CA6140車床杠桿831009機(jī)械加工工藝規(guī)程及鉆φ25孔夾具設(shè)計(jì)【鉆φ25孔】 【版本3】
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磨粒噴射加工玻璃微槽
摘要：
磨粒噴射加工類似于噴砂加工，都可以有效的去除硬、脆材料。磨粒噴射加工已經(jīng)應(yīng)用到粗加工工藝中，例如去毛刺和粗糙修整。隨著陶瓷、半導(dǎo)體、電子設(shè)備及液晶顯示器等加工需求的增長，微磨粒噴射加工技術(shù)已經(jīng)成為一種很實(shí)用的微加工技術(shù)。本文介紹了微磨粒噴射加工在玻璃微槽加工中的性能特點(diǎn)?？仔臀⒉鄣膹较虺叽绾途€型微槽的寬度都是80微米，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示微磨粒噴射加工應(yīng)用在玻璃微槽加工中可以達(dá)到很好的效果，然而，加工后槽的尺寸增加了2-4微米。通過精細(xì)的調(diào)諧掩膜加工工藝和覆膜技術(shù)的修正，微磨粒噴射加工可以有效地應(yīng)用到半導(dǎo)體、電子設(shè)備及液晶顯示器的微加工中。
關(guān)鍵詞：微磨粒噴射加工，微磨粒，微槽，掩膜加工
引言
隨著近年來專用元件的發(fā)展，如半導(dǎo)體元件、微型制造加工中應(yīng)用的傳感元件等應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展。因此，有必要發(fā)展微加工技術(shù)使其在加工硬、脆材料如玻璃、陶瓷等材料中得到應(yīng)用。然而，由于這些材料具有硬脆性、耐腐蝕能力強(qiáng)、熔點(diǎn)高等特點(diǎn)，很難對其進(jìn)行加工。傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)很難對其進(jìn)行加工，因?yàn)闊峄蚧瘜W(xué)加工方法（化學(xué)腐蝕加工，激光和電子束加工，電火花加工，電解加工）會(huì)造成過大的熱影響區(qū)，然而使用機(jī)械加工方法（如超聲波加工方法，研磨，拋光）在生產(chǎn)效率和精確度上都有一定得限制。
由于微磨粒噴射加工具有生產(chǎn)效率高，材料去除過程中熱影響區(qū)非常小的特點(diǎn)， 因此，微磨粒噴射加工被認(rèn)為是最適合硬、脆材料的加工的微加工方法。在磨粒噴射加工方式中，干磨料加工已經(jīng)被證明是最適合半導(dǎo)體及液晶顯示器的加工生產(chǎn)的微型生產(chǎn)技術(shù)。最近，關(guān)于應(yīng)用微型磨粒作為磨料的微磨粒噴射加工技術(shù)已經(jīng)被廣泛測試驗(yàn)證。Momber 進(jìn)行了高壓水射流加工（參考書【1】），他第一次提出了關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)問題的廣泛的綜合性評論，包括氣體與磨料的混合及磨粒加速過程，材料去除機(jī)理，加工過程的最佳參數(shù)等。McGeough 總結(jié)了當(dāng)前對工程材料微加工的一些認(rèn)識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)（參考書【2】），并且介紹了一些機(jī)械加工技術(shù)，這些技術(shù)已經(jīng)可以加工那些難加工的材料，如高分子聚合物、高硬度材料及陶瓷材料（參考書【3】）.
當(dāng)前對微磨粒噴射加工的研究集中在以下幾個(gè)方面上：微磨粒噴射加工機(jī)制的確定（參考書【4】【5】）；微磨粒噴射加工的加工特性（參考書【6】～【9】）；磨粒噴射加工機(jī)床的改進(jìn)和玻璃微加工工藝的轉(zhuǎn)換（【10】【11】）；技術(shù)趨勢和應(yīng)用案例研究（【11】～【15】）。許多試驗(yàn)正在進(jìn)行用以確定該加工技術(shù)的加工機(jī)制，并且基于這些試驗(yàn)的結(jié)果將微磨粒噴射加工技術(shù)引用到實(shí)例研究中。
本研究的主要目的是進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn),應(yīng)用微磨粒加工技術(shù)加工所需的孔型和線型微槽。為了達(dá)到目標(biāo)，磨削加工過程中最合適的掩膜條件是必須的，并且在精確地分析被加工槽的形態(tài)基礎(chǔ)上對加工微型槽進(jìn)行可行性分析。
微磨粒噴射加工的基本原理
微磨粒噴射加工的基本原理如圖1. 加工過程中，經(jīng)過壓縮的空氣或其它氣體帶動(dòng)微磨粒使其加速，空氣與磨粒的混合物以很高的速度（80-200m/s）和密度通過微小的噴嘴沖撞到硬脆的工件上。由于微磨粒噴射加工過程材料的去除是基于小裂紋擴(kuò)展、易碎材料剝落的模式，所以加工過程中被加工工件產(chǎn)熱少，碎片少，裂縫少，因此，這種方法非常適合硬脆材料（如玻璃，陶瓷，硅，及水晶等）的微型形狀（如槽，孔加工，坑槽等）的加工。加工后磨粒及碎屑的混合物被輸送到分離器中，分離器將磨粒和碎屑分開，磨粒循環(huán)利用。
圖1.微磨粒噴射加工的基本原理
根據(jù)Slikkerveer et al.提出的加工模式理論，當(dāng)一個(gè)尖銳的壓頭向下壓入到工件里面，由于壓力的作用，在壓頭的下面會(huì)形成塑性變形區(qū)域。塑性變形區(qū)域會(huì)隨著壓縮力的增大而增大，最后，徑向及橫向裂縫分別沿垂直和平行表面方向的形成。在一定程度上，切入深度的加大對加速材料去除方面起了關(guān)鍵作用。圖2展示了在壓頭作用下微裂紋的形成過程。
MAJM工藝參數(shù)的確定：
（1）.風(fēng)壓，時(shí)間和速度；
（2）.材料加工特性，磨料的尺寸和密度；
（3）.噴嘴處混合物的流量和頻率
（4）.噴射距離（噴嘴與被加工件的距離）
為了提高加工精度及加工效率，這些參數(shù)必須要合適的確定。
圖 2.微裂紋形成過程
注釋：Plastic zone→塑性變形區(qū)
Lateral crack→橫向裂紋
Radial/median crack→縱向裂紋
3.微槽的加工過程
利用MAJM加工微槽的總流程如圖3。如圖所顯示的，總的加工過程由下面三步組成：
（1）覆膜過程：覆膜過程是按MAJM所需要的條件準(zhǔn)備被加工件。干覆膜法被應(yīng)用在此過程，油膜厚度對加工孔型的結(jié)果和精確度都有影響。微磨粒噴射加工過程中，經(jīng)紫外線照射強(qiáng)化的聚氨酯被用作覆膜材料提供耐磨性。在本研究中，掩膜過程的應(yīng)用過程如下：
. 覆膜：將一層膜覆蓋在工件上；
. 曝光：平行的紫外線照射在被加工工件的覆膜上，以獲得所需形狀；
. 顯效：被加工工件利用由蒸餾水和濃度為5%的碳酸鈉溶液進(jìn)行顯影，最終，移走所需處理區(qū)域的覆膜就可獲得所需的形狀。
（2）微磨粒噴射加工加工工藝：此過程在微磨粒噴射加工機(jī)床上進(jìn)行，該過程是對已移除覆膜的區(qū)域選擇性的加工。
（3）移除覆膜，清洗工件：機(jī)械加工結(jié)束后，清除所有貼在工件表面上的覆膜，利用超聲波清洗裝置清洗工件。
圖3. MAJM過程的微模型
4.實(shí)驗(yàn)處理
4.1.覆膜工藝
在此次試驗(yàn)中，覆膜及曝光所用的設(shè)備型號分別為YH-6300TCL、YH-70908K，覆膜材料的型號為BF-405 (Ordyl,日本)。
要加工寬度為80微米的微槽或徑向尺寸為80微米的孔，確定合適的覆膜工藝參數(shù)是很重要的。在本次研究中，為了獲得最佳的覆膜效果，我們嘗試變換以下參數(shù)：
.玻璃的預(yù)熱溫度：為獲得最佳的粘著力，要給玻璃樣本預(yù)熱，預(yù)熱溫度分別設(shè)置為85，90，95，100和105?C；
.曝光量：曝光量參數(shù)設(shè)置為150和160 mJ；
當(dāng)實(shí)驗(yàn)中用覆膜（BF- 405），上述參數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)制造商的（Ordyl）的建議。
4.2.MAJM加工工藝參數(shù)
微磨粒噴射加工微槽的整個(gè)過程中，工藝參數(shù)如工件和噴嘴的距離、噴嘴內(nèi)經(jīng)、氣壓以及微磨料的流量都要保持不變。本次加工使用的磨料為WA型，如圖4. WA就是人造剛玉，它的主要成分為三氧化二鋁。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1.
圖4. WA#800 型磨粒的顯微圖(2000×)
表1
MAJM.工藝參數(shù)
噴嘴與工件距離
110mm
氣壓
0.25MPa
磨料型號
WA#800
噴嘴內(nèi)經(jīng)
8mm
氣體混合物流量
80 g/min
Y向進(jìn)給量
5 mm/s
4.3 .形狀測量
利用光學(xué)顯微鏡對加工結(jié)果進(jìn)行觀察研究，并分析加工微操的形狀。通過安裝在PC機(jī)上的CCD相機(jī)和圖像處理芯片(DT3153, 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)進(jìn)行必要的圖像保存及處理。并且測量過程會(huì)用到無測頭三坐標(biāo)測量儀及圖像處理程序?qū)ξ⒉蹆?nèi)尺寸進(jìn)行測量分析。
5.研究結(jié)果及分析
5.1覆膜工藝的結(jié)果
表2
覆膜工藝分析
85 ?C
90?C
95?C
100 ?C
105 ?C
150 mJ
線型
好
好
好
好
好
孔型
好
好
很好
差
差
160 mJ
線型
好
好
好
好
好
孔型
好
好
好
好
很好
根據(jù)加工工藝參數(shù)的變化，覆膜加工的效果也不盡相同，如表2.從表中可以看出，當(dāng)曝光量為160MJ時(shí)，覆膜效果普遍較好；然而，當(dāng)曝光量為150 mJ并且加熱溫度高于100℃時(shí)，覆膜效果卻非常差。
圖5. 孔型隨覆膜溫度的變化（150mJ）
圖5顯示了當(dāng)曝光量為150mJ時(shí)，隨著覆膜預(yù)熱溫度的不同，覆膜工藝效果的不同。正如圖上展示的，由于曝光不足，圖（c）和（d）的孔型要比圖（a）和（b）的黑。另一方面，當(dāng)曝光量為160mJ時(shí)，所有的覆膜效果都很好。
5.2.槽形效果
圖6反映了當(dāng)曝光量為150mJ時(shí)，微槽的加工效果隨溫度的變化。正如前面提及的，當(dāng)覆膜預(yù)熱溫度高于100℃時(shí)被加工的孔型比較差（圖6.（c）和（d））。當(dāng)曝光量為160mJ，加工的槽形很好，與預(yù)熱溫度的變化無關(guān)。
圖6.微槽形隨溫度的變化（150 mJ)
通過對光學(xué)顯微鏡觀察加工形狀的測量結(jié)果的分析，可以看到微槽的橫向尺寸比覆膜孔的橫向尺寸（80微米）大2-4微米。這種現(xiàn)象是由于MAJM加工過程覆膜孔邊界的磨損。
微槽的三維圖形被拍攝并被分析研究，如圖7. 槽的X方向橫斷面呈現(xiàn)“U”形，如圖8.。加工的孔型微槽的徑向尺寸及其深度分別為82.9微米和14.6微米，從測量結(jié)果可以看出加工微槽的中心區(qū)域在深度方向上會(huì)有起伏。導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因可能是（1）碎屑的控制難度增加；（2）隨著加工深度的增加微磨粒和氣壓的降低。
圖7.孔型槽
圖8. 孔型槽的橫斷面
圖9. 微槽的展示圖
圖9.展示了微槽的內(nèi)部形狀，為了計(jì)算其內(nèi)部實(shí)際的粗糙度把微槽內(nèi)部影響轉(zhuǎn)換到平面上。圖10.則描述了微槽中心線方向的粗糙度情況，其計(jì)算粗糙度為Ra=0.59微米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明采用微型磨料射流加工（MAJM）技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)微型模形的加工，并實(shí)現(xiàn)良好的表面質(zhì)量。
圖10.展開圖的橫切面
加工后的線型微槽的三維插圖如圖11.，橫截面剖面沿X和Y方向如圖12.所示。從圖中可以看出，微槽側(cè)視圖呈現(xiàn)U型形狀，正如孔型微槽的情況，由于MAJM的基本特性使之很難準(zhǔn)確地生成一個(gè)方形槽。所測最大寬度和深度分別為84微米和15微米，通過選擇合適的噴嘴掃射頻率可以獲得所需的微槽深度。圖 12（b）顯示微槽Y方向的側(cè)視圖（沿底線測量），這可被視為微槽底部的表面粗糙度。線型微槽的表面粗糙度測量值與孔型微槽的粗糙度值相近，為Ra=0.8微米和0.5微米。
從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，使用MAJM加工玻璃微圖形是有可能的。因此，這種加工技術(shù)可以有效地用于微機(jī)械和電子產(chǎn)品包括液晶顯示器件。
圖11 線型槽
圖12. 線型微槽的側(cè)視圖
5.3.噴嘴掃描頻率的影響
圖13.展示了噴嘴掃描頻率對加工線型微槽深度和寬度的影響。圖 13（1）顯示了曝光后寬度為60微米的線型圖案的標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。X方向側(cè)視圖的計(jì)算結(jié)果如圖12表示。從圖中可以觀察到因?yàn)樵黾恿藪呙钑r(shí)間的數(shù)量，微槽的深度和寬度都有所增加。并且加工深度與掃描頻率幾乎是成比例的，但是，微槽寬度的增加趨勢呈二次曲線。在使用MAJM加工的其它樣本曲線上同樣可以看到這樣的趨勢（如圖13（b）和（c）項(xiàng)）。
圖13. 噴嘴掃描頻率對微槽形狀的影響
在掃描次數(shù)的情況是固定的情況下，加工深度的增長率會(huì)隨著掩模的寬度而降低。這是因?yàn)椤氨笮?yīng)”[10]，掩模中線寬減少導(dǎo)致粒子的角度減少進(jìn)而造成這種效應(yīng)。另一方面，由于掩模寬度減少，加工槽寬度的增加越來越多。這種趨勢被認(rèn)為是掩膜磨損較小模式下的不準(zhǔn)確的曝光。正如進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，可以通過增加一些掃描次數(shù)增加加工深度，但是，加工寬度也大大增加。增加寬度基本上是由于掩膜的磨損。因此，為了獲得所需的寬度與深度;（1）掩模薄膜應(yīng)該有一個(gè)高耐磨的性能，（2）考慮到加工槽越來越大的寬度的影響，掩模模式應(yīng)小
6 結(jié)論
使用MAJM加工玻璃微槽，這一研究結(jié)果可以概括如下：
（1）當(dāng)暴露量為160毫，可以得到良好的掩模結(jié)果，與加熱溫度無關(guān)。此外，也可以獲得良好的加工結(jié)果。
（2）機(jī)械加工槽的側(cè)面輪廓顯示U型的形狀。因此，由于MAJM的基本特征很難準(zhǔn)確加工正方形凹槽。
（3）由于掩模薄膜和“爆炸滯后效應(yīng)”的限制，測量樣本的加工尺寸均略大于掩模模式。（4）測量孔型槽和線型槽的表面粗糙度 為0.8微米和0.6微米。（5）加工深度的增加的比列，與掃描次數(shù)增加的比例接近，但是，其副作用使寬度增加。
致謝
這項(xiàng)工作得到了韓國科學(xué)與工程基金會(huì)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持，批準(zhǔn)號R01 - 2001 - 000 -00257-0
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模具冷卻系統(tǒng)
注塑生產(chǎn)的基本原理是把高溫熔體注入模具型腔，熔體在型腔內(nèi)迅速冷卻到固化溫度，并保持一定形狀。由于模具溫度在一定程度上控制整個(gè)塑件的成型周期，因此（在生產(chǎn)中）非常重要。熔體在高溫模具內(nèi)流動(dòng)順暢，但固化塑件推出前，一定的冷卻階段是不可少的。另一方面，熔體在溫度較低的模具內(nèi)固化較快，但有可能造成塑件末端填充不滿。因此必須在這兩種對立的條件中選擇一個(gè)平衡點(diǎn)，以獲得最佳的生產(chǎn)循環(huán)。
模具的功能工作溫度與幾種因素有關(guān)，包括成型材料的等級和類型、熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)路線、塑件壁厚以及澆注系統(tǒng)長度等。使用比充模要求較高的溫度注塑比較有利，這樣生產(chǎn)的塑件熔接痕少、流痕不明顯，其它缺陷也較少，因此提高了塑件的表面質(zhì)量。
為了保持模具和塑料熔體之間所需的溫差，水（或其它液體）在模具上的通道或通孔中循環(huán)。這些通道或通孔稱為流道或水道，整個(gè)水道系統(tǒng)稱為冷卻循環(huán)系統(tǒng)。
在充模階段，溫度最高的熔體位于進(jìn)入口，即澆口附近；溫度最低的熔體位于距進(jìn)入口最遠(yuǎn)的地方。冷卻介質(zhì)在模具內(nèi)循環(huán)時(shí)，介質(zhì)溫度將升高。因此，為使塑件表面獲得均勻的冷卻速率，冷卻通道的入口應(yīng)設(shè)在高溫塑件附近，受熱后冷卻介質(zhì)溫度升高，出口開設(shè)在低溫塑件附近。然而由下面討論可知，這種理想狀態(tài)并不總是可行的。為避免不必要的模具費(fèi)用，設(shè)計(jì)者往往憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)冷卻通道。
冷卻水（或其它冷卻介質(zhì)）回路所需的部件在市場上就可以買到。這些部件通過軟管與模具直接連在一起，通過這些部件（形成的冷卻回路）模具溫度便控制在要求的范圍內(nèi)。但是，使用這種直接與冷水相連的冷卻回路是不可能精確地控制模具溫度的。
為模具提供適合的冷卻系統(tǒng)是設(shè)計(jì)者的責(zé)任。通常，最簡單的冷卻系統(tǒng)是在模板上縱向鉆出通孔。然而，對于精密模具，這不是最有效地冷卻方法。
然而，使用鉆孔的方式加工冷卻水道時(shí)，冷卻通道與塑件的距離一定不能太近（即距離小于16mm），如果距離太近，有可能引起整個(gè)型腔的溫度發(fā)生顯著變化，使塑件發(fā)生問題。
由于冷卻通道不能距離統(tǒng)一模板上任何其他的孔道太近，這使得冷卻回路的布局通常比較復(fù)雜?？梢韵氲侥０迳洗嬖诖罅康目椎阑虬枷荩脕戆惭b推桿、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、澆口套以及鑲件等。冷卻通道與其他孔道之間的安全距離為多遠(yuǎn)，很大程度上取決于所需的冷卻通道的鉆入深度。流道深度較深時(shí)，鉆頭有偏離預(yù)定加工路線的趨勢。常用的規(guī)則是鉆入深度達(dá)到150mm的冷卻水道與其它孔道距離不小于3mm，比這更深的流道所需的距離增加到5mm。
為獲得最佳的冷卻回路，設(shè)計(jì)初期就要考慮冷卻回路的位置不失為一種好辦法。其他模具零件，如推桿、導(dǎo)套等，根據(jù)需要確定安裝位置。
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