1 研究精密小孔的硼硅玻璃使用 microEDM結合微超聲振動加工 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 微機電系統(tǒng)(MEMS)。 為構建通信接口 ,需要鉆小 孔襯底 。 然而 ,微孔直徑低于 200年 m很難生產使用傳統(tǒng)加工過程。 來 解決這個問題 ,一種加工方法 ,結合微 電火花 加工 (MEDM)和微超聲振動生產加工 (MUSM)提出本精密小孔高硼硅玻璃的縱橫比。 在本文中描述的調查 ,一個圓形的試件進行生產使用MEDM過程。這個工具被用來鉆一個洞在玻 。 實驗表明 ,使用合適的加工參數 ,直徑出入口之間的差異 (DVEE)可能達到的值約 2m小孔直徑約 150500mm和深度。 DVEE可以改善如果適當的泥漿濃度 ；超聲振幅或轉速是利用。圓度調查 ,旋轉速度有密切的關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愛思唯爾的科學有限公司版權所有。 關鍵詞 :硼硅玻璃 ；微 電火花 加工 ；微超聲振動加工 ；微孔 ；試件 ；高縱橫比 1.介紹 在包裝 MEMS-related設備 ,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,準分子激光鉆井 6,聯(lián)賽 (2、 10),電化學放電加工 (ECDM)12和 MUSM(4、 7)等。由于不同的工作機制 ,這些方法產生的結果是截然不同的。 例如 ,MEDMm 160微孔的直徑和深度 380m可以鉆在 2分鐘內 5。 MEDM只能用于生產導電材料在加工和重鑄層表面 ,含有隕石坑和微裂縫會導致表面和尺寸精度差。激光微加工技術可用于制造下一個洞直徑 4m6。 然而 ,激光加工造成惡化 和 加工表面的微裂紋。西甲技術被發(fā)現(xiàn)適合生產三維微觀結構與小孔金屬、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 ,因為光的衍射 (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)和三維微機器可以創(chuàng)建通過結合線電火花磨削 (WEDG 放電 ),MEDM 和 MUSM(4、 7)。 因為 MUSM 依賴于微機械 力量去除材料 ,對于高縱橫比的微 孔加工 ,小型機械力量的變化可以有重大的后果對制造業(yè)的穩(wěn)定性和精度。此外 ,機械力量主導的精度。此外 ,機械力量主導 MUSM 參數。尚未進行深入研究這些參數如何影響制造業(yè)的穩(wěn)定性和準確性。 加工方法結合 MEDM和 MUSM 設計完成高縱橫比的小孔。在整個加工過程中 ,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 工件。 這種安排選舉中小孔的加工精度。 2 2.方法 2.1. 試驗裝置 實驗設備由 EDM機 ,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。這里的硼硅玻璃或銅盤沿前后方向移動使用電動機 X和上下移動使用電動機 Y .微觀工具被夾成水平卡盤旋轉由電動機電動機 C和定向左派和右派 Z汽車的運動分辨率 X,Y,Z是 0.2mmm 0.2和 0.2,分別。 圖 1.MEDM 和 MUSM 設備的配置 :U,超聲振動設備 ；操作系統(tǒng) ,光學規(guī)模 ；OP,光學規(guī)模計數器 ；X,Y 和 Z,汽車 forx - Y -和 z-axes 運動 ；銅 (銅板 )、 EDM 電極 ；H,旋轉卡盤夾 ；t,試件 ；D,計算機控制顯示 ,C,c-axis 旋轉電動機 ；ID、接口 circuitand 電機驅動 ；G 函數發(fā)生 器 ；CPU、電腦。 啟用刪除碎片很容易從小孔 MUSM 期間 ,進行加工操作水平。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 組合設備。該工具是一個圓柱形桿螺紋角尖。一小塊的硼硅玻璃化學粘到一個小矩形板 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。這個玻璃一直擔任 微傳感器 襯底。 因為硼硅玻璃是硬和脆 ,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 (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時鐘 -明智的。與此同時 ,一個銅板被綁跳汰機和自動上下垂直移動。的直徑降低了移動的工具板邊 (如圖 3所示 (一個 )和 EDM介質 噴灑到工作區(qū)域 MEDM時開始。完成的試件進行長約 2毫米 ,直徑 150m。產生高應力集中在工件 MUSM,前端電路的試件直徑減少到 20m和長度 0.2毫米。圖 3(b)顯示 微刀 完成。實驗參數 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 ,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 利用 制造玻璃 (如圖 2所示 )。砂漿的流量是 450毫升 /分鐘。表 2列出了實驗參數MUSM流程。 圖 2.實驗儀器的細節(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 實驗 MEDM參數 實驗 MUSM參數 工件的圓桿 ,碳化鎢 (甘藍型 ) 縱向超聲振動方向 銅電極 超聲振動頻率 30千赫 工作 煤油 超聲振動振幅 (m)1.2,1.4,1.6,1.8,2.0,2.2 轉速 150 微工具轉速 (rpm)50,100,150,200,200 工件 (rpm) 進給速率 (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)時間 (s)4、 10 時間 (s)4、 10 3.實驗結果 除了評估精 度的高精度 微孔 大小 ,形狀精度和表面粗糙度估計。因此 ,下面的討論分為三個主要部分 :(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。 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?？焖俪牧现g的摩擦將會減少微刀 前端和加工過程。 DVEE將使用泥漿濃度高時低。 圖 4顯示 ,平均磨料尺寸是 否1.2mor3m DVEE泥漿濃度會發(fā)生小于 20%漿濃度 10%。但 DVEE泥漿濃度達到 30%時變得更大。 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,導致 DVEE變得更小。然而 ,由于微孔加工是設置在橫向模式下 ,磨料磨具洞入口之間的聚集和工具 ,這些粒子被旋轉工具 ,被送入洞超聲波振幅。但這將阻礙研磨劑進入洞時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),誘導磨料磨具在 MUSM很難進入洞。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入比大一個洞。然而 ,MRR并不為每個谷物。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 ,以下實驗使用粒子濃度 20%的平均直徑 1.2m。 3.1.2.超聲振動振幅的影響 在超聲電 機程序 ,大型加工 工具導致更高的 MRR(15、 16)。加工工具可能彎曲在鉆井過程中超聲振動時振幅很大。這將影響到 精確 的漏洞。 在 MUSM這種現(xiàn)象更明顯。在這些實驗中 ,超聲波振幅測量使用工具顯微鏡 (1000 )三次 (在空氣中 ),然后把平均工作振幅。圖 5給出了超聲振動振幅對 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增加當振幅增加從 1.8mm到2.2。這表明適當的振幅會增加小孔的嚴謹。然而 ,利用較小的振幅制造小孔將增加試件的加工時間和導致更多的磨損 ,產生更大的 DVEE。 此外 ,加工時間變得更短的振幅。是增加了。這減少了磨損試件。低 DVEE可能因此被發(fā)現(xiàn)。由于的細長比MUSM過程 ,微刀 會彎曲 ,因為更大的振幅。這誘導不規(guī)則小孔的加工 (如圖 6所示 ),使 DVEE值大。的 微刀 不規(guī)則孔加工時也可以打破變得嚴重。 圖 4.磨料漿的濃度和粒度 的影響 圖 5.通過 MUSM DVEE超聲振動振幅 通過 MUSM DVEE。 的影響。 圖 6。超聲波產生的不規(guī)則 的微孔的擴張 平均振幅 2.2m(磨料尺寸 3m) 3.1.3.微刀 的旋轉速度的影響 微刀 的轉速也是一個關鍵參數影響小孔精度。因為一個旋轉工具可以協(xié)助懸浮粒子進入微孔 ,這種安排可以驅動 MUSM過程中顆粒磨洞。因此 ,DVEE小孔 ,所產生的旋轉工具 ,如果不旋轉的工具會更好。圖 7顯示了在 DVEE轉速的影響。 實驗證明了 DVEE小當轉速增加到 50歲 rpm 150 rpm。 DVEE改變時轉速增加 從 150轉到 250轉。這表明正確的旋轉速度提高小孔精度。磨料粒子被喂進洞里通過旋轉工具和超聲波振動。在相同的振動模式 ,數量的磨料顆粒送入洞旋轉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轉速增加了磨料顆粒增加 17。這個結果將會更加清晰 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時美國利率的變化。在這些實驗中 ,飼料利率應用程 序接口來控制電動機 Z和光學規(guī)模 ,生產不斷飼料利率。 圖 8細節(jié)如提要 DVEE利率。這個數字顯示 ,DVEE較小的進給速率較低時使用。 DVEE成為大當一個大進給速率。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給速率時使用。 這個較小的差距導致泥漿 流通 不好。 當這發(fā)生時 ,減少磨料粒子進入通過 MUSM差距 ,導致沒有很好的工作效果 ；工具的前端這個加工過程中產生更多的磨損。因此 ,DVEE變得大了。圖 9顯示了一個穿試件進行的掃描電鏡照片。圖 9(一 )代表的小圓形一步前端的試件進行嚴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使用一個較小的進給速率 (6m /分鐘 ),如圖所示圖 9(b) 3.2、 圓度 超聲電機的流程、工具旋轉 或不肯定影響孔的圓度 (15、 18)。工具旋轉艾滋病懸浮粒子進入洞 ,從而提高超聲電機的工作效率。旋轉工具也能導致顆粒磨孔 ,從而提高孔的圓度。更好的旋轉速度從 50到 150 rpm。圓度值成為較大的轉速時從 150增加到 250 rpm。這是類似于對 DVEE轉速的影響。然而 ,高轉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。在這些實驗中 ,最好的 圓度值在本研究發(fā)現(xiàn)約 2m。圖 11給出了小孔產生可接受的出入口在 150轉的轉速 。 7 圖 9.試件的 SEM MUSM后穿。 (一 )更高的飼料 8.6m /分鐘的速度。 (b)在適當的飼料率 6m /分鐘。 3.3.粗糙度 在超聲電機過程中 ,工具的 旋轉效應可以推動磨料顆粒磨孔表面。因此 ,表面粗糙度值一般小于磨料顆粒大小 (4、 15、 18)。因為沒有設備可以測量表面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)是使用一個平均粒 1.2m完成。這些工作 表面 兩位數 清楚地說明 ,仍然有一些隕石坑和大晶粒尺寸時不是很順利。表面非常光滑 ,幾乎沒有坑小