三维微细超声波加工研究#中英文翻译#外文翻译匹配

外文翻译 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 胡 春 班 级 BD 机制 032 学 号 0320110220 指 导 教 师 邢 青 松 1 外文资料 名称： Study of 3D Micro-Ultrasonic Machining 外文资料 出处： Department of Industrial & Management Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln 175 Nebraska Hall, Lincoln, NE 68588-0518 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日 2 三维微细超声波加工研究 K. P. Rajurkar A. Tandon 胡春 译 许多工序 ， 如光刻、蚀刻、激光、电火花加工 (EDM)、电化学加工 (ECM) 正在应用于生产中 微观零部件产品 。 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 3 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 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 4 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 5 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 。 6 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 。 7 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 。 8 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 9 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 。 10 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 。 11 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 微米 。 槽口的设计模型部分是 55微米 。 刀 具磨损补偿 的 总 吃刀量 是 212.932 微米 。 图 14 显示加工腔 。 腔底部是表面加工单位和 1/8 球中心 。 尺寸生成腔 X-Y-Z 模型用光学显微镜检测 。 顶 洞 大小是231x231 微米， 这是 10 微米 以上的设计 。 这期间可能造成 切削 振动 。