始起步阶段。 本文以微磨料气射流加工技术为研究方向，进行了微磨料气射流加工机的总 体设计，确定了该装置的系统构成主要包括喷砂射流系统、xy 扫描数控工作台部 件、喷砂头调整部件、工作台部件、机器支撑部件、机器控制系统、其他辅助系 统或部件。使用u g 软件对典型功能部件进行了设计。 分析了国内外学者在冲蚀机理领域的经典论述及在此基础上提出的切割深度 预测模型，模型揭示了磨料射流流量、磨料流的速度、射流进给速度和磨料流半 径和切割深度之间的关系，为下一步的实验研究提供了理论基础。 根据微磨料气射流加工技术的基本原理，构建实验平台，以玻璃为工件材料， 白刚玉为射流磨料，对其加工机理进行了实验研究，得到大量实验数据。经过对 实验数据的分析，获得喷射压力、喷射流量、喷射时间、喷射距离、磨料粒度等 因素对加工效果影响的一般规律，总结出微磨料气射流金属掩膜加工在一定工作 条件下的加工特点与规律，以及在掩膜加工过程中应注意的问题，并获得了典型 加工样件。 本课题的研究，为微磨料气射流加工技术的应用做了一些基础性的工作，研 究成果对微磨料气射流技术的产业化进程，尤其是国内市场，具有重要意义。 关键词：微磨料喷射加工；微磨料喷射加工机；喷砂头：掩膜；材料去除率 沈阿j 理i = 大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm i c r oa b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ( m a j m ) i san e wt e c h n i q u ei n m i c r op r o c e s s i n g i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ta n db a s i ct e c h n i q u ew h i c hh a sm a n y a d v a n t a g e ss u c h 越t h ef r i e n d l ye n v i r o n m e n t , e a s i l yt oc o n t r o l ，n oh e a ta f f e c t e dz o n e ， g o o dq u a i l t yk e r f , e t o i nn a t i v e ，t h i st e c h n o l o g yi s s t i l li ni n i t i a ls t a g e ，i n c l u d i n gt h e d e v e l o p m e n to f f a c t o r ye q u i p m e n ta n dt h ei n v e s t i g a t i o no f m a j m 3m e c h a n i s m t l l i sp a p e ri sf o c u s e do nm a i m t h r o u g hp r o c e s s i n gt h es t u d yo nt h ew h o l ed e s i g n o fm i c r oa b r a s i v ej e tm a c h i n i n gd e v i c e ，t h ec o n s i s t e n to fd e v i c ei sf i n i s h e dw h i c h i n c l u d e s t h es y s t e m o f a b r a s i v e j e t ，t h e p a r t s o f t h e n cx - y s c a n n i n g w o r k b e n c h ，t h e p a r t so ft h ea d j u s t i n gn o z z l e ，t h ep a r t so ft h ew o r k b e n c h ，t h ep a r t so ft h es u p p o r t i n g m a c h i n e ，t h es y s t e mo fm a c h i n ec o n t r o la n do t h e ra c c e s s o r i a lp a r t so rs y s t e m s t h e t y p i c a lf u n c t i o np a r t sa r ed e s i g n e db yu g t h et y p i c a lp r i n c i p a lo f e r o s i o nm e c h a n i s mw h i c hi ss t u d i e db yb o t l lh e r ea n da b r o a d s c h o l a r si sa n a l y z e d , a n do nt h eb a s i co ft h i s ，t h ep r e d i c t i n gm o d e lo f c u t t i n gd e p t hi s m a d e t h em o d e lr e v e a l e dt h er e l a t i o n sa m o n gt h ea b r a s i v ej e tf l u x ，t h ea b r a s i v ej e t v e l o e i t y ，t h ea b r a s i v e j e tf e e d i n gv e l o c i t y ，t h ea b r a s i v e j e tr a d i u sa n dt h ec u t t i n gd e p t h , w h i c hh a sa c h i e v e dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h en e x tp r o f o u n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a c c o r d i n gt om a j m t h e o r y , t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi ss e tu p i nt h ee x p e r i m e n t , t h em a t e r i a lo ft h ew o r k p i e c ei sg l a s s a n dt h ef l u i da b r a s i v ei sw h i t ea l u n d u m n 圮 m e c h a n i s mi ss t u d i e dd e e p l y ，a n dag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e ng o t a f t e r a n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h eu n i v e r s a ll a wi so b t a i n e d ，s u c ha sj e tp r e s s u r e ，j e t f l u x ，j e tt i m e ，j e td i s t a n c e ，a b r a s i v em a t e d a lg r a n u l a r i t y t h em a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e g u l a t i o i l sa r es u m m a r i z e da n dt h eq u e s t i o n sd u r i n gp r o c e s so fm a s kw es h o u l dp a i d a r ea l s ob r o u g h to u t a d d i t i o n , t h et y p i c a lp r o c e s s e dr e s u l ti sg o t t h er e s e a r c ho fm a j mi nt h i sp a p e ri st h eb a s a lj o b so nt h ea p p l i c a t i o no ft h e m a j v 1 t h eo b t a i n e dr e s u l t sw i l li n f l u e n c et h ep r o c e s so fm a j mt h ee n t e rm a r k e t g r e a t l y , e s p e c i a l l yi nd o m e s t i cm a r k e t k e yw o r d s ：m i c r oa b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ；m i c r oa b r a s i v ej e tm a c h i n i n gd e v i c e ； n o z z l e ；m a s k ；r a t i oo fm a t e r i a lr e m o v a l 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：俘当皆指导教师签名：撕 日 鼽叼曩7 日 飙j c ) 口 匕尸月延引 ，仍俘1 儿字 签0能期 者 作日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 近年来，微磨料气射流加工技术( m i c r o - a b r a s i v ej e tm a c h i n i n g ，m a i m ，或称 m i c r o b l a s t i n g ，m i c r o - a b r a s i v eb l a s t i n g ，p o w d e rb l a s t i n g ) 【1 4 1 已经得到迅速发展，该 技术是基于传统的喷砂技术发展起来的，通过气体喷射磨料微粒形成高速气流冲 击工件表面而去除工件材料，是对硬脆材料进行微细加工的一种非常有潜力的技 术。由于其具有适用性和通用性好，设备结构简单、加工成本低，加工过程不产 生热损伤，加工表面粗糙度均匀和加工精度较高等优点，其应用越来越广泛。除 了沿用了传统的磨料喷砂的应用领域，如金属表面清除加工与表面美化加工、工 件镀前处理加工、贵重金属和珠宝的刻蚀加工、医疗航空器械的清洁消毒与应力 消除加工、模具的麻化处理加工、文物和化石的精细清理和牙齿处理等之外嗍，目 前该技术已经被应用于光电子元器件的制造、集成电路( i c ) 制造和微机电系统 ( m e m s ) 的制造领域，其具有广阔的市场前景和技术应用前景，其典型应用如下： 1 、光电子元器件制造领域： 在光电子元器件制造领域，改技术主要用于p c b 线路板上锡前清洗和表面贴装 ( s m t ) 后处理，以及线路板的钻孔，线路板的喷砂打孔可以制造出伽5 m m 的 阵列孔。使用该技术制造等离子显示器( p d p ) 壁障是目前市场上显示器显示板壁 障的主要技术之一，其中有1 彪的是利用该技术制造的。使用该技术能够在玻璃极 板上刻出微小的显示单元凹痕，而且对场滞显示器制造具有巨大的潜能。 2 、i c 制造领域 在i c 制造领域中，改技术主要应用于硅晶片喷砂切割成小片块的加工，以及 感式切向集成平坦化加工。 3 、微机电系统( m e m s ) 的制造领域 在微机电系统( m e m s ) 的制造领域中，m a j m 技术是一种有效的微加工技 术方法。由于微细零件的材料总是带有高硬度，高脆性和高熔点等特点，许多传 统的和非传统的加工技术常常不能充分满足加工效率、精度和加工质量等方面的 沈阳理工大学硕士学位论文 要求。例如，激光切割在工件上所产生的缺陷和热变形限制了它的应用。同样化 学和电化学过程对环境有污染，也无法加工些先进材料，如陶瓷和玻璃。另外， 其它的一些材料切割技术如超声波加工也受限于可加工的几何特征及极低的生产 率。微磨料气射流加工技术以其适应性强、可应用范围广的特点，已在愈来愈多 的领域中取代传统的表面加工技术。目前的典型应用为制造微小型加速度传感器 的振子和阵列光纤v 型嵌入件的制造。 由此可见，对微磨料气射流加工机理及其应用研究在理论上应用上都有比较 广阔的前景，其真正的潜力还远远没有发挥出来，相信随着这一技术的不断完善 和改进，微磨料气射流加工会得到更加广泛的应用。当前，在世界范围内的微机 电市场规模已达到3 0 亿欧元以上，且年增长率达到2 5 ，用于m e m s 构件的玻 璃、单晶硅、工程陶瓷等硬脆材料微器件的应用随之日益增加，其所具有的复杂 形状结构，迫切需要研究对微器件进行局部微细加工的技术，研究能够在加工精 度、加工效率和加工成本都比较理想的微细化加工工艺是一个重要的课题i i i 。微磨 料气射流加工技术作为硬脆材料精细精密加工的重要基础技术，现在越来越成为 国际制造业的研究热点。 1 2 微磨料气射流加工技术基本原理与研究现状 1 2 1 微磨料气射流加工基本原理 微磨料气射流加工技术的原理与传统的喷砂技术原理基本相同。微磨料气射 流加工技术是利用微细磨料与高压空气或其它气体混合而成的高速射流，通过专 门设计的喷嘴射向工件，依靠磨料的高速冲击而实现对工件表面材料的去除和修 饰性加工的一种精密加工方法。磨料的混料方式有两种：一种是前混合磨料，一 种是后混合磨料。 在微磨料气射流加工过程中，当磨料冲击加工表面时，磨粒会击碎工件表面 并产生小的碎屑，每颗磨粒只能加工去除掉很少的工件材料，同时气流将磨粒和 破碎的材料颗粒一起带走，如图1 1 所示。但微磨料气射流加工技术在磨料的粒度、 进给运动、加工精度等方面的要求不同于传统的喷砂加工，在加工工艺上也有显 著不同。 微磨料气射流加工是一个干加工过程，对环境无污染，对工件表面不会产生 第1 章绪论 熟影响，加工变质层少，对工件的损伤小，在无掩膜情况下可加工深宽比( 深宽比 定义为孔或切口的深度与孔的直径或切口的宽度之比) 达4 5 m m 的深微结构，如图 1 2 所示。可以实现复杂形状和各种材料的加工，脆性材料更好加工，初始成本低， 生成效率高。与其它的加工技术相比，微磨料空气射流加工具有环境友好、易于 控制、无热影响区、切口质量好等优点。 图1 1 微磨料气射流冲击示意 图1 2 深宽比达4 5 的深微结构 1 2 2 微磨料气射流加工方式 微磨料气射流加工有两种典型的加工方式，一是直接加工，另一种是掩膜加 工。如图1 3 、1 4 所示。直接加工是指在工件上相对较广阔的区域根据加工需要 直接喷射加工。具有过程简单、效率高的特点，该方法不但可以加工平面图案， 而且还可以加工深度很大的形状构件，用于制作微构件。在加工过程中，工件直 接面对高速的磨料颗粒喷射流，喷射流可在喷射位置的微小区域进行集中点喷射 加工，如图1 5 所示，也可在工件表面进行扫描运动，如图1 6 所示，但必须保证 加工的均匀性。 采用掩膜加工，是为了防止由于磨料颗粒对工件冲蚀造成的破坏导致不必要 的基体材料的损伤。在进行微磨料气射流加工小图样时，虽然可以采用小喷嘴来 完成，但在实际加工中，使用刻有图样的掩膜更为普遍，这样不仅可以在更广阔 的区域形成结构，而且可以防止在加工过程中对基体材料的不必要损伤。当磨料 冲击工件时，掩膜上暴露部分下的基体材料被加工去除。通过多次掩膜，可加工 出多阶段成形的复杂的三维形状零件。 掩膜保护加工通常有三类，分别是金属掩膜、感光胶掩膜和印刷膜。如图1 7 和图1 8 所示金属掩膜是使用粘结剂把金属掩膜模板粘接在基底材料上，然后进行 沈阳理工大学硕十学位论文 微磨料气射流加工，最后拆开掩膜模板，清洗工件，完成加工。金属掩膜制作相 对困难一些，但可重复使用。感光胶掩膜加工的过程是，先在工件表面涂敷一层 感光胶等作为覆盖层，然后通过紫外光成像系统产生曝光图案，碱液清洗形成裸 露的要加工的图案，然后用磨料气射流加工裸露的图案，最后清理掩膜层完成对 工件表面的加工。可归结为：基体覆盖掩膜曝光( 形成图样) 碱液 清洗烘干一进行微磨料气射流加工清理掩膜工件清洗。 图1 3 直接加工图1 4 掩膜加工【“ 图1 5 集中点喷射i图1 6 扫描喷射m 1 源网照阏随心 金属 蜡封 基底 图1 7 金属掩膜， 图1 8 感光胶掩膜“ 掩膜扳 聚内烯覆盖层 树脂薄膜 基底 第1 章绪论 掩膜的几何特征决定了所要的结构的形状精度和位置精度，只在没有掩膜保 护的地方，材料才能被去除。加工精度取决于掩膜的分辩率，而掩膜的分辩率随 掩膜的厚度不同而不同。 1 2 3 微磨料气射流7 h n - r 材料去除机理的研究状况 从1 9 8 5 年第一个冲蚀理论一微切削理论问世开始，研究者们提出了一些关于 冲蚀的模型，力图解释或预测材料的冲蚀行为，但到目前为止还没有哪一种能够 完整、全面地揭示材料冲蚀的内在机理l - 7 1 。 在塑性材料的冲蚀理论方面，i f i n n i e 讨论了刚性粒子( 有足够硬度，不发生变 形) 对塑性金属的冲蚀，提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论。经 实验验证，该模型较好地解释了低冲击角下塑性材料受刚性粒子的冲蚀的规律， 但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在冲击角为9 0 0 时，其相对冲蚀 体积为零，这与实际情况严重不符，微切削理论的另一个缺点是粒子入射速度与 靶材失重率之间的二次方关系，与大量实验数据有差距，i f i n n i e 后来对其建立的 模型进行了修正。 1 9 6 3 年，b i t t e r 提出的变形磨损理论把冲蚀磨损可以分为变形磨损和切削磨损 两部分。该理论在单颗粒冲蚀磨损试验机上得到了验证，可较好地解释塑性材料的 冲蚀现象，但缺但缺乏物理模型的支持。l e v y 在大量实验的基础上提出来的锻造挤 压理论( 也叫“成片”理论) 指出冲蚀过程中表面会吸收入射粒子的动能而发热， 材料的冲蚀率决定于畸变层性质。h u t c h i n s 研究了球状粒子正向冲击材料的冲蚀行 为，认为在冲蚀过程中材料表面会发生弹性变形，提出以临界应变作为冲蚀磨损 的评判标准，提出了基于应变量的模型。后来，又有一些研究者对h u t c h i n s 模型进 行了修正，这些模型在解释球状粒子正向冲击方面较为成功，但与实验结果还有 少许差异，尚未被普遍承认。 脆性材料冲蚀机理研究始于上世纪6 0 年代1 9 6 6 年，s h e l d o n 和f i n n i e 对球状 粒子冲蚀脆性材料行为进行了研究，提出只要负荷大到一定程度或冲击速度足够 大，在入射粒子冲击点下会出现塑性变形，附近存在缺陷的地方可能萌生环状裂 纹一赫兹裂纹( h e r t i z a n c r a e k i n g ) ，并基此建立了第一个脆性材料的冲蚀模型。1 9 7 5 年，l a w n 和s w i n 研究了多角粒子冲击时的裂纹萌生及扩展情况，观察到两种形 式的裂纹：分别垂直于和平行于靶面的初生径向裂纹和横向裂纹，前者使材料强 沈阳理_ 大学硕士学位论文 度退化，而后者被确认为材料流失的根源。该模型得出了单位质量粒子对脆性材 料冲蚀量v 的表达式： 矿= k 。，4 砧 ( 1 - 1 ) 在式( 1 - 1 ) 中，k 靶材的弹性模量，m p a ； 材料的弯曲强度，m p a ； 小一磨粒的尺寸, n u n ： 样一材料缺陷分布常数： 卜磨粒的速度，r r d s 。 其中，对球形磨粒：口：3 j 笔；对多角形磨粒：口：3 6 笔；对任意形状 所一zr f 一z 触脚4 袅即等 1 9 7 9 年，e v a n s 等人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为，压痕区域下形 成了弹性变形区，在持续载荷的作用下，中间裂纹从弹性区向下扩展，形成径向 裂纹。同时，当最初的载荷超过中间裂纹的极限时，即使没有持续载荷的作用， 材料内部的残余应力也会导致裂纹横向扩展。根据他们的理论，材料冲蚀磨损量矿 与冲蚀速度1 2 0 ，磨粒尺寸，磨粒密度p ，靶材的断裂韧性j 和靶材的硬度日之 问存在如下关系： y “吒1 9 6 ，1 班p 1 9 1 2 叫3 日一1 4 ( 1 - 2 ) 此外，开始发生断裂的临界速度k 可由下式确定： 匕2 & 2 h 一非 ( 1 3 ) 这与w i e d e r h o m 和l a w n 提出的粒子动能完全消耗于塑性变形体，根据材料 硬度和接触时的最大透入深度所计算的接触应力公式十分相似： vo cv o “，37 k c 划h _ o ( 1 4 ) 吃o c x c 3 h 。 ( 1 5 ) 相对于塑性材料冲蚀理论而言，脆性材料冲蚀理论起步比较晚，目前较有影 响的是e v a n s 等人提出的弹塑性压痕破裂理论。大量试验证明，该理论成功解释 了刚性粒子在较低温度下对脆性材料的冲蚀行为，很好地反映了靶材和磨粒对冲 第1 章绪论 蚀磨损的影响，试验值和理论值也较吻合，但不能解释脆性粒子以及高温下刚性 粒子对脆性材料的冲蚀行为，需进一步深入研究，加以完善该理论。 在冲蚀中脆性粒子冲击靶面会发生破碎，这种破裂后的粒子碎片将对靶面产 生第二次冲蚀，t i l l y 用高速摄影术、筛分法和电子显微镜术研究了粒子的碎裂对 塑性靶材冲蚀的影响，指出粒子碎裂程度与其粒度速度及入射角有关，粒子碎裂 后可产生二次冲蚀。此模型把冲蚀过程视为两个阶段：粒子直接入射造成的一次 冲蚀和破碎粒子造成二次冲蚀，可较好地解释脆性粒子的高角冲蚀问题。 1 2 4 微磨料气射流加工装备国内外现状 目前，国际上只有少数企业研制开发了微型喷射加工设备。美国c o m c o 公司1 1 5 1 研制生产出一系列微磨料气射流喷砂机，包括手工操作式和自动加工式。其中自 动加工又包括c h i c 控制和n c 控制。例如，p r l l 0 1 型微喷砂机是一种柔性工作站， 在计算机的控制下，喷砂嘴能在x - y 方向精确的往复运动，如图1 9 所示。l a 3 2 0 0 型微喷砂机是数控操纵。这些设备可用于牙齿清洁和普通微细加工、选择性清洁、 集中切割、精细去毛刺、表面准备、材料去除，用于太空和航空器、汽车、电子 装置和控制、医疗设备，植入物和仪器、以及珠宝的清洁，化石基体的去除等， 具体如图1 1 0 所示。加拿大s t l 公司( 焊接技术实验室) 研制了用于电子和金属 加工的全自动的微磨料喷射加工系统，精细磨料流量为0 - 5 0 9 m i n ，磨料规格从 5 - 3 5 0 p m ，工作压力为5 1 2 0 p s i ( 1 p s i = 0 0 0 6 9 m p a ) ，可自动加工或手动操作。日 本名古屋的新东百利达公司( s i n t o b r a t o rp r yl t d ) 研制的用于m e m s 制造的微磨 料喷砂机，如图1 1 1 所示，以及m b l 型，如图1 1 2 所示，和m b 2 型微磨料喷砂 机是目前世界最高水平，加工精度达到了线宽2 0 p a n ( + 5 9 i n ) ，孔径3 0 p r o ( + 5 9 i n ) ， 薄片厚度大约为1 0 p a n ，表面粗糙度0 0 2 1 a m r a ，生产率高，可加工复杂图案，能 生成三维造型，可在硅片上切割出2 0 5 0 9 m 宽的缝，偏差仅5 p m 。该设备尺寸仅 为1 0 0 0 w x1 4 0 0 l x1 5 0 0 h ( m m ) 。日本的n i k o n 公司已经商业化了几种不同类型的 m a j m 系统，主要用于在不同的材料上蚀刻、印刷，印刷时的分辨率可达8 0d p i 。 1 2 5 微磨料气射流加工技术的应用现状 当前，微磨料气射流加工在脆性材料的局部切除和三维结构创成2 个领域的 应用中证明了其实用价值，用微磨料气射流加工可以很容易地在单晶硅片上加工 一1 一 沈阳理工大学硕士学位论文 图1 9 c o m c o 公司的p r l l 0 1 型微喷砂机1 针图i 1 0 c o m c o 公司的l a 3 2 0 0 型微喷砂机 图i 1 1s i n t a b r a l a r 公司用于m e m s 制造微喷砂机l 卿围i ，1 2s i n t o b r a t o r 公司m b i 型微喷砂机。卅 出窄槽和小孔，它能高效率加工薄而脆的材料，并且在工件的切口处不产生微小 裂痕。用微磨料气射流还可容易地在玻璃镜片和光学镜头上雕刻代码；还能在大面 积平面玻璃显示屏上经济地加工出每平方米百万个毫米尺寸的小孔。除此之外， 微磨料气射流加工应用于微机电系统构件的加工，可以生产数毫米大小的应用在 电泳和惯量传感器( i n e r t i a ls e n s o r s ) 中的玻璃微芯片装置，惯量传感器微构件样品 等。由于惯量传感器构件一般以硅为材料，有时以压电晶体石英为材料，其元件 制作般采用胀式湿蚀刻( b u l k w e t e t c h i n g ) 或等离子蚀刻，当图案特征线宽由毫米 级减小到微米级时磨料气射流微细加工方法就极具优势，可以达到5 0 1 j m 以下线 宽，蚀刻率达到l m m m i n ，远远高于其他加工方法，并且可以用比较低廉的玻璃 取代硅作为微构件材料。 采用掩膜的微磨料气射流加工，可在电视机和监视器的大型p a l c 和等离子 板上加工出不同形式的细螺距结构，精度水平可达5 u m ；m a j m 能在微传感器和 执行器的脆性材料上加工出三维微细结构；m a j m 也可用于在传感器基板、面板 第1 章绪论 和晶片上钻孔、开槽，在防护玻璃上蚀刻形成电极( 如太阳能电池、滤波器、积 层基板) ：印刷电路板的拖尾处理；l c 树脂模封装去毛刺；陶瓷薄片基座上蚀刻以 及表面修整等。图1 1 3 是微磨料气射流加工应用的一些样例图片。 dp z t 上加工出的微结构 e 等离子显示器障壁制作 f 陶瓷薄片基座上蚀刻 图i 1 3m m m 典型加工应用【2 l 竭 综上所述，微磨料气流喷射加工技术( m an d ) 是一个方兴未艾的技术，无论 在其基础理论研究，设备的开发研究和应用研究方面，都取得了较大的进展，但 在这些方面都需要进一步深入研究方能使该技术得到广泛的应用与推广。特别是 该技术在光电子元器件、i c 制造和m e m s 制造领域将有着广阔的前景。在我国， 关于该技术的研究刚刚处于起步阶段，深化该技术的研究是十分必要的。 1 3 课题研究的意义、来源与内容 1 3 1 课题研究的意义 微磨料气射流喷射加工技术是微细加工中的一种新技术，国内对微磨料气射 流加工装置的研制与微磨料气射流加工机理的研究还处在初始起步阶段。为促使 微磨料气射流加工技术在国民经济建设中发挥应有的作用，必须进一步深化相关 应用性基础理论研究和设备开发性研究。通过这些研究为设备的开发提供相关的 理论依据，为推广应用打下理论基础，因此，开展这一方面的研究是有着现实科 学意义的。 1 3 2 课题的来源 沈阳理t 大学硕十学位论文 本课题是沈阳理工大学学科建设中。信息装备与微制造技术研究中心”建设 工作的一部分，是博士启动基金项目：。等离子显示器( p d p ) 基板壁障微制造技 术中若干问题研究”课题的子课题工作。 1 3 3 课题的研究内容 本文以对微磨料气射流加工装置的研制和微磨料气射流加工中加工特性实验 研究为内容，主要研究内容如下： ( 1 ) 开展用于i c 、m e m s 和光电子元器件制造领域的小型精密微磨料气流喷 射加工机的开发设计理论的研究与小型机的设计工作； ( 2 ) 开展磨料射流回路与内混料装置的试验研制工作： ( 3 ) 开展m a j m 加工的材料去除机理的理论和实验研究工作； ( 4 ) 开展m a j m 加工中的掩模法的典型微加工零件的应用性试验研究工作。 j 1 4 本章小结 +。 本章主要开展了课题提出背景的论述，分析了国内外微磨料气流喷射加工技 术研究的现状，确定了研究焦点在于小型设备的开发研究、混料装置的试验研究 和材料去除机理的实验研究，以及面向光电子元器件、i c 和m e m s 相关应用研究等。 也给出了课题的来源和研究的意义，以及本课题的主要研究内容。这些将为本课 题后续工作打下基础。 第2 章微磨科气射流机总体设计 第2 章微磨料气射流机总体设计 微磨料气射流加工技术的功能得以发挥的技术关键之一是必须有一台精密的 喷砂机作为前提保障。目前，虽然在国际上发达国家的公司或大学已经开发出可 用于微细加工的数控微磨料加工装备，并开展了一些生产性应用，但是在我国还 没有见到市场化的技术产品，因此，探讨微磨料加工设备的设计理论，开展其装 备设计，开发相应的产品是非常重要的。本章重点阐述这一问题。 2 1 微磨料喷砂机的总体方案论证 2 1 1 微磨料喷砂机的总体构成 从国外用于微加工的微磨料加工机的功能、特点和加工应用领域来看m 、蠲， 确定本设计微磨料加工机的构成与各个构成模块所应完成的功能如下： l 、喷砂射流系统：该系统的主要功能是完成压缩空气的发生、净化与干燥、 压力与流量调节、磨料的混入和射流形成的功能； 2 、xy 扫描数控工作台部件：该部件的功能是实现喷砂头相对加工表面的运 动扫描射流，完成加工过程的进给运动和特殊的件加工的相关成型运动； 3 、喷砂头调整部件：该部件的功能是实现喷嘴相对加工表面的间隙、角度等 调节工作； 4 、工作台部件：该部件主要完成被加工件的装卡和微位置调整工作： 5 、机器支撑部件：机器支撑部件是机器的本体，它作为机器各个功能部件的 连接，固定和布局的部件，使机器成为一个有机的整体； 6 、机器控制系统：机器的控制系统的功能是控制机器喷砂系统的开停与流量， 控制机器的扫描运动，除尘和自动装卡等功能；通常采用数控的方式； 7 、其他辅助系统或部件：在微磨料喷砂机的构成中，主要根据机器的实际使 用功能的要求，和环境需要而设立的，如除尘系统，清理部件和防尘部件等。 2 1 2 微磨料喷砂机的总体布局 沈阳理工大学硕士学位论文 从用于微细加工的微磨料加工机的实际使用要求和功能来看，以及国内外的 机器布局形态来看，机器的布局主要分为上下布局式、前后布局式和左右布局式。 各种布局方式的特点如下： 1 、上下布局式：在上下布局式中，一种方式采用磨料喷头在上扫描运动，而 工件在下静止的方式；另一种是采用磨料喷头在上，工件在下并进行扫描运动。 两种方式布局空间较小，但前者利于运动部件与喷砂室间的粉尘隔离，目前大多 数的喷砂机均采用该种布局； 2 、前后布局式：在前后布局方式中多采用工作台在前固定，喷砂头运动部件 在后，中间采取密封部件隔离于喷砂腔。但是，此种布局方式虽然机器的总体高 度较上下布局较低，维修方便，但机器的纵向长度通常过大； 3 、左右布局式：在左右布局式中，通常采用喷砂头扫描运动方式。扫描运动 部件在右，工作台在左。优点是机器的高度低而稳定，中间密封元件将运动部件 于喷砂室隔离，但机器的横向尺寸较大； 综合上述几种布局方式，考虑到本设计的用于微细加工的喷砂机，机器主要 用于实验室的研究和生产加工的中试工作，以小型台式为主导，设计时采用上下 布局，喷砂头扫描运动的方式。 2 1 3 机器的相关运动系统和几何参量的确定 从设计的设备的使用目的和应用领域出发，综合国内外微喷砂机器的功能参 数状况嗍，本设计的喷砂机相关参量如下： 1 ) 机床定位精度：o 0 3 3 0 0 r a m ；重复定位精度： o 0 0 5 r a m ； 2 ) x 向行程：2 0 0 m m ；y 向行程：2 0 0 m m lz 向行程：3 0 m m 微调； 3 ) 最大扫描速度：x 向2 0 m m s ，y 向2 0 m m s ： 4 ) 工作台尺寸：不大于3 0 0 x3 0 0 m m ； 5 ) 磨料砂压力：0 2 m p a i m p a ： 6 ) 喷砂流量：不大于6 0 l m i n ； 7 ) 机器外廓尺寸：不大于8 5 c m ( w ) x 8 5 c m ( d ) x 9 0 c m ( h ) ； 8 ) 机器的总功率：不大于7 5 0 w a t t s ； 2 2 典型机械传动部件的设计 第2 章微磨料气射流机总体设计 2 2 1xy 扫描数控工作台部件设计 图2 1 是所设计的喷砂过程x y 扫描数控工作台。利用该运动部件来带动喷砂头 实现水平运动扫描，其结构组成和传动如下： 图2 1xy 扫描工作台 在x y 轴方向的运动分别由两个滑台在两组导轨上运动实现。x 轴方向运动在 下滑台上实现，y 方向在图2 1 的上台。两个方向的运动分别由步进电机通过弹性 连轴器带动滚珠丝杠固定端，或利用同步带轮驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠带动工作 台沿直线导轨运动。部件的台板用于对两个工作台的支撑和与机架连接，行程调 节杆上配有限位开关，来控制最大行程。扫描工作台上的连接板用于与喷砂头的 连接。当两个步进电机得到计算机控制系统的信号后，将按照程序驱动滚珠丝杠 带动上下滑台，从而实现喷砂头的扫描运动。 因为微磨料气射流加工系统工作时，在工作空间会产生粉尘和碎屑，所以要 在滑台下面装设防尘罩，防止粉尘进入上面的运动执行机构，以免产生破坏。 2 2 2 喷砂头调整部件的设计 图2 2 是喷砂机的角度和喷嘴相对工件表面的微间隙调节部件。利用绕z 轴 和y 轴的角度调节盘可以使喷砂头在空问调转任何角度，这样可以实现微加工过 程中不同角度的射流要求。喷砂头在一个小的以直线轴承导向的运动滑台上，利 用千分尺微调控制喷嘴相对工件的喷射白j 隙，调整范围为2 5 r a m ，使用两个压力 弹簧平衡小滑台和喷砂头的重力。在其上设计了气缸驱动，两个直线轴承导向的 一1 3 沈阳理工大学硕七学位论文 快进和快退机构，从而实现了喷砂头相对工件的快速接近与退回，其设计行程为 图2 2 喷砂头调节部件 6 0 m m 。 2 2 3 其他相关机械部件的设计 在微磨料的喷射系统中，其他部件主要包括 机架( 或称床身，如图2 3 所示) 、i 作台( 如图 2 4 所示) 、除尘机构等。由于机器的工作环境是 低负载状态，因此，机架的设计采用了铝合金型 材组合结构，以简化制造成本和减轻重量。由于 扫描运动工作台采用了数控技术和喷砂头上采用 了角度与间隙微调节机构设计，因此，对工作台 上不设 计任何 微调整 机构。设计中采用了板材组合方式，在上 图2 4 工作台图2 3 微磨料喷砂机机架 扳 板设立了梯形槽以便适应不同的工件加工时变更卡具和固定相关的掩模的需要。 为了解决喷砂过程中的磨料与粉尘快速排除问题，在图2 3 机架的下部设计了粉 尘与磨料的收集箱，将利用排除机把聚集的磨料和粉尘从机器的后面排除。此外 还设计了工件回转辅助机构，以解决特殊回转件的喷射加工。 2 3 喷砂射流系统的设计 在微磨料喷砂机设计过程中喷砂射流系统的设计是设计的技术关键，其设 计主要分为混砂器( 混料室) 的设计、射流回路的设计和喷砂嘴的设计。这些从 形式上看是较简单的，但是一些设计中的问题处理不当将引起磨科不能混入和回 第2 章微磨料气射流机总体设计 路因磨料的回流而损伤相关气动元件，也可能将内混砂的混砂器形成一个。储能 器”。对于混砂器和回路设计如下： 2 3 1 混砂器设计 目的微磨料喷射加工的混砂方式主要有内混砂法和外混砂法。对用于微细加 工的混砂方法主要采用内混砂法，其内混砂法主要有重力式、吸入式、直压式、 振动式和搅拌式等，其混砂原理如图2 5 所示。每种结构都有其自身特点，具体 如下： ( - ) 重力式 ( b ) 吸入式( c ) 直堆式 震动式 供给装置 磨 ( d ) 震动式( c ) 搅拌式 图2 5 微磨料喷射加工混砂原理 1 、重力式：如图2 5 a 所示，磨料依靠其本身的重力自动下落，与高压气体 混合，在高压气体的带动下，通过喷嘴射向被加工工件。 2 、吸入式：如图2 5 b 所示，这个结构主要依靠高速气流的虹吸作用，也是 真空发生器的原理，在高速流动的气流周围形成了一个低压区，磨料连续不断的 被负压吸到这个区域汇入气流，形成射流，通过喷嘴射向工件。 3 、直压式：如图2 5 c 所示，磨料在重力和气源气压的作用下，与高速气流 混合，形成射流，通过喷嘴射向工件。 4 、振动式：如图2 5 d 所示，在混料室加一个振动装置，促使磨料供给均匀， 沈阳理工大学硕士学位论文 与高压气体混合形成稳定的射流，可以较精确的控制磨料流量。 5 、搅拌式：如图2 5 e 所示，从混料室底部通入高压气体搅拌磨料，使磨料 均匀分散，在高速流动气流的虹吸作用下，通过喷嘴射向工件。 比较以上几种形式，结合对国内外一些喷砂装置混料方式的调研和考查，设 计了一种类似于直压式和搅拌式原理相结合的结构，外结构如图2 6 所示。 2 3 2 喷射气路的设计 目前用于磨料喷射加工的气体回路主要有图2 7 所示 的三种回路，这些回路均有自己的特殊性，根据现场试验， 结合机器传动，设计了图2 8 所示的气体回路。该回路中 分为三部份，一部分为控制机器快进与快退气缸的传动控 制，一部分用于喷砂过程的清理喷枪的控制，而主要部分 图2 6 微磨科混科室 是喷砂回路的控制。在喷砂回路的控制中，设计一个精密减压阀用于喷砂压力的 调节，一个流量阀用于喷砂流量的控制，一个单向阀用于防止磨料的回流。设计 的关键问题是气路中各个部分流量和容积的选择，以确保混砂器( 混料室) 能够 恰当的混料。 切羽系姨切刮曩缱群辑射囊切劓系缱 图2 7 磨料喷射加工的气体同路鲫 2 3 3 喷砂嘴的设计 喷砂嘴在微磨料气射流加工系统中占有重要地位，喷砂嘴的材料、形状、结 构等对喷射加工的加工效果有重要影响。 2 3 3 1 喷砂嘴的材料 因为喷砂嘴在磨料射流加工过程中会受到磨料的冲击、磨损作用，所以喷砂 嘴的制作材料应采用坚硬耐磨材料。随着材料科学的不断发展，制造喷砂嘴的材 第2 章微磨料气射流机总体设计 料也在发生变化。一般制造喷砂嘴的材料有：塑料、铸铁、铸钢、4 5 # 钢、工具钢、 硬质合金和陶瓷等。塑料、铸铁和钢制喷砂嘴制造简单，成本低廉，但使用寿命 图2 8 微磨料喷砂机气体传动与射流同路 短。硬质合金喷砂嘴制造工艺较前者复杂，成本相对较高，但使用寿命长，在相 同条件下比陶瓷喷砂嘴寿命短。陶瓷喷砂嘴制造工艺复杂，制造成本较前两者要 高一些，但具有较好的耐磨性。比如s i c 陶瓷喷砂嘴的抗磨能力接近硬质合金的 数倍，但由于其属于脆性材料，冲击下容易产生裂纹致使材料剥落，因此不适合 在强冲击场合下使用。表2 1 为相同条件下，不同材料喷砂嘴的寿命比较陆捌。 表2 1不同材料的喷砂嘴在同种条件下寿命比较 喷砂嘴材料 寿命( h ) 4 5 # 钢 轴承铜 白口铸铁 低铬耐磨铸铁 硬质合金 a 1 2 0 3 基陶瓷 s i c 陶瓷 b 4 c 陶瓷 o 2 l 1 4 札1 2 1 6 一0 6 4 0 - 8 0 5 0 0 8 0 0 6 0 帖1 0 0 0 8 0 啦七o 2 3 3 2 喷砂嘴的结构 沈阳理工大学硕士学位论文 喷砂嘴的形状一般为圆形或矩形。圆形喷嘴结构一般有以下几种形式，如图 2 9 所示。 ( 1 ) 通孔形喷砂嘴：图2 9 a 所示为通孔喷砂嘴，结构简单； ( 2 ) 锥口喷砂嘴：图2 9 b 所示为锥口喷砂嘴，该喷砂嘴具有导流作用的锥状 进口和起集束作用的平直段。磨料进入喷砂嘴相对容易，且磨料在喷砂嘴截面上 的分布与通孔相比更为均匀。 ( 3 ) 文丘里喷砂嘴：图2 9 c 所示为文丘里喷砂嘴 3 0 1 ，其结构为：一个文氏形 的喉管，气流在喉管部分达到音速，而在喷砂嘴出口处可达到3 5 5 m s 以上的超音 速( 一般通孔喷砂嘴磨料的出口速度低，仅为9 7 m s 左右) ，这种喷砂嘴主要用来 获得很高的磨料速度，它比普通喷砂嘴的清理效率提高5 0 。但喷砂嘴磨损过快， 为降低磨损，喷砂嘴可内衬陶瓷材料。 ( 4 ) 拉阀尔喷砂嘴：图2 9 d 所示为拉阎尔喷砂嘴，其结构为：一个拉阀尔曲 线形喉管，在其扩张段产生超音速气流。此种喷砂嘴的加工效率也比较高，但制 作相对较难。 b 锥管形 钐缈 勿勿狲 c 文丘里形 d 拉阀尔形 图2 9 喷砂嘴常见的结构形式 通过2 3 3 1 和2 3 3 2 的阐述，考虑到加工能力，设计上选用硬质合金材料， 制作锥管形的喷砂嘴。图2 1 0 是设计的喷砂嘴与喷砂笔杆的装配图。 图2 1 0 喷砂嘴与喷砂笔杆的装配图 第2 章微磨料气射流机总体设计 2 4 控制系统设计的概述 由整个装置的结构设计可知，此微磨料气射流机的控制系统应是一个小型的 数控系统。数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。驱 动系统的性能很大程度上取决于数控系统的性能，数控机床的最大移动速度、定 位精度