普通本科畢業(yè)設(shè)計(jì)英文翻譯學(xué) 院： 職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院專 業(yè)：班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：姓 名：指導(dǎo)老師：年三月機(jī)械科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào) 21（2007）1452-1455在級(jí)進(jìn)模具中微小壓力成形與微小零部件的裝配進(jìn)模具中 Ming Yang':“, Ken-ichi Manabe/ and Kuniyoshi Ito 3日本東京都立大學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院，日本東京都立大學(xué)理工學(xué)院研究科，日本東京東南證券公司， 2007 年 5 月 31 日收到的手稿；2007 年 8 月 30 日修訂；2007 年 9 月 30 日受理摘要微小壓力成型與加工裝配技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展并應(yīng)用到材料零部件的加工中。此技術(shù)是基于高能量的條件，例如離子和短脈沖激光的發(fā)展用于制造微米級(jí)的模具特征和毫米級(jí)的表面處理。除此以外，DLC 包絡(luò)模具表面是為了提高磨損抵抗力和減小摩擦力。所以一個(gè)直徑是 0.2mm 的微小齒輪可用薄板材料加工得來(lái)的。此外，一個(gè)精確級(jí)進(jìn)模具在微米壓力系統(tǒng)的條件下由三個(gè)單元零部件裝配而成。結(jié)果顯示對(duì)于微小裝置的加工裝配而言微米材料的成型可能是一個(gè)新的技術(shù)，比如，微型機(jī)電系統(tǒng)，低成本、大批量的生物芯片。1. 引言進(jìn)十年來(lái)微型機(jī)電系統(tǒng)和生物芯片引起了人們的注意。這些微型裝置主要是由硅和玻璃組成的，并且是由微型加工技術(shù)制造的，通常這些加工成本是很高的。因此用微型機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)把它固定在低低的制造成本是一個(gè)重要的問(wèn)題。由于微型加工技術(shù)是基于光刻加工功能在 2 個(gè)維度或 2.5 個(gè)維度間，因此微型機(jī)電系統(tǒng)只能用致密結(jié)構(gòu)的脆性材料。相反材料有延展和傳導(dǎo)的性能所以微型機(jī)電系統(tǒng)的制造是基于在高強(qiáng)度柔性材料的結(jié)構(gòu)成型可能有更多的自由性。另一方面，材料成型在毫米級(jí)或者微米級(jí)方面也變成了一個(gè)很重要的課題針對(duì)于結(jié)構(gòu)零件微小的音頻電視和信息技術(shù)設(shè)備。 作者已經(jīng)找到了一種新的微型金屬成型技術(shù)，微小的零部件是通過(guò)精密沖壓成型和自動(dòng)化裝配過(guò)程在級(jí)進(jìn)模中進(jìn)行的。有一些種類的薄板金屬在模具中通過(guò)流水線幾步同時(shí)成型，并且在級(jí)進(jìn)模中同時(shí)裝配零部件。我們也曾經(jīng)介紹過(guò)高能量光束用到只有幾個(gè)微米特征的微型模具的加工中，并且使用 DLC 技術(shù)在模具成型表面覆上薄膜為了提高模具的磨損抵抗性能。在這個(gè)研究中，我們嘗試著去發(fā)展幾種用來(lái)打孔和深度拉伸的模具，并且在級(jí)進(jìn)模中利用壓力成型生產(chǎn)一些微型的零部件。2．為制造 MEMS 微沖壓成型沖壓成型是金屬成型過(guò)程的重要之一，在沖壓機(jī)床上用來(lái)制造復(fù)雜的零件。通過(guò)沖壓成型的很多零件被用到音頻電視和信息技術(shù)設(shè)備上這些年來(lái)這些特別零件變得越來(lái)越小。而且，微型機(jī)電系統(tǒng)和生物芯片是由一個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)結(jié)構(gòu)部件或者一個(gè)有發(fā)雜結(jié)構(gòu)的部件組成的。使用沖壓成型制造一些毫米級(jí)的零件/部件在以后的一些年可能是重要的問(wèn)題。毫米級(jí)成型零件的問(wèn)題有：(1)毫米級(jí)模具的新的制造方法的發(fā)展和改革，(2)模具的表面處理是為了保護(hù)模具的磨損和破壞，(3)發(fā)展并且改革具有良好地紋理的金屬材料，(4)微型零件的處理和裝配。在這個(gè)研究中，我們推薦一個(gè)微型制造系統(tǒng)，通過(guò)在多工步中使用沖壓成型制造多個(gè)微型零件并且在級(jí)進(jìn)模中將這些零件裝配成一個(gè)部件件。圖片 1 展示微型制造系統(tǒng)的設(shè)想。幾種材料被應(yīng)用到級(jí)進(jìn)模具中通過(guò)幾個(gè)工步流水線各自同步地成型，并且在同一副模具中裝配到一起。因此當(dāng)一次沖壓成型完成一個(gè)零部件也就制造出來(lái)了。為了建立微型制造系統(tǒng)，在尺寸和校準(zhǔn)方面保證模具的每個(gè)元件的精度是具有挑戰(zhàn)性的。這個(gè)問(wèn)題有如下幾條：(1)對(duì)小于 20 微米的特征模具建立新的方法制造和評(píng)估，(2)保證尺寸和裝配的誤差小于 1urn，(3)用于防止模具磨損和退化的表面處理以及無(wú)潤(rùn)滑劑的工藝，(4)裝配前去除大于微米的毛刺，(5)壓力機(jī)的小型化和數(shù)字化，減少加工過(guò)程中的垂直和水平位置誤差。微型模具的制造方法在幾十微米尺寸大小和裝配系統(tǒng)的沖壓成型過(guò)程設(shè)計(jì)在第 3、4 章節(jié)會(huì)專門的討論。圖 1 級(jí)進(jìn)模沖壓成形及裝配過(guò)程示意圖。3.微模具制造3.1 通過(guò)結(jié)合機(jī)器和高能量的光束的微型模具的制造方法在級(jí)進(jìn)模具這里將介紹短波長(zhǎng)激光束和離子束等高能光束在微米量級(jí)微模具制作中的應(yīng)用。短波長(zhǎng)激光束，它被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體的加工過(guò)程中，具有去除幾微米和納米材料的能力，而傳統(tǒng)加工過(guò)程形狀特性通常以亞毫米為單位。在這里,我們提出了一個(gè)結(jié)合制造加工和高能離子束方法來(lái)制造微型模具，通過(guò)激光加工處理模具的大致輪廓和較小的特征，然后通過(guò)離子束處理亞微米形狀或納米級(jí)表面光潔度。圖片 2 展示了使用結(jié)合加工的方法用微型模具對(duì)齒輪形狀打小孔的照片。這個(gè)微型齒輪有一個(gè)直徑為 200um 的斜圓，并且有 20 個(gè)組件。在機(jī)器加工圓孔形狀后，這個(gè)齒輪有大約 20um 的特征是用短脈沖激光和微型釋放電流的組合加工方法，此外，離子放射被用來(lái)去除主要邊緣的痕跡和微裂紋。模型制造和表面完成的細(xì)節(jié)在我們先前的工作中出現(xiàn)過(guò),放射后打孔的表面看上去粗糙度有所改善， 。對(duì)微型模具而言，改善表面粗糙度的和機(jī)械性能的重要性是為了減少由于應(yīng)力集中地增加而對(duì)模具造成的磨損和破壞。圖 2。用離子束照射（800 V，1.65 RNA，i HR，入射角 45 度）處理微型齒輪沖頭。3.2 利用離子 DLC 在模具表面覆上薄膜作者還在模具上涂了 DLC 膜，以減少摩擦和防止磨損，保護(hù)模具，金屬在微成形時(shí)，在模具前緣上將承受更大的壓力，因此 DLC 涂層的損壞，將使模具更易磨損或折斷。作者評(píng)估 DLC 涂層的機(jī)械和粘接性能絕對(duì)與應(yīng)力/應(yīng)變的集中，通過(guò)使用納米壓痕試驗(yàn)，摩擦性能取決于尺寸，通過(guò)使用微彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明，DLC 膜涂在特定條件下可以承受的平均應(yīng)力高達(dá) 10GPa 無(wú)脫層或破損;DLC 膜具有較大的硬度和彈性模量表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐磨特性，但更容易脫層;相反，DLC 膜與較小的硬度和彈性模量，表現(xiàn)出較強(qiáng)的粘合強(qiáng)度與基體，但容易磨損。從磨損試驗(yàn)的結(jié)果，與 DLC 膜通過(guò)結(jié)合不同的涂層的梯度性能條件可以是有效的，既耐磨和降低摩擦。在這項(xiàng)研究中，兩層的 DLC 膜涂布在基材上的摩擦學(xué)屬性的膜進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖. 3.示出 DLC 膜的梯度性能的結(jié)果。它似乎有更大的不易觀察的損壞在 超過(guò) 50000 次沖壓后的模具半徑為 600um。結(jié)果表明，在 DLC膜與梯度性能是可行的為實(shí)際生產(chǎn)。圖.3. 觀察多層 DLC 膜的沖擊測(cè)試后，在經(jīng)過(guò) 5,000 次沖擊 DLC 薄膜在基板上 I00um（左）和 DLC 膜 50,000 沖擊后在基層的半徑為 600um（右） 。多層 DLC 膜頂層 DLC 膜（-1.0Kv） 高硬度和彈性模量次層 DLC 膜（-3.0KV）低的殘余應(yīng)力，低模量圖 3。觀察多層 DLC 膜摩擦磨損試驗(yàn)后；在一百甕半徑 5000 次后襯底DLC 膜（左）和在 600 毫米半徑 50000 次后襯底 DLC 膜（右） 。4．單一零件和單元零部件的沖壓成型4.1 小型沖壓機(jī)器的發(fā)展一個(gè)微型沖壓機(jī)床工作臺(tái)大小的發(fā)展是為了沖壓成型和裝配微小的零件。圖片 4 顯示了一張關(guān)于機(jī)床和其規(guī)格的照片，壓力的驅(qū)動(dòng)是由伺服馬達(dá)準(zhǔn)確控制的，機(jī)床可能在加工的期間同時(shí)從三個(gè)方向送料。類型：S-23 臺(tái)式伺服壓力機(jī)最大壓力 23KN、最大速度 500 次每分鐘，最大行程：15mm，滑動(dòng)調(diào)整 15mm，高度：100mm尺寸：寬 340 x 直徑 330 x 高 545 圖 4。微型臺(tái)式伺服壓力機(jī)及其規(guī)格。4.2 微型零件的制造執(zhí)行兩個(gè)工步的孔加工制造一個(gè)有集中孔的微型齒輪是通過(guò)使用微型制造系統(tǒng)加工的。在這種情況下模具的元件校準(zhǔn)和材料的送料位置在每個(gè)工步都是非常重要的。圖示 5 是展示齒輪規(guī)格的照片。成功地制造齒輪并且圓度誤差大約是 3um，這種情況下加工速率是 60spm.圖 5。微齒輪的照片圖像及沖壓成形模具。4.3 制造單元零部件使用微型沖壓成型系統(tǒng)執(zhí)行一個(gè)單元零件的制造。一個(gè)單元零件被設(shè)計(jì)成一個(gè)樣本在圖片 6 中顯示。兩個(gè)可移動(dòng)部件和一個(gè)底座在同一副級(jí)進(jìn)模具中沖壓成型并且裝配在一起?？梢苿?dòng)的部分被被銷子釘在底座上，并且可以圍著這個(gè)銷轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)過(guò)程包括穿孔，彎曲，做記號(hào)，釘住等等。這個(gè)過(guò)程有 5 步形狀功能元件的鉆孔，尤其還有 10 步底座的打孔和成型，還有 4 步在這種條件下將它們裝配在一起運(yùn)行。圖片 7 顯示的是這個(gè)過(guò)程的加工結(jié)果。這個(gè)結(jié)果顯示在級(jí)進(jìn)模具中使用沖壓成型成功地制造單元零件。例如像這些微型機(jī)械電鍍系統(tǒng)、生物芯片等的微型裝置的制造重要問(wèn)題之一是操作和裝配這些零件。在級(jí)進(jìn)模中自動(dòng)化操作和裝配顯示有很高的潛能通過(guò)使用微型沖壓成型微型的功能裝置。零件圖 擴(kuò)張圖尺寸直徑：齒頂 0.24 毫米齒根 0.18 毫米孔 0.10 毫米厚度 0.01 毫米材料 SUS304CSP-H 微型齒輪圖級(jí)進(jìn)模圖 6。沖壓成形模及零件的設(shè)計(jì)圖。5．結(jié)論研制了一種用于級(jí)進(jìn)模的微壓成形和自動(dòng)裝配工藝，并應(yīng)用于微型單體零件的制造。高能量光束被計(jì)劃用到具有幾個(gè)微米特征的模具制造和用 DLC 技術(shù)給模具表面覆上一層薄膜來(lái)提高模具的磨損抵抗力中。幾種被發(fā)展的模具制造技術(shù)被用到微型金屬零件的沖壓成型中。利用穿孔加工來(lái)制造微型齒輪。此外，利用沖壓成型和自動(dòng)化集成加工來(lái)制造具有只有部件的單元零件。致謝作者要感謝日本經(jīng)濟(jì)，貿(mào)易和工業(yè)部支持這項(xiàng)工作。參考書(shū)[1] Y. Saotome，玻璃金屬在微機(jī)械中的應(yīng)用 [J].材料科學(xué)。Eng. 39（4）（2002）138-14[ 2 ] Y. Saotome，微型零件的工藝和納米尺度的模具工藝，J ToolingEng。 43（13） （2003）84-89。[ 3 ] M. Yang，S. Nakano，K. Manabe ，K. Morikawa，K. Ito ，H. Saito，K. Fuchigami，Yokoi，微成形工藝的 MEMS 制造，proc.icnft。 （2004）135-140。[ 4 ] K. Fujimoto，M. Yang，M. Hotta，H. Koyama，S. Nakano，K. Morikawa，J. Caimey，微成形中微尺度模具制造，材料加工技術(shù)雜志。177（1-3） （2006）多個(gè)。