外文翻译--研究精密小孔的硼硅玻璃使用microEDM结合微超声振动加工 中文版

1 研究精密小孔的硼硅玻璃使用 microEDM结合微超声振动加工 文摘 由于其优良的阳极键合性能 和表面完整性、硼硅玻璃通常用作的基质 微机电系统(MEMS)。 为构建通信接口 ,需要钻小 孔衬底 。 然而 ,微孔直径低于 200年 m很难生产使用传统加工过程。 来 解决这个问题 ,一种加工方法 ,结合微 电火花 加工 (MEDM)和微超声振动生产加工 (MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的纵横比。 在本文中描述的调查 ,一个圆形的试件进行生产使用MEDM过程。这个工具被用来钻一个洞在玻 。 实验表明 ,使用合适的加工参数 ,直径出入口之间的差异 (DVEE)可能达到的值约 2m小孔直径约 150500mm和深度。 DVEE可以改善如果适当的泥浆浓度 ；超声振幅或转速是利用。圆度调查 ,旋转速度有密切的关系程度的微观孔的圆度。小孔的圆度值约 2m(max。减去分钟半径 ) 2002爱思唯尔的科学有限公司版权所有。 关键词 :硼硅玻璃 ；微 电火花 加工 ；微超声振动加工 ；微孔 ；试件 ；高纵横比 1.介绍 在包装 MEMS-related设备 ,例如微阀和微流量传感器等 ,硼硅玻璃通常是用作键与硅衬底晶片。 建立电气通过通道和连接硅 片之间的内部系统 和环境 ,小孔钻在玻璃表面保税。钻井这些困难与传统加工过程。有几种方法用来制造小孔 ,MEDM(1、 3、 5、 8、 9、11,准分子激光钻井 6,联赛 (2、 10),电化学放电加工 (ECDM)12和 MUSM(4、 7)等。由于不同的工作机制 ,这些方法产生的结果是截然不同的。 例如 ,MEDMm 160微孔的直径和深度 380m可以钻在 2分钟内 5。 MEDM只能用于生产导电材料在加工和重铸层表面 ,含有陨石坑和微裂缝会导致表面和尺寸精度差。激光微加工技术可用于制造下一个洞直径 4m6。 然而 ,激光加工造成恶化 和 加工表面的微裂纹。西甲技术被发现适合生产三维微观结构与小孔金属、聚合物和陶瓷 2、 10。然而 ,联赛方法影响配置精密微孔加工高纵横比的 ,因为光的衍射 (如 x 射线 )。 ECDM 可以提高材料去除 率 (MRR)和表面粗糙度 1.5 毫米 /分钟和0.08m 分别 12,但与化学腐蚀 ,墙上的小孔将被证明是成功的在困难和脆性材料。Masuzawa 等人证明了小孔小至 5m(深度 10m)和三维微机器可以创建通过结合线电火花磨削 (WEDG 放电 ),MEDM 和 MUSM(4、 7)。 因为 MUSM 依赖于微机械 力量去除材料 ,对于高纵横比的微 孔加工 ,小型机械力量的变化可以有重大的后果对制造业的稳定性和精度。此外 ,机械力量主导的精度。此外 ,机械力量主导 MUSM 参数。尚未进行深入研究这些参数如何影响制造业的稳定性和准确性。 加工方法结合 MEDM和 MUSM 设计完成高纵横比的小孔。在整个加工过程中 ,微刀 相同的夹具 ,所以工具偏心问题是可以避免的。避免在 制造过程 微刀 振荡或打破 ,超声波仪器成立 震动 工件。 这种安排选举中小孔的加工精度。 2 2.方法 2.1. 试验装置 实验设备由 EDM机 ,作为 选取控制系统和超声加工单位 (如图 1所示 )。选取控制系统固定到 EDM工作 台。这里的硼硅玻璃或铜盘沿前后方向移动使用电动机 X和上下移动使用电动机 Y .微观工具被夹成水平卡盘旋转由电动机电动机 C和定向左派和右派 Z汽车的运动分辨率 X,Y,Z是 0.2mmm 0.2和 0.2,分别。 图 1.MEDM 和 MUSM 设备的配置 :U,超声振动设备 ；操作系统 ,光学规模 ；OP,光学规模计数器 ；X,Y 和 Z,汽车 forx - Y -和 z-axes 运动 ；铜 (铜板 )、 EDM 电极 ；H,旋转卡盘夹 ；t,试件 ；D,计算机控制显示 ,C,c-axis 旋转电动机 ；ID、接口 circuitand 电机驱动 ；G 函数发生 器 ；CPU、电脑。 启用删除碎片很容易从小孔 MUSM 期间 ,进行加工操作水平。超声波加工单位(包括频率、 30 千赫 )电子发生器 ,传感器和 horn-tool 组合设备。该工具是一个圆柱形杆螺纹角尖。一小块的硼硅玻璃化学粘到一个小矩形板 4在工具提示 (如图 2 所示 )。 2.2. 材料 硼硅玻璃 (Pyrex,康 宁 7740)是一种硅成分具有优良的阳极键合性能 ,表面完整性、热性能和耐酸性。这个玻璃一直担任 微传感器 衬底。 因为硼硅玻璃是硬和脆 ,它的方法。维持精确的微孔大小 ,非常适合微孔钻井使用 MUSM 工具 4。微孔精度可 以提高通过使用石油作为泥浆介质 (13 - 15)。硅卡宾枪谷物 ,悬浮在煤油 ,被选为工作泥浆的浓度是 10%,20%和 30%的 MUSM 过程。和平均磨料尺寸1.2m(大约 75%的粒子大小从 0.9 到 0.9m)和 3m(大约 75%的粒子大小从 2.6到 2.6m)。 3 2.3. 加工过程 被分成两个主要的加工流程 部分。首先 ,碳化钨杆制成试件用铜版的电极MEDM一步。 这个工具是与 MUSM然后使用硼硅玻璃的微孔钻探的过程。上面的程序详细描述如下 :电火花加工试件 ,循环碳化钨杆是固定在水平方向和旋转时钟 -明智的。与此同时 ,一个铜板被绑跳汰机和自动上下垂直移动。的直径降低了移动的工具板边 (如图 3所示 (一个 )和 EDM介质 喷洒到工作区域 MEDM时开始。完成的试件进行长约 2毫米 ,直径 150m。产生高应力集中在工件 MUSM,前端电路的试件直径减少到 20m和长度 0.2毫米。图 3(b)显示 微刀 完成。实验参数 MEDM流程表 1中列出。 查克的试件 ,微孔使用 MUSM钻的玻璃。减少工具的磨损在低级别 (15),该工具可以 -之前没有接触到工件加工过程开始 ,所以它存在之间的工具 ,约 0.1毫米玻璃表面加工过程时 ,开始宁。微孔加工过程中 ,微观喂养工具 伴随着喷浆与超声振动 利用 制造玻璃 (如图 2所示 )。砂浆的流量是 450毫升 /分钟。表 2列出了实验参数MUSM流程。 图 2.实验仪器的细节图 MUSM过程。 图 3。试件加工过程和试件 在 MEDM过程完成。 (b)完成试件形状。 4 表 1 表 2 实验 MEDM参数 实验 MUSM参数 工件的圆杆 ,碳化钨 (甘蓝型 ) 纵向超声振动方向 铜电极 超声振动频率 30千赫 工作 煤油 超声振动振幅 (m)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2 转速 150 微工具转速 (rpm)50,100,150,200,200 工件 (rpm) 进给速率 (m /分钟 ),6.7,7.5,8.6,10 极性 +(粗糙 )；(完成 ) 浆浓度 (wt %)10%,20%,30% 打开负载电压 (100 V) 平均磨料尺寸 (m)1.2,3 工作电压 (V)25 放电电流 (A)0.95、 1.45 脉冲持续时间 (s)4、 10 时间 (s)4、 10 3.实验结果 除了评估精 度的高精度 微孔 大小 ,形状精度和表面粗糙度估计。因此 ,下面的讨论分为三个主要部分 :(A)的入口和出口之间的 DVEE,(B)圆度和 (C)表面粗糙度。 微孔 的精度影响 。 因素包括浆浓度、磨料粒度和 MUSM加工参数。 3.1.1.磨料浆浓度和粒径的影响 磨料浆的浓度和粒度是最重 要的影响因素 MUSM加工精度。磨料浆浓度高、材料被加工表面的研磨谷物将快于泥浆浓度 越低。快速除材料之间的摩擦将会减少微刀 前端和加工过程。 DVEE将使用泥浆浓度高时低。 图 4显示 ,平均磨料尺寸是 否1.2mor3m DVEE泥浆浓度会发生小于 20%浆浓度 10%。但 DVEE泥浆浓度达到 30%时变得更大。 20%浓度提供了几乎两倍磨料粒子制造孔比 10%浓度的平均大小1.2m,导致 DVEE变得更小。然而 ,由于微孔加工是设置在横向模式下 ,磨料磨具洞入口之间的聚集和工具 ,这些粒子被旋转工具 ,被送入洞超声波振幅。但这将阻碍研磨剂进入洞时的粒子之间的聚集太多洞入口和工具 ,从而影响微孔 DVEE的。浆浓度 30%,这种情况将变得清晰 ,所以效果明显降低。此外 ,平均晶粒尺寸 (3m)比超声波振幅 (1.8m),诱导磨料磨具在 MUSM很难进入洞。所以 DVEE加工影响并不明显比小的晶粒尺寸。图 4还表明 ,采用平均 1.2m 大小创建 DVEE比 3m平均粒子的大小。在同一浓度 ,小颗粒更均匀悬浮在泥浆和容易进入比大一个洞。然而 ,MRR并不为每个谷物。因此 ,平滑的加工表面 ,更直的交叉 截面 微孔可以获得 ,提高DVEE小孔。获得更好的完成效果 ,以下实验使用粒子浓度 20%的平均直径 1.2m。 3.1.2.超声振动振幅的影响 在超声电 机程序 ,大型加工 工具导致更高的 MRR(15、 16)。加工工具可能弯曲在钻井过程中超声振动时振幅很大。这将影响到 精确 的漏洞。 在 MUSM这种现象更明显。在这些实验中 ,超声波振幅测量使用工具显微镜 (1000 )三次 (在空气中 ),然后把平均工作振幅。图 5给出了超声振动振幅对 DVEE的影响。图中显 5 示 ,DVEE随振幅增加而降低 mm从 1.2到 1.2。 DVEE增加当振幅增加从 1.8mm到2.2。这表明适当的振幅会增加小孔的严谨。然而 ,利用较小的振幅制造小孔将增加试件的加工时间和导致更多的磨损 ,产生更大的 DVEE。 此外 ,加工时间变得更短的振幅。是增加了。这减少了磨损试件。低 DVEE可能因此被发现。由于的细长比MUSM过程 ,微刀 会弯曲 ,因为更大的振幅。这诱导不规则小孔的加工 (如图 6所示 ),使 DVEE值大。的 微刀 不规则孔加工时也可以打破变得严重。 图 4.磨料浆的浓度和粒度 的影响 图 5.通过 MUSM DVEE超声振动振幅 通过 MUSM DVEE。 的影响。 图 6。超声波产生的不规则 的微孔的扩张 平均振幅 2.2m(磨料尺寸 3m) 3.1.3.微刀 的旋转速度的影响 微刀 的转速也是一个关键参数影响小孔精度。因为一个旋转工具可以协助悬浮粒子进入微孔 ,这种安排可以驱动 MUSM过程中颗粒磨洞。因此 ,DVEE小孔 ,所产生的旋转工具 ,如果不旋转的工具会更好。图 7显示了在 DVEE转速的影响。 实验证明了 DVEE小当转速增加到 50岁 rpm 150 rpm。 DVEE改变时转速增加 从 150转到 250转。这表明正确的旋转速度提高小孔精度。磨料粒子被喂进洞里通过旋转工具和超声波振动。在相同的振动模式 ,数量的磨料颗粒送入洞旋转在开始阶段的速度增加。 制造 效率因此增大 ,试件 穿了 ,所以小 DVEE可以获得。工具的磨损和孔表面当转速增加了磨料颗粒增加 17。这个结果将会更加清晰 6 速度。此外 ,切削过程的稳定性也受到很高的速度。由于这些原因 ,DVEE不仅成为大但也很明显 150转后改变了。 3.1.4.微刀 加料速度的影响 DVEE在受饲料问 :第一次 MUSM时美国利率的变化。在这些实验中 ,饲料利率应用程 序接口来控制电动机 Z和光学规模 ,生产不断饲料利率。 图 8细节如提要 DVEE利率。这个数字显示 ,DVEE较小的进给速率较低时使用。 DVEE成为大当一个大进给速率。然而 ,试件端面之间的差距和玻璃的脸变得较小的更大的进给速率时使用。 这个较小的差距导致泥浆 流通 不好。 当这发生时 ,减少磨料粒子进入通过 MUSM差距 ,导致没有很好的工作效果 ；工具的前端这个加工过程中产生更多的磨损。因此 ,DVEE变得大了。图 9显示了一个穿试件进行的扫描电镜照片。图 9(一 )代表的小圆形一步前端的试件进行严重磨损较大饲料加工速度 (8.6m /分 钟 )。工具遭受更少穿在同一位置时使用一个较小的进给速率 (6m /分钟 ),如图所示图 9(b) 3.2、 圆度 超声电机的流程、工具旋转 或不肯定影响孔的圆度 (15、 18)。工具旋转艾滋病悬浮粒子进入洞 ,从而提高超声电机的工作效率。旋转工具也能导致颗粒磨孔 ,从而提高孔的圆度。更好的旋转速度从 50到 150 rpm。圆度值成为较大的转速时从 150增加到 250 rpm。这是类似于对 DVEE转速的影响。然而 ,高转速不仅造成更多的工具磨损 ,而且诱发不稳定在切割过程中 ,促使显然失圆的小孔后 150 rpm。在这些实验中 ,最好的 圆度值在本研究发现约 2m。图 11给出了小孔产生可接受的出入口在 150转的转速 。 7 图 9.试件的 SEM MUSM后穿。 (一 )更高的饲料 8.6m /分钟的速度。 (b)在适当的饲料率 6m /分钟。 3.3.粗糙度 在超声电机过程中 ,工具的 旋转效应可以推动磨料颗粒磨孔表面。因此 ,表面粗糙度值一般小于磨料颗粒大小 (4、 15、 18)。因为没有设备可以测量表面rough-ness小孔的研究、 SEM照片用于讨论晶粒尺寸的影响。图 12显示了一个截面的表面微孔和洞。在图 12(a),微孔的横截面与连续公平和形状。图 12(b)和 (c)显示放大的照片孔表面加工时不同的磨料颗粒大小。 (b)的 表面 制造使用平均粮食 3m；(c)是使用一个平均粒 1.2m完成。这些工作 表面 两位数 清楚地说明 ,仍然有一些陨石坑和大晶粒尺寸时不是很顺利。表面非常光滑 ,几乎没有坑小