[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】磨粒喷射加工玻璃微槽-中文翻译

附件一 磨粒喷射加工玻璃微槽 摘要 ： 磨粒 喷 射加工 类 似于 喷 砂加工 ， 都可以有效的去除硬 、 脆材料 。 磨粒 喷 射加工已 经应 用到粗加工工 艺 中 ， 例如去毛刺和粗糙修整 。 随着陶瓷 、 半 导 体 、电 子 设备 及液晶 显 示器等加工需求的增 长 ， 微磨粒 喷 射加工技 术 已 经 成 为 一种很 实 用的微加工技 术 。 本文介 绍 了微磨粒 喷 射加工在玻璃微槽加工中的性能特点 。 孔型微槽的径向尺寸和 线 型微槽的 宽 度都是 80 微米 ， 实验结 果 显 示微磨粒喷 射加工 应 用在玻璃微槽加工中可以达到很好的效果 ， 然而 ， 加工后槽的尺寸增加了 2-4 微米 。 通 过 精 细 的 调谐 掩膜加工工 艺 和覆膜技 术 的修正 ， 微磨粒 喷射加工可以有效地 应 用到半 导 体 、 电 子 设备 及液晶 显 示器的微加工中 。 关 键词 ： 微磨粒 喷 射加工 ， 微磨粒 ， 微槽 ， 掩膜加工 引言 随着近年来专用元件的发展，如半导体元件、微型制造加工中应用的传感元件等应用范围得到扩展。因此，有必要发展微加工技术使其在加工硬、脆材料如玻璃、陶瓷等材料中得到应用。然而，由于这些材料具有硬脆性、耐腐蚀能力强、熔点高等特点，很难对其进行加工。 传统的机械加工技术很难对其进行加工，因为热或化学加工方法（化学腐蚀加工，激光和电子束加工，电火花加工，电解加工）会造成过大的热影响区，然而使用机械加工方法（如超声波加工方法，研磨，抛光）在生产效率和精确度上都有一定得限制。 由于微磨粒喷射加工具有生产效率高，材料去除过程中热影响区非常小的特点， 因此，微磨粒喷射加工被认为是最适合硬、脆材料的加工的微加工方法。在磨粒喷射加工方式中，干磨料加工已经被证明是最适合半导体及液晶显示器的加工生产的微型生产技术。最近，关于应用微型磨粒作为磨料的微磨粒喷射加工技术已经被广泛测试验证。 Momber 进行了高压水射流加工（参考书【 1】 ） ，他第一次提出了关于此项技术问题的广泛的综合性评论，包括气体与磨料的混合及磨粒加速过程，材料去除机理，加工过程的最佳参数等。 McGeough 总结了当前对工程材料微加工的一些认识和实践经验（参考书【 2】 ） ，并且介绍了一些机械加工技术，这些技术已经可以加工那些难加工的材料，如高分子聚合物、高硬度材料及陶瓷材料（参考书【 3】 ） . 当前对微磨粒喷射加工的研究集中在以下几个方面上：微磨粒喷射加工机制的确定（参考书【 4】 【 5】 ） ；微磨粒喷射加工的加工特性（参考书【 6】【 9】 ） ；磨粒喷射加工机床的改进和玻璃微加工工艺的转换（【 10】 【 11】 ） ；技术趋势和应用案例研究（【 11】【 15】 ） 。许多试验正在进行用以确定该加工技术的加工机制，并且基于这些试验的结果将微磨粒喷射加工技术引用到实例研究中。 本研究的主要目的是进行必要的实验 ,应用微磨粒加工技术加工所需的孔型和线型微槽。为了达到目标，磨削加工过程中最合适的掩膜条件是必须的，并且在精确地分析被加工槽的形态基础上对加工微型槽进行可行性分析。 微磨粒喷射加工的基本原理 微磨粒喷射加工的基本原理如图 1. 加工过程中，经过压缩的空气或其它气体带动微磨粒使其加速，空气与磨粒的混合物以很高的速度（ 80-200m/s）和密度通过微小的喷嘴冲撞到硬脆的工件上。由于微磨粒喷射加工过程材料的去除是基于小裂纹扩展、易碎材料剥落的模式，所以加工过程中被加工工件产热少，碎片少，裂缝少，因此，这种方法非常适合硬脆材料（如玻璃，陶瓷，硅，及水晶等）的微型形状（如槽，孔加工，坑槽等）的加工。加工后磨粒及碎屑的混合物被输送到分离器中，分离器将磨粒和碎屑分开，磨粒循环利用。 图 1.微磨粒喷射加工的基本原理 根据 Slikkerveer et al.提出的加工模式理论，当一个尖锐的压头向下压入到工件里面，由于压力的作用，在压头的下面会形成塑性变形区域。塑性变形区域会随着压缩力的增大而增大，最后，径向及横向裂缝分别沿垂直和平行表面方向的形成。在一定程度上，切入深度的加大对加速材料去除方面起了关键作用。图 2 展示了在压头作用下微裂纹的形成过程。 MAJM 工艺参数的确定： （ 1） .风压，时间和速度； （ 2） .材料加工特性，磨料的尺寸和密度； （ 3） .喷嘴处混合物的流量和频率 （ 4） .喷射距离（喷嘴与被加工件的距离） 为了提高加工精度及加工效率，这些参数必须要合适的确定。 图 2.微裂纹形成过程 注释： Plastic zone塑性变形区 Lateral crack横向裂纹 Radial/median crack纵向裂纹 3.微槽的加工过程 利用 MAJM 加工微槽的总流程如图 3。如图所显示的，总的加工过程由下面三步组成： （ 1）覆膜过程：覆膜过程是按 MAJM 所需要的条件准备被加工件。干覆膜法被应用在此过程，油膜厚度对加工孔型的结果和精确度都有影响。微磨粒喷射加工过程中，经紫外线照射强化的聚氨酯被用作覆膜材料提供耐磨性。在本研究中，掩膜过程的应用过程如下： . 覆膜：将一层膜覆盖在工件上； . 曝光：平行的紫外线照射在被加工工件的覆膜上，以获得所需形状； . 显效：被加工工件利用由蒸馏水和浓度为 5%的碳酸钠溶液进行显影，最终，移走所需处理区域的覆膜就可获得所需的形状。 （ 2）微磨粒喷射加工加工工艺：此过程在微磨粒喷射加工机床上进行，该过程是对已移除覆膜的区域选择性的加工。 （ 3）移除覆膜，清洗工件：机械加工结束后，清除所有贴在工件表面上的覆膜，利用超声波清洗装置清洗工件。 图 3. MAJM 过程的微模型 4.实验处理 4.1.覆膜工艺 在此次试验中，覆膜及曝光所用的设备型号分别为 YH-6300TCL、 YH-70908K，覆膜材料的型号为 BF-405 (Ordyl,日本 )。 要加工宽度为 80 微米的微槽或径向尺寸为 80 微米的孔，确定合适的覆膜工艺参数是很重要的。在本次研究中，为了获得最佳的覆膜效果，我们尝试变换以下参数： .玻璃的预热温度：为获得最佳的粘着力，要给玻璃样本预热，预热温度分别设置为 85， 90， 95， 100 和 105C； .曝光量：曝光量参数设置为 150 和 160 mJ； 当实验中用覆膜（ BF- 405） ，上述参数的设置可以根据制造商的（ Ordyl）的建议 。 4.2.MAJM 加工工艺参数 微磨粒喷射加工微槽的整个过程中，工艺参数如工件和喷嘴的距离、喷嘴内经、气压以及微磨料的流量都要保持不变。本次加工使用的磨料为 WA 型，如图 4. WA 就是人造刚玉，它的主要成分为三氧化二铝。实验参数如表 1. 图 4. WA#800 型磨粒的显微图 (2000) 表 1 MAJM.工艺参数 4.3 .形状测量 利用光学显微镜对加工结果进行观察研究，并分析加工微操的形状。通过安装在 PC 机上的 CCD 相机和图像处理芯片 (DT3153, 数据转换 )进行必要的图像保存及处理。并且测量过程会用到无测头三坐标测量仪及图像处理程序对微槽内尺寸进行测量分析 。 5.研究结果及分析 5.1 覆膜工艺的结果 喷嘴与工件距离 110mm 气压 0.25MPa 磨料型号 WA#800 喷嘴内经 8mm 气体混合物流量 80 g/min Y向进给量 5 mm/s 表 2 覆膜工艺分析 85 C 90C 95C 100 C 105 C 150 mJ 线型 好 好 好 好 好 孔型 好 好 很好 差 差 160 mJ 线型 好 好 好 好 好 孔型 好 好 好 好 很好 根据加工工艺参数的变化，覆膜加工的效果也不尽相同，如表 2.从表中可以看出，当曝光量为 160MJ 时，覆膜效果普遍较好；然而，当曝光量为 150 mJ并且加热温度高于 100时，覆膜效果却非常差。 图 5. 孔型随覆膜温度的变化（ 150mJ） 图 5显示了当曝光量为 150mJ时，随着覆膜预热温度的不同，覆膜工艺效果的不同。正如图上展示的，由于曝光不足，图（ c）和（ d）的孔型要比图（ a）和（ b）的黑。另一方面，当曝光量为 160mJ时，所有的覆膜效果都很好。 5.2.槽形效果 图 6反映了当曝光量为 150mJ时，微槽的加工效果随温度的变化。正如前面提及的，当覆膜预热温度高于 100时被加工的孔型比较差（图6.（ c）和（ d） ） 。当曝光量为 160mJ，加工的槽形很好，与预热温度的变化无关。 图 6.微槽形随温度的变化（ 150 mJ) 通过对光学显微镜观察加工形状的测量结果的分析，可以看到微槽的横向尺寸比覆膜孔的横向尺寸（ 80 微米）大 2-4 微米。这种现象是由于 MAJM 加工过程覆膜孔边界的磨损。 微槽的三维图形被拍摄并被分析研究，如图 7. 槽的 X 方向横断面呈现“U”形，如图 8.。加工的孔型微槽的径向尺寸及其深度分别为 82.9 微米和14.6 微米，从测量结果可以看出加工微槽的中心区域在深度方向上会有起伏。导致这样结果的原因可能是（ 1）碎屑的控制难度增加；（ 2）随着加工深度的增加微磨粒和气压的降低。 图 7.孔型槽 图 8. 孔型槽的横断面 图 9. 微槽的展示图 图 9.展示了微槽的内部形状，为了计算其内部实际的粗糙度把微槽内部影响转换到平面上。图 10.则描述了微槽中心线方向的粗糙度情况，其计算粗糙度为 Ra=0.59微米。实验结果可以证明采用微型磨料射流加工（ MAJM）技术有可能实现微型模形的加工，并实现良好的表面质量。 图 10.展开图的横切面 加工后的线型微槽的三维插图如图 11.，横截面剖面沿 X和 Y方向如图 12.所示。从图中可以看出，微槽侧视图呈现 U型形状，正如孔型微槽的情况，由于MAJM的基本特性使之很难准确地生成一个方形槽。所测最大宽度和深度分别为84微米和 15微米，通过选择合适的喷嘴扫射频率可以获得所需的微槽深度。图 12（ b）显示微槽 Y方向的侧视图（沿底线测量） ，这可被视为微槽底部的表面粗糙度。线型微槽的表面粗糙度测量值与孔型微槽的粗糙度值相近，为 Ra=0.8微米和 0.5微米。 从以上实验结果，可以看出，使用 MAJM加工玻璃微图形是有可能的。因此，这种加工技术可以有效地用于微机械和电子产品包括液晶显示器件。 图 11 线型槽 图 12. 线型微槽的侧视图 5.3.喷嘴扫描频率的影响 图 13.展示了喷嘴扫描频率对加工线型微槽深度和宽度的影响。图 13（ 1）显示了曝光后宽度为 60 微米的线型图案的标本的实验结果。 X 方向侧视图的计算结果如图 12 表示。从图中可以观察到因为增加了扫描时间的数量，微槽的深度和宽度都有所增加。并且加工深度与扫描频率几乎是成比例的，但是，微槽宽度的增加趋势呈二次曲线。在使用 MAJM 加工的其它样本曲线上同样可以看到这样的趋势（如图 13（ b）和（ c）项） 。 图 13. 喷嘴扫描频率对微槽形状的影响 在扫描次数的情况是固定的情况下，加工深度的增长率会随着掩模的宽度而降低。这是因为“爆炸滞后效应” 10，掩模中线宽减少导致粒子的角度减少进而造成这种效应。另一方面，由于掩模宽度减少，加工槽宽度的增加越来越多。这种趋势被认为是掩膜磨损较小模式下的不准确的曝光。正如进行的实验表明，可以通过增加一些扫描次数增加加工深度，但是，加工宽度也大大增加。增加宽度基本上是由于掩膜的磨损。因此，为了获得所需的宽度与深度 ;（ 1）掩模薄膜应该有一个高耐磨的性能， （ 2）考虑到加工槽越来越大的宽度的影响，掩模模式应小 6 结论 使用 MAJM 加工玻璃微槽，这一研究结果可以概括如下： （ 1）当暴露量为 160 毫，可以得到良好的掩模结果，与加热温度无关。此外，也可以获得良好的加工结果。 （ 2）机械加工槽的侧面轮廓显示 U 型的形状。因此，由于 MAJM 的基本特征很难准确加工正方形凹槽。 （ 3）由于掩模薄膜和“爆炸滞后效应”的限制，测量样本的加工尺寸均略大于掩模模式。 （ 4）测量孔型槽和线型槽的表面粗糙度 为 0.8 微米和 0.6 微米。 （ 5）加工深度的增加的比列，与扫描次数增加的比例接近，但是，其副作用使宽度增加。 致谢 这项工作得到了韩国科学与工程基金会基础研究项目的支持，批准号 R01 - 2001 - 000 -00257-0 参考文献 1 A.W. Momber, Principles of Abrasive Water Jet Machining, Springer Verlag, Berlin, 1998. 2 J.A. McGeough (Ed.), Micromachining of Engineering Materials,Marcel Dekker, New York, 2001. 3 J.A. McGeough, Advanced Methods of Machining, Kluwer, Dordrecht,1988. 4 A. Evans, M. Gulden, M. Rosenblatt, Impact damage in brittle materials in the elasticplastic response regime, Proc. R. Soc. London A 361 (1978) 343365.240 D.-S. Park et al. / Journal of Materials Processing Technology 146 (2004) 234240 5 G. Sheldon, Similarities and differences in the erosion behavior of materials, Trans. ASME, J. Basic Eng. (1970) 619626. 6 D.B. Marshall, B.R. Lawn, A.G. Evans, Elastic/plastic indentation damage in ceramics: the lateral crack system, J. Am. Ceram. Soc.65 (11) (1982) 561566. 7 T. Kuriyagawa, N. Yoshida, K. Syoji, Machining characteristics of abrasive jet machining, J. JSPE 54 (6) (1998) 881885 (in Japanese). 8 P. Slikkerveer, P. Bouten, F. de Haas, High quality mechanical etching of brittle materials by powder blasting, Sens. Actuat. 85 (2000) 296303. 9 A. Verma, G. Lal, A theoretical study of erosion phenomenon in abrasive jet machining, Trans. ASME 118 (1996) 564570. 10 H. Wensink, U. Berenshot, H.V. Jan seu, M.C. Elwenspoek, High resolution powder blast micromachining, in: Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2000, pp. 769774. 11 A. Kruusing, S. Leppavuori, A. Uusimaki, M. Uusimaki, Rapid prototyping of silicon structures by aid of laser and abrasive-jet machining,in: Part of the Symposium on Design, Test, and Microfabrication of MEMS and MOEMS, vol. 3680, Paris, France, SPIE,1999, pp. 8708