[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】研究精密小孔的硼硅玻璃使用microEDM结合微超声振动加工-中文翻译

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 )可以获得采用适当的转速。 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。 22.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)。 32.3. 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