1 研究精密小孔的硼硅玻璃使用 microEDM結(jié)合微超聲振動(dòng)加工 文摘 由于其優(yōu)良的陽極鍵合性能 和表面完整性、硼硅玻璃通常用作的基質(zhì) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。 為構(gòu)建通信接口 ,需要鉆小 孔襯底 。 然而 ,微孔直徑低于 200年 m很難生產(chǎn)使用傳統(tǒng)加工過程。 來 解決這個(gè)問題 ,一種加工方法 ,結(jié)合微 電火花 加工 (MEDM)和微超聲振動(dòng)生產(chǎn)加工 (MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的縱橫比。 在本文中描述的調(diào)查 ,一個(gè)圓形的試件進(jìn)行生產(chǎn)使用MEDM過程。這個(gè)工具被用來鉆一個(gè)洞在玻 。 實(shí)驗(yàn)表明 ,使用合適的加工參數(shù) ,直徑出入口之間的差異 (DVEE)可能達(dá)到的值約 2m小孔直徑約 150500mm和深度。 DVEE可以改善如果適當(dāng)?shù)哪酀{濃度 ；超聲振幅或轉(zhuǎn)速是利用。圓度調(diào)查 ,旋轉(zhuǎn)速度有密切的關(guān)系程度的微觀孔的圓度。小孔的圓度值約 2m(max。減去分鐘半徑 ) 2002愛思唯爾的科學(xué)有限公司版權(quán)所有。 關(guān)鍵詞 :硼硅玻璃 ；微 電火花 加工 ；微超聲振動(dòng)加工 ；微孔 ；試件 ；高縱橫比 1.介紹 在包裝 MEMS-related設(shè)備 ,例如微閥和微流量傳感器等 ,硼硅玻璃通常是用作鍵與硅襯底晶片。 建立電氣通過通道和連接硅 片之間的內(nèi)部系統(tǒng) 和環(huán)境 ,小孔鉆在玻璃表面保稅。鉆井這些困難與傳統(tǒng)加工過程。有幾種方法用來制造小孔 ,MEDM(1、 3、 5、 8、 9、11,準(zhǔn)分子激光鉆井 6,聯(lián)賽 (2、 10),電化學(xué)放電加工 (ECDM)12和 MUSM(4、 7)等。由于不同的工作機(jī)制 ,這些方法產(chǎn)生的結(jié)果是截然不同的。 例如 ,MEDMm 160微孔的直徑和深度 380m可以鉆在 2分鐘內(nèi) 5。 MEDM只能用于生產(chǎn)導(dǎo)電材料在加工和重鑄層表面 ,含有隕石坑和微裂縫會(huì)導(dǎo)致表面和尺寸精度差。激光微加工技術(shù)可用于制造下一個(gè)洞直徑 4m6。 然而 ,激光加工造成惡化 和 加工表面的微裂紋。西甲技術(shù)被發(fā)現(xiàn)適合生產(chǎn)三維微觀結(jié)構(gòu)與小孔金屬、聚合物和陶瓷 2、 10。然而 ,聯(lián)賽方法影響配置精密微孔加工高縱橫比的 ,因?yàn)楣獾难苌?(如 x 射線 )。 ECDM 可以提高材料去除 率 (MRR)和表面粗糙度 1.5 毫米 /分鐘和0.08m 分別 12,但與化學(xué)腐蝕 ,墻上的小孔將被證明是成功的在困難和脆性材料。Masuzawa 等人證明了小孔小至 5m(深度 10m)和三維微機(jī)器可以創(chuàng)建通過結(jié)合線電火花磨削 (WEDG 放電 ),MEDM 和 MUSM(4、 7)。 因?yàn)?MUSM 依賴于微機(jī)械 力量去除材料 ,對(duì)于高縱橫比的微 孔加工 ,小型機(jī)械力量的變化可以有重大的后果對(duì)制造業(yè)的穩(wěn)定性和精度。此外 ,機(jī)械力量主導(dǎo)的精度。此外 ,機(jī)械力量主導(dǎo) MUSM 參數(shù)。尚未進(jìn)行深入研究這些參數(shù)如何影響制造業(yè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 加工方法結(jié)合 MEDM和 MUSM 設(shè)計(jì)完成高縱橫比的小孔。在整個(gè)加工過程中 ,微刀 相同的夾具 ,所以工具偏心問題是可以避免的。避免在 制造過程 微刀 振蕩或打破 ,超聲波儀器成立 震動(dòng) 工件。 這種安排選舉中小孔的加工精度。 2 2.方法 2.1. 試驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)設(shè)備由 EDM機(jī) ,作為 選取控制系統(tǒng)和超聲加工單位 (如圖 1所示 )。選取控制系統(tǒng)固定到 EDM工作 臺(tái)。這里的硼硅玻璃或銅盤沿前后方向移動(dòng)使用電動(dòng)機(jī) X和上下移動(dòng)使用電動(dòng)機(jī) Y .微觀工具被夾成水平卡盤旋轉(zhuǎn)由電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) C和定向左派和右派 Z汽車的運(yùn)動(dòng)分辨率 X,Y,Z是 0.2mmm 0.2和 0.2,分別。 圖 1.MEDM 和 MUSM 設(shè)備的配置 :U,超聲振動(dòng)設(shè)備 ；操作系統(tǒng) ,光學(xué)規(guī)模 ；OP,光學(xué)規(guī)模計(jì)數(shù)器 ；X,Y 和 Z,汽車 forx - Y -和 z-axes 運(yùn)動(dòng) ；銅 (銅板 )、 EDM 電極 ；H,旋轉(zhuǎn)卡盤夾 ；t,試件 ；D,計(jì)算機(jī)控制顯示 ,C,c-axis 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) ；ID、接口 circuitand 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ；G 函數(shù)發(fā)生 器 ；CPU、電腦。 啟用刪除碎片很容易從小孔 MUSM 期間 ,進(jìn)行加工操作水平。超聲波加工單位(包括頻率、 30 千赫 )電子發(fā)生器 ,傳感器和 horn-tool 組合設(shè)備。該工具是一個(gè)圓柱形桿螺紋角尖。一小塊的硼硅玻璃化學(xué)粘到一個(gè)小矩形板 4在工具提示 (如圖 2 所示 )。 2.2. 材料 硼硅玻璃 (Pyrex,康 寧 7740)是一種硅成分具有優(yōu)良的陽極鍵合性能 ,表面完整性、熱性能和耐酸性。這個(gè)玻璃一直擔(dān)任 微傳感器 襯底。 因?yàn)榕鸸璨Ａ怯埠痛?,它的方法。維持精確的微孔大小 ,非常適合微孔鉆井使用 MUSM 工具 4。微孔精度可 以提高通過使用石油作為泥漿介質(zhì) (13 - 15)。硅卡賓槍谷物 ,懸浮在煤油 ,被選為工作泥漿的濃度是 10%,20%和 30%的 MUSM 過程。和平均磨料尺寸1.2m(大約 75%的粒子大小從 0.9 到 0.9m)和 3m(大約 75%的粒子大小從 2.6到 2.6m)。 3 2.3. 加工過程 被分成兩個(gè)主要的加工流程 部分。首先 ,碳化鎢桿制成試件用銅版的電極MEDM一步。 這個(gè)工具是與 MUSM然后使用硼硅玻璃的微孔鉆探的過程。上面的程序詳細(xì)描述如下 :電火花加工試件 ,循環(huán)碳化鎢桿是固定在水平方向和旋轉(zhuǎn)時(shí)鐘 -明智的。與此同時(shí) ,一個(gè)銅板被綁跳汰機(jī)和自動(dòng)上下垂直移動(dòng)。的直徑降低了移動(dòng)的工具板邊 (如圖 3所示 (一個(gè) )和 EDM介質(zhì) 噴灑到工作區(qū)域 MEDM時(shí)開始。完成的試件進(jìn)行長(zhǎng)約 2毫米 ,直徑 150m。產(chǎn)生高應(yīng)力集中在工件 MUSM,前端電路的試件直徑減少到 20m和長(zhǎng)度 0.2毫米。圖 3(b)顯示 微刀 完成。實(shí)驗(yàn)參數(shù) MEDM流程表 1中列出。 查克的試件 ,微孔使用 MUSM鉆的玻璃。減少工具的磨損在低級(jí)別 (15),該工具可以 -之前沒有接觸到工件加工過程開始 ,所以它存在之間的工具 ,約 0.1毫米玻璃表面加工過程時(shí) ,開始寧。微孔加工過程中 ,微觀喂養(yǎng)工具 伴隨著噴漿與超聲振動(dòng) 利用 制造玻璃 (如圖 2所示 )。砂漿的流量是 450毫升 /分鐘。表 2列出了實(shí)驗(yàn)參數(shù)MUSM流程。 圖 2.實(shí)驗(yàn)儀器的細(xì)節(jié)圖 MUSM過程。 圖 3。試件加工過程和試件 在 MEDM過程完成。 (b)完成試件形狀。 4 表 1 表 2 實(shí)驗(yàn) MEDM參數(shù) 實(shí)驗(yàn) MUSM參數(shù) 工件的圓桿 ,碳化鎢 (甘藍(lán)型 ) 縱向超聲振動(dòng)方向 銅電極 超聲振動(dòng)頻率 30千赫 工作 煤油 超聲振動(dòng)振幅 (m)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2 轉(zhuǎn)速 150 微工具轉(zhuǎn)速 (rpm)50,100,150,200,200 工件 (rpm) 進(jìn)給速率 (m /分鐘 ),6.7,7.5,8.6,10 極性 +(粗糙 )；(完成 ) 漿濃度 (wt %)10%,20%,30% 打開負(fù)載電壓 (100 V) 平均磨料尺寸 (m)1.2,3 工作電壓 (V)25 放電電流 (A)0.95、 1.45 脈沖持續(xù)時(shí)間 (s)4、 10 時(shí)間 (s)4、 10 3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果 除了評(píng)估精 度的高精度 微孔 大小 ,形狀精度和表面粗糙度估計(jì)。因此 ,下面的討論分為三個(gè)主要部分 :(A)的入口和出口之間的 DVEE,(B)圓度和 (C)表面粗糙度。 微孔 的精度影響 。 因素包括漿濃度、磨料粒度和 MUSM加工參數(shù)。 3.1.1.磨料漿濃度和粒徑的影響 磨料漿的濃度和粒度是最重 要的影響因素 MUSM加工精度。磨料漿濃度高、材料被加工表面的研磨谷物將快于泥漿濃度 越低。快速除材料之間的摩擦將會(huì)減少微刀 前端和加工過程。 DVEE將使用泥漿濃度高時(shí)低。 圖 4顯示 ,平均磨料尺寸是 否1.2mor3m DVEE泥漿濃度會(huì)發(fā)生小于 20%漿濃度 10%。但 DVEE泥漿濃度達(dá)到 30%時(shí)變得更大。 20%濃度提供了幾乎兩倍磨料粒子制造孔比 10%濃度的平均大小1.2m,導(dǎo)致 DVEE變得更小。然而 ,由于微孔加工是設(shè)置在橫向模式下 ,磨料磨具洞入口之間的聚集和工具 ,這些粒子被旋轉(zhuǎn)工具 ,被送入洞超聲波振幅。但這將阻礙研磨劑進(jìn)入洞時(shí)的粒子之間的聚集太多洞入口和工具 ,從而影響微孔 DVEE的。漿濃度 30%,這種情況將變得清晰 ,所以效果明顯降低。此外 ,平均晶粒尺寸 (3m)比超聲波振幅 (1.8m),誘導(dǎo)磨料磨具在 MUSM很難進(jìn)入洞。所以 DVEE加工影響并不明顯比小的晶粒尺寸。圖 4還表明 ,采用平均 1.2m 大小創(chuàng)建 DVEE比 3m平均粒子的大小。在同一濃度 ,小顆粒更均勻懸浮在泥漿和容易進(jìn)入比大一個(gè)洞。然而 ,MRR并不為每個(gè)谷物。因此 ,平滑的加工表面 ,更直的交叉 截面 微孔可以獲得 ,提高DVEE小孔。獲得更好的完成效果 ,以下實(shí)驗(yàn)使用粒子濃度 20%的平均直徑 1.2m。 3.1.2.超聲振動(dòng)振幅的影響 在超聲電 機(jī)程序 ,大型加工 工具導(dǎo)致更高的 MRR(15、 16)。加工工具可能彎曲在鉆井過程中超聲振動(dòng)時(shí)振幅很大。這將影響到 精確 的漏洞。 在 MUSM這種現(xiàn)象更明顯。在這些實(shí)驗(yàn)中 ,超聲波振幅測(cè)量使用工具顯微鏡 (1000 )三次 (在空氣中 ),然后把平均工作振幅。圖 5給出了超聲振動(dòng)振幅對(duì) DVEE的影響。圖中顯 5 示 ,DVEE隨振幅增加而降低 mm從 1.2到 1.2。 DVEE增加當(dāng)振幅增加從 1.8mm到2.2。這表明適當(dāng)?shù)恼穹鶗?huì)增加小孔的嚴(yán)謹(jǐn)。然而 ,利用較小的振幅制造小孔將增加試件的加工時(shí)間和導(dǎo)致更多的磨損 ,產(chǎn)生更大的 DVEE。 此外 ,加工時(shí)間變得更短的振幅。是增加了。這減少了磨損試件。低 DVEE可能因此被發(fā)現(xiàn)。由于的細(xì)長(zhǎng)比MUSM過程 ,微刀 會(huì)彎曲 ,因?yàn)楦蟮恼穹＿@誘導(dǎo)不規(guī)則小孔的加工 (如圖 6所示 ),使 DVEE值大。的 微刀 不規(guī)則孔加工時(shí)也可以打破變得嚴(yán)重。 圖 4.磨料漿的濃度和粒度 的影響 圖 5.通過 MUSM DVEE超聲振動(dòng)振幅 通過 MUSM DVEE。 的影響。 圖 6。超聲波產(chǎn)生的不規(guī)則 的微孔的擴(kuò)張 平均振幅 2.2m(磨料尺寸 3m) 3.1.3.微刀 的旋轉(zhuǎn)速度的影響 微刀 的轉(zhuǎn)速也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)影響小孔精度。因?yàn)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)工具可以協(xié)助懸浮粒子進(jìn)入微孔 ,這種安排可以驅(qū)動(dòng) MUSM過程中顆粒磨洞。因此 ,DVEE小孔 ,所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)工具 ,如果不旋轉(zhuǎn)的工具會(huì)更好。圖 7顯示了在 DVEE轉(zhuǎn)速的影響。 實(shí)驗(yàn)證明了 DVEE小當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到 50歲 rpm 150 rpm。 DVEE改變時(shí)轉(zhuǎn)速增加 從 150轉(zhuǎn)到 250轉(zhuǎn)。這表明正確的旋轉(zhuǎn)速度提高小孔精度。磨料粒子被喂進(jìn)洞里通過旋轉(zhuǎn)工具和超聲波振動(dòng)。在相同的振動(dòng)模式 ,數(shù)量的磨料顆粒送入洞旋轉(zhuǎn)在開始階段的速度增加。 制造 效率因此增大 ,試件 穿了 ,所以小 DVEE可以獲得。工具的磨損和孔表面當(dāng)轉(zhuǎn)速增加了磨料顆粒增加 17。這個(gè)結(jié)果將會(huì)更加清晰 6 速度。此外 ,切削過程的穩(wěn)定性也受到很高的速度。由于這些原因 ,DVEE不僅成為大但也很明顯 150轉(zhuǎn)后改變了。 3.1.4.微刀 加料速度的影響 DVEE在受飼料問 :第一次 MUSM時(shí)美國(guó)利率的變化。在這些實(shí)驗(yàn)中 ,飼料利率應(yīng)用程 序接口來控制電動(dòng)機(jī) Z和光學(xué)規(guī)模 ,生產(chǎn)不斷飼料利率。 圖 8細(xì)節(jié)如提要 DVEE利率。這個(gè)數(shù)字顯示 ,DVEE較小的進(jìn)給速率較低時(shí)使用。 DVEE成為大當(dāng)一個(gè)大進(jìn)給速率。然而 ,試件端面之間的差距和玻璃的臉變得較小的更大的進(jìn)給速率時(shí)使用。 這個(gè)較小的差距導(dǎo)致泥漿 流通 不好。 當(dāng)這發(fā)生時(shí) ,減少磨料粒子進(jìn)入通過 MUSM差距 ,導(dǎo)致沒有很好的工作效果 ；工具的前端這個(gè)加工過程中產(chǎn)生更多的磨損。因此 ,DVEE變得大了。圖 9顯示了一個(gè)穿試件進(jìn)行的掃描電鏡照片。圖 9(一 )代表的小圓形一步前端的試件進(jìn)行嚴(yán)重磨損較大飼料加工速度 (8.6m /分 鐘 )。工具遭受更少穿在同一位置時(shí)使用一個(gè)較小的進(jìn)給速率 (6m /分鐘 ),如圖所示圖 9(b) 3.2、 圓度 超聲電機(jī)的流程、工具旋轉(zhuǎn) 或不肯定影響孔的圓度 (15、 18)。工具旋轉(zhuǎn)艾滋病懸浮粒子進(jìn)入洞 ,從而提高超聲電機(jī)的工作效率。旋轉(zhuǎn)工具也能導(dǎo)致顆粒磨孔 ,從而提高孔的圓度。更好的旋轉(zhuǎn)速度從 50到 150 rpm。圓度值成為較大的轉(zhuǎn)速時(shí)從 150增加到 250 rpm。這是類似于對(duì) DVEE轉(zhuǎn)速的影響。然而 ,高轉(zhuǎn)速不僅造成更多的工具磨損 ,而且誘發(fā)不穩(wěn)定在切割過程中 ,促使顯然失圓的小孔后 150 rpm。在這些實(shí)驗(yàn)中 ,最好的 圓度值在本研究發(fā)現(xiàn)約 2m。圖 11給出了小孔產(chǎn)生可接受的出入口在 150轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速 。 7 圖 9.試件的 SEM MUSM后穿。 (一 )更高的飼料 8.6m /分鐘的速度。 (b)在適當(dāng)?shù)娘暳下?6m /分鐘。 3.3.粗糙度 在超聲電機(jī)過程中 ,工具的 旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以推動(dòng)磨料顆粒磨孔表面。因此 ,表面粗糙度值一般小于磨料顆粒大小 (4、 15、 18)。因?yàn)闆]有設(shè)備可以測(cè)量表面rough-ness小孔的研究、 SEM照片用于討論晶粒尺寸的影響。圖 12顯示了一個(gè)截面的表面微孔和洞。在圖 12(a),微孔的橫截面與連續(xù)公平和形狀。圖 12(b)和 (c)顯示放大的照片孔表面加工時(shí)不同的磨料顆粒大小。 (b)的 表面 制造使用平均糧食 3m；(c)是使用一個(gè)平均粒 1.2m完成。這些工作 表面 兩位數(shù) 清楚地說明 ,仍然有一些隕石坑和大晶粒尺寸時(shí)不是很順利。表面非常光滑 ,幾乎沒有坑小