微细超声波加工材料去除模式判别标准的验证

摘要

近年来，随着微电子机械系统(Micro-electromechanicalSystem，MEMS)在航天工业，集成电路，电子计算机，生物医药等领域的广泛应用，微细加工技术也得到了极大地发展。与其他微细加工技术相比，微细超声波加工（MicroUltrasonicMachining，MUSM）在加工硬脆性材料（如硅，陶瓷，玻璃等）方面具有很大优势。因为其不依靠被加工材料的导电性，可以加工大深宽比的复杂三维结构，被加工表面没有热影响区域和残余应力。基于这些特点，MUSM在微细加工领域正得到越来越广泛的关注。
　　与任何加工相似，表面粗糙度是评价加工质量的一个非常重要的参素。在MUSM中，加工后的表面粗糙度与材料去除模式密切相关，因此非常有必要定量研究加工条件与材料去除模式的关系。
　　前人研究中提出了使用粗糙度Rpk和单个磨粒所受冲击力fmax作为MUSM材料脆塑性去除模式的判别标准。但该判别标准是从大量的无系统性的实验结果中统计出来的，实验参数有限（如加工液浓度只为3％一个值），实验的加工力设定无系统性。本文为了验证其适用性，通过扩大实验参数范围（如将加工液浓度设置为5％和3％），系统地设定加工力并加以控制从而逆向证明该标准的适用性。
　　本文基于LABIVEW编写了微细超声加工的机床控制程序，该程序具有制备微小工具，超声钻孔、振幅探测和数据储存等功能。
　　由于MUSM单个颗粒所受冲击力fmax是由加工过程中的平均力计算而来的，因此验证实验中需要控制加工平均力等于设定力，即控制加工力使其相对于设定力的平均偏差尽量小。本文对比了PID控制方法和二位控制方法的控制效果，实验结果显示PID控制方法能够更好地减小平均偏差;和二位控制相比，能将平均偏差降低24％以上。
　　本文根据前人的判别标准，分别在脆性、塑性和脆塑转变3种模式下各选择2个磨粒冲击力作为设定力，并选用2种磨料浓度、3种磨粒半径，进行了不同参数下的系列实验。在实验中使用PID控制方法来控制加工力从而使加工中单个磨粒冲击力等于设定的磨粒冲击力，并对比实际加工结果和根据该判别标准所预期的结果来反向验证MUSM材料去除模式的判别标准。结果显示，87％的实验结果符合该判别标准。由于验证了前人提出的MUSM判别标准的适用性，在今后的MUSM实验中则可以使用该标准来指导实验来提高微细超声加工的表面质量。