微細超音波加工技術的基礎研究

《微細超音波加工技術的基礎研究》是依託大連理工大學,由余祖元擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微細超音波加工技術的基礎研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余祖元

項目摘要

具有耐磨、耐蝕、耐高溫高壓的硬脆性材料，在微機電系統有著廣泛的套用前景。正是這些優異的特性造成材料的難加工性，使其高精度微細加工技術成為新的挑戰。本項目針對微細超音波加工硬脆性材料中存在的問題進行基礎研究。研究重點是工件材料去除機理、工件表面形成機理、微細工具的損耗機理和微細工具在加工中的動態特性，建立各種理論模型描述加工參數對加工性能的影響規律，提出工具損耗補償方法和參數的最佳化方案，並研製具有自主產權的微細超音波加工裝置。在此基礎上，套用工具均勻損耗法及其與CAD/CAM的集成，最佳化加工軌跡，實現高效、高精度任意三維微細形狀的微細超音波加工，為微細超音波加工技術的套用提供理論和技術支撐。

結題摘要

具有耐磨、耐蝕、耐高溫高壓的硬脆性材料，在微機電系統有著廣泛的套用前景。正是這些優異的特性造成材料的難加工性，使其高精度微細加工技術成為新的挑戰。 本項目研製了微細超音波加工裝置，具有微細電火花和微細超音波加工功能。由XYZ工作檯、微細工具線上製備單元、加工力檢測和加工狀態線上檢測等模組或單元構成。可以在矽片上加工直徑18微米的圓孔和邊長為28微米的方孔。 本項目針對微細超音波加工硬脆性材料中存在的問題進行了大量的基礎研究。針對工件材料去除機理和工件表面形成機理的研究，確認了磨粒在超音波振動下衝擊硬脆材料表面，造成材料破裂、剝離式微細超音波材料去除的主要原因；同時，在一定條件下，存在塑性加工，並通過表面粗糙度Ppk值，判斷是否存在塑性加工。針對超音波加工中的磨粒在懸浮液中的運動，通過模型進行仿真進行了受力分析，對於加工表面的凸凹形狀的形成，進行了定性分析。針對微細超音波加工中的工具損耗問題，確認了在微細超音波加工中，工具損耗屬於低周疲勞損耗，建立了相應的理論模型，預測微細超音波加工中的工具損耗，大多數誤差小於10%，並對較大誤差進行了分析，確認了測量誤差及磨粒在實際加工中的數量是造成較大誤差的主因。對於加工力的控制，採用積分分離PID控制系統，使得加工力的波動範圍減小了60%以上，加工效率提高了10%以上。在此基礎上，套用工具均勻損耗法及其與CAD/CAM的集成，最佳化加工軌跡，實現高效、高精度任意三維微細形狀的微細超音波加工。