三維微細超聲波加工研究#中英文翻譯#外文翻譯匹配

外文翻譯 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名 胡 春 班 級 BD 機制 032 學 號 0320110220 指 導 教 師 邢 青 松 1 外文資料 名稱： Study of 3D Micro-Ultrasonic Machining 外文資料 出處： Department of Industrial & Management Systems Engineering, University of Nebraska-Lincoln 175 Nebraska Hall, Lincoln, NE 68588-0518 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導教師評語： 簽名： 年 月 日 2 三維微細超聲波加工研究 K. P. Rajurkar A. Tandon 胡春 譯 許多工序 ， 如光刻、蝕刻、激光、電火花加工 (EDM)、電化學加工 (ECM) 正在應用于生產中 微觀零部件產品 。 如硅材料、玻璃、水晶、陶瓷正日益用于微機電系統(tǒng) (MEMS)器件 。 超聲加工 (USM)成為加工部分脆硬材料的替代機 。 然而 ， 微 細 超聲加工 中的 刀具磨損 影響 了 加工精度 。 因此 ， 有必要 在補償?shù)毒吣p 加工 方面作 介紹。本文闡述了，將 微型電火花加工中均勻磨損方 法 結 合 CAD/CAM 生成準確地 微型超聲波立體 (三維 )微 震動 的可行性 。 實驗結果表明 ， 為保證工件的加工精度， 一直 補償 刀具磨損 。 關鍵詞 ： 微細加工、超聲波加工、 三維 微觀形態(tài) 引言 隨著 有效利用空間 和 節(jié)約 資源， 例如 材料、 能源等 的需求的 增加， 微型產品和 微型技術正在 迅速 被工業(yè) 重視 。 追求極小化產品 已經(jīng)導致微機電系統(tǒng) (MEMS)器件與傳感、驅動力 能力 的開發(fā) 。 許多微細制造技術已經(jīng)開發(fā) 了 微機電元件與器件。除了硅 (在MEMS 中 最常用的材料 ),其他材 料 ,如玻璃、石英晶體 被許多行業(yè) 大量 使用 。 在生物科學方面被 用于制造光學 的 玻璃部件或反應體 以及 石英晶體 (因 其 壓電 性能 ) 通常用來制造微元件 。 陶瓷抗高溫、腐蝕是在 汽車零件產業(yè) 中使用 。 微細加工技術 ， 如光刻、蝕刻， 用于生產集成電路的微電子產業(yè) 。 這些過程是適合大規(guī)模生產 ， 易于融入電子控制電路 。 然而 這些過程 在 形成 二維的特點 中 大多 被限制 。 在 Z 軸中控制大小和形狀是非常困難的 。 結構產生相應的低展弦比 。 包含 X射線光刻、電鑄、塑料成型的 LIGA 技術工藝 ,都是用來生產高寬比結構 。 LIGA 技術能夠加工的材料 ， 如銅和鎳電鑄塑膠成型 。 然而這種技術無法 加工 硬脆材料 ， 如玻璃、硅。機械制造方法 ,如磨、轉 復雜形狀的三維 機床 用于 加工 許多金屬和非金屬材料 。通常的工具和材料是鉆孔 加工 凸形狀的 工件 。 然而 ， 直接接觸的工具、機械工件的 變形、 電 發(fā) 熱、 失真 。 刀具易磨損、精度高、切削力大 。 當加工微孔或凹腔、 刀具的大小限制主軸轉速和切削速度 ， 導致加工脆硬材料的難度 。 電火花加工和電化學加工被用來制造微型形態(tài)不等 ， 復雜形狀三維微孔和 導電工件材料 。激光是從工件的硬度、導電方面來清除材料的 。 二氧化碳或釹 ： YAG 激光機能 鉆微孔或微型讀卡器 。 Z軸控制和低展弦比 的困難與 (限于去除熔融材料的 深孔 )其適用構成 呼應 。 但是 ， 如 3 同其他加工方法 ， 電子束和聚焦離子束 ， 這些進程面臨的問題 ： 低投資成本和高效率加工設備 。 超聲加工 (超聲馬達 )是由于 機器的能力 和脆硬材料 而馳名 ， 如玻璃、硅、石英晶體、氮化物、藍寶石、鐵氧體、光纜 。 在 20-100 赫茲 0.025 微米 振幅頻率下振動工具產生精確鏡像 成 形孔 。 在超聲波電機 中 ， 材料 受沖擊磨料 拆除 磨料 中動能是受 超聲波振動聲學系統(tǒng) 影響的 。 微型超聲馬達還成功地應用于鉆微孔直徑為 5 微 米 。 然而，在實現(xiàn)微型超聲馬達全部過程中， 受 設計與制作工具 (有時多種工具 )和刀具磨損的影響 與部件 加工精度成正比 。 細觀微型元件 的 這些問題變得更加至關重要 。 因此 ， 本文的目的是研究鉆微孔的超聲波電機、了解刀具磨損程度和發(fā)電的可行性 ， 任意三維微形形狀 的 簡單工具 (如圓柱體 )具有自我補償?shù)毒吣p 能力 。 研究鉆微孔微超聲馬達 的基礎 是描述在第 2 部分 觀察加工性能和工藝參數(shù)對刀具磨損程度 。 第 部分 均勻 配載方法結合 CAD/CAM 生成復雜三維 凸輪 。 實驗結果列在第 4 項 。 研究的總結是在最后一節(jié) 。 鉆微孔超聲馬達的研究 在超聲波電機 中 ， 磨料是振動工具和工件之間的高頻振動系統(tǒng) 。 從某個程度 講述振動沖擊磨料對工件表面 產生 裂痕 ， 工件 材料和工具進行最后清除 。圖 1 顯示了超聲馬達的基本 過程 原則 。 通常在 超聲加工過程中使用 ， 尤其在三維造型加工 。 同樣的工具 ， 如形狀和大小的設計部分 。 目前 ， 微型超聲馬達主要應用于鉆微孔 。 超聲波振動 通過集齊傳感器傳給磨粒 、選礦廠及其它相關零件 ， 造成大偏心旋轉工具 。工件振動已經(jīng)提出要解決這個問題 , 微孔直徑為 5 微米 ， 已成功鉆探 。 為了進行微型超聲馬達鉆探試驗 ， 一種微型超聲馬達系統(tǒng)的設計、組裝圖 2 所示工件固定在高高的激蕩是由一個超聲波傳感器系統(tǒng) ， 包括 在頻率 39.5 千赫茲 超聲波振動發(fā)生器、振動傳感器 。 泥漿、磨料、攪拌機 的水 ， 加 在 工件表面 。 三維刀具軌跡 4 運動控制的 X、 Y 和 Z 方向 及其控制器 。 當工具控制沿著道路設計 ， 靜態(tài)負荷監(jiān)測加工 。 如果靜載荷大于定值 ， 工具吊起到一定高度是為了避免因超載刀具破損 。 已 經(jīng) 發(fā)現(xiàn)許多影響表面宏觀超聲波加工 的因素。 靜負荷、振幅、磨料類型、大小、材料、尺寸工具、泥漿濃度大大影響材料去除率和表面粗糙度 。 因在微型超聲馬達超聲波振動下容易蒸發(fā)水分， 然而 很難保持 同一水平漿料濃度 。 另外 ， 外部原因 是微型振動工具和靜態(tài)負荷變化加工 。 因此 ， 這些初步的研究 ， 泥漿濃度不視為其中的輸入?yún)?shù) 。 選擇 鉆石粉 磨料 是因為它硬度高、超 聲波振動沖擊下不斷裂 。 微型超聲馬達 通過 鉆微孔實驗 ， 了解影響靜態(tài)負荷大小和工具的材料去除率 、 刀具磨損率 。 刀具 (鎢 )接觸 工件表面 (晶圓 )， 這一 點被稱為鉆孔 起點 。 鉆 孔 所使用的 微型超聲馬達 加工條件列在表 1， 刀具在前后加工工件表面被移到同一參考點。 工具 降至地面接觸時靜載 10 至 20 微 克 (以百萬 9.8310251.9631024 百萬 )無振動 。 觀察 Z軸計算 刀具磨損長度 。工具 直徑測量使用光學顯微鏡 。測量 洞口徑和厚度 的 工具 是 晶圓 。 靜負荷在 電子秤 沿縱軸 監(jiān)錄 。 步驟 3 和 4， 鉆微孔的超聲波電機和微型工具加工后 ， 孔直徑 分別 為 66 微米 ，總工具 鉆 料 200 微米 ， 刀具磨損長度 11.2 微米 。 于是差距 (相差一半是直徑測量工具 5 的直徑鉆孔 )約為 8 微米 ， 其中最大粒徑將近一倍 。 可能是因為硅結晶， 孔邊緣似乎有不規(guī)則裂痕 。 如果可以減少使用較小磨料 ， 則 需要更多的實驗以確定它的工作 。刀具在加工過程中磨損很大。 然而 ， 保護刀具在加工過程中很重要。 步驟 5 所示 移除速率增加 了靜載荷和刀具直徑 。 靜態(tài)負荷 壓力的增 大 ， 就意味著工件最終磨料 更大 、移除速率也因而增加 。 刀 具 受 磨損 ， 導致 刀 具在工作區(qū) 局部變形 ，其次是 刀 具 去除 下 一 層 物質 ， 導致刀具磨損 。 當靜負荷增加 ， 迫使 刀 具加 壓 ， 從而增加了刀具磨損圖 6和 7所示產生裂痕的銳利邊緣部分導致折 斷 的邊緣部分更容易 趨向中心部分 。 比例磨損的邊緣部分規(guī)模較小 。 因此 ， 隨著刀具磨損減少圖所示 刀 具的大小 ， 據(jù)觀察 靜載 所得差距 （圖 8） 。當靜負荷增加， 靜態(tài)橫向載荷還可抑制 刀 具的振動 。 6 上述實驗結果表明 ，微型超聲馬達 刀具 的 磨損程度 。 當一個三維微觀形 態(tài) 是機械、刀 具與微觀特征來產生相應的微觀特征 。 不過編寫復雜形狀微型刀 具是一項艱巨的任務 。 另外 , 就是要編造一些復雜形狀微型刀 具實現(xiàn) 刀具磨損設計 精度 的 要求 。 多種刀具 的使用 導致刀 具走向問題 。 因此 ， 編造 多重微型刀 具 很困難而且不合算 。 要解決這些問題 ，形成 一個簡單的刀 具 ， 如缸 ，被用于沿著刀具的設計路徑 產生三維微觀形態(tài) 。電火花磨削 (WEDG)方法是用來獲取各種刀 具簡單形截面 22。 因此 ， 在 CAD/CAM 軟件均勻磨損方式 產生的方法， 其中應有補償?shù)毒吣p和刀具路徑生成 ，是用于在隨后的企業(yè) 產生三維微超聲馬達 。 這種方法 在 微型電火花 已經(jīng) 取得 成功 23 。 7 三維 微 細 超聲馬達 產生復雜的三維腔與預期準確性 。 既要補償?shù)毒吣p又要 生成 刀具軌跡 。 均勻磨損 方式 是 結合商業(yè) CAD/CAM 軟件 。 均勻磨損方式 。 靜負荷用來清除 微型工具造成的 工 件材料磨損 、 局部變形和 工具表面 的微型 裂縫。 在 產生精確的三維微觀形態(tài) 下 微型超聲馬達 是 必須 補償?shù)毒吣p 。 8 均勻磨損 方式 的基本原則是 ， 在一定條件下 ，刀 具 的 形狀 是由于一層加工磨損后重新獲得 。 因此 ， 它的長度可以變的稍短些但是能夠獲取新的形狀 。 加強這一現(xiàn)象 ， 刀具路徑設計必須包括以下規(guī)則 。 逐層加工 。 三維微觀形態(tài)是在 Z 軸使用 簡單型刀具中逐層加工的 。 刀具棱角的形狀在排除 表面加工的惡化效應之后 很 容易被恢復 。 重復 掃描 。 在一層加工 中， 從刀具路徑起點到終點的加工表面傾斜是因為刀具長度由于加工磨損而 變短。扭轉刀具路徑等， 重復掃描 ,有助于減輕地表產生傾斜 。這可以用刀 具磨損模型驗證 。 進一步完善加工精度 ， 切削角 ， 即主要道路的方向 ， 也是改變 。 刀具路徑重疊 。 超聲波振動沖擊下 刀 具的 棱角是刀 具更容易磨損較中心部分 。 當?shù)?具沿著 刀 具設計路徑 圓形邊緣 的棱角將反映在加工表面 。 刀具路徑重疊是為了避免由于圓形邊緣和刀具尖端形成表面基準面的不一致 。 中部和邊界 的 交替 加工表面 。 當正在加工的邊界 ， 刀 具 的邊緣 會 磨損 。 但 是，在中部的加工層、 刀具底層中心的靜載荷比遠離加工表面圓形邊緣的稍大些。 它導致了刀具中心的磨損比邊緣部分的多一些。 這 有助于恢復原來的形狀與 間隔， 刀 具可進入下一邊界道路 。 基于以上分析 ， 預示刀具形狀 保持不變時 ， 微超聲馬達是基于刀 具 路徑 的方法 。 刀具磨損補償 。 在微型超聲馬達，刀 具 形狀同樣可以保持不變 。 超聲波加工用的刀 具可被視為一個單一類型的銑削過程 。 然而 ， 要彌補 機床 刀 具 長度三維微觀形態(tài)與正確的簡單型刀 具 。 補償方程可以從定義刀具磨損量相對比 ， 假設每一層 刀 具 吃刀量可 分為兩部分 ， 高溫磨損長度 ， 其余長度 ， 相當于平均加工層 深度 。 圖所示的關系 9 可以寫成 刀具磨損率 能測量和計算 作為下一節(jié)提到實驗中的 加工 槽 。 刀具 橫截面積 是刀具在加工后被測量的。每一層的面積 能通過沿 Z 軸的三維微形層的切片獲得的。當切片層的深度 已知時，僅僅通過所需調整的切斷層深度 來產生準確的三維形態(tài)。 均勻磨損方式 CAD/CAM 系統(tǒng) 的 整合 。 有許多 CAD/CAM 系統(tǒng)可用來 為許多工序產生 9 刀 具 路徑。如鉆 、銑、 線材及電火花 。 但是 ， 這些系統(tǒng)不宜生成微型超聲馬達簡單型刀 具 的刀具路徑 ， 因為 三維微觀形態(tài) 刀 具 的 機械磨損需要加以補償 。 因此 ， 有必要整合 具有 CAD/CAM 軟件 刀具 路徑 的均勻磨損方式 。 在 CAD/CAM 系統(tǒng) 中的 CAM 模塊中 ，利用 CAD/CAM 系統(tǒng)中的功能 產生刀具路徑，利用體積銑削產生刀具路徑 。 路徑選擇的模式是基于 刀具均勻磨損方式。加工表面順利產生兩套刀 具切割路徑的角度 為 0 90度， 一套新的刀具路徑是通過選擇刀 具路徑生成兩套數(shù)據(jù) 和修改每層切削深度，此深度是基于刀具磨損補償公式的計算產生的。這套全新的刀 具路徑 在由 獨立運動軸線 補償公式計算后 譯成 X、 Y 和 Z 移動 命令。 圖 10 顯示一體化步伐 。 實驗驗證 在 三維微型超聲波加工 中，為了獲得 磨損量 和刀具磨損率 ，刀 具 補償 的 兩個關鍵因素 和一個加工 槽 的實驗已被驗證。 輸入工件的刀 具 深度 是 1 微米 ， 然后 ， 沿著 橫向X 軸 受控 制 。 之后 切削 500 微米 ， 在此深度 再 次 切削 上一層 的同 深度 。 反復 這個過程 ，直到 刀 具 總吃刀量 (50 微米 )為止 。 通過刀 具列的路徑圖 11。 槽 深 的 測量與 刀具磨損長度的測量方法一致 。 槽和槽上表面兩側的底層的幾個要點被檢測 。 槽深是由 Z 軸 上不同的平均值估算的 。 槽的長度和寬度 用光學顯微鏡 測量 。 10 縫隙是槽的寬度和刀 具 直徑之間相差一半的距離 。 刀 具 相對體積磨損率的計算 表示 刀具磨損量 ， 表示 工件清除量 。 表 2 列示了 加工條件 、 刀具磨損 率和槽。由于廢棄物的徹底清除和磨料之間的不同，刀具磨損長度的 估計和 槽 深未必完全準確 。 11 均勻磨損方式 和整合的應用 ， 三維微型超聲馬達 CAD/CAM 系統(tǒng) 是經(jīng) 復雜 的三維造型 。 圖 12 顯示了 錐 形腔 （ 221.75*221.75 微米 ） 以 1/8 圈 為 半徑 (大約 50 微米 ) 是在 設計中心中使用 CAD/CAM 軟件 。 圖 13 所示 刀具路徑 是基于均勻磨損方式產生的 ，此 部分是 0.25 微米 厚度 的切片層 。 刀具路徑 的再生是基于均勻磨損方式 ， 通過計算，首層的切削深度是 0.823 微米 和最后一層是 0.684 微米 。 槽口的設計模型部分是 55微米 。 刀 具磨損補償 的 總 吃刀量 是 212.932 微米 。 圖 14 顯示加工腔 。 腔底部是表面加工單位和 1/8 球中心 。 尺寸生成腔 X-Y-Z 模型用光學顯微鏡檢測 。 頂 洞 大小是231x231 微米， 這是 10 微米 以上的設計 。 這期間可能造成 切削 振動 。