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精密沖壓成型和自動(dòng)化裝配過程在級(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程的重要之一，在沖壓機(jī)床上用來制造復(fù)雜的零件。通過沖壓成型的很多零件被用到音頻電視和信息技術(shù)設(shè)備上這些年來這些特別零件變得越來越小。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題。毫米級(jí)成型零件的問題有：(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程示意圖。3.微模具制造3.1 通過結(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)體的加工過程中，具有去除幾微米和納米材料的能力，而傳統(tǒng)加工過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制造微型模具，通過激光加工處理模具的大致輪廓和較小的特征，然后通過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,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，通過使用納米壓痕試驗(yàn)，摩擦性能取決于尺寸，通過使用微彎曲試驗(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 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 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)過程包括穿孔，彎曲，做記號(hào)，釘住等等。這個(gè)過程有 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。利用穿孔加工來制造微型齒輪。此外，利用沖壓成型和自動(dòng)化集成加工來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[1] Y. 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