微细辊对平板辊压成形工艺建模与尺度效应分析

带有功能性表面微细结构特征的金属构件在诸多领域得到越来越多的应用。当微细特征的尺寸小于1 mm时,成形模具的模腔几何尺寸和材料的晶粒尺寸决定着金属材料的流动行为,微特征的成形质量受到尺度效应的严重影响。传统的工艺设计方法难以有效指导微细成形工艺参数的设计。研究一种高效的金属构件表面微细结构加工方法——微细辊对平板(Roll-to-plate,R2P)辊压成形工艺。针对不同晶粒尺度的铜试样,研究晶粒尺度对材料力学性能的影响规律;构建R2P微细辊压成形工艺仿真模型,分析辊压模腔尺寸、材料晶粒尺寸等工艺参数对微特征成形质量的影响规律;基于自主开发的R2P微细辊压成形原型系统,进行辊压成形试验研究,验证仿真预测模型的有效性。研究结果显示,在模腔几何尺寸中,模槽宽度对材料的流动行为有着显著地影响。而且,不同的晶粒尺寸也显著影响着微特征的形成过程。     

介观尺度微型铣床开发及性能试验

针对微机电系统(Microeletro mechanical system, MEMS)技术和超精密加工技术局限,开展面向介观尺度微细铣削技术的研究。首先根据介观尺度铣削的加工特点,对其机理研究的关键问题进行详细的分析和讨论,提出微细铣削理论的研究重点及研究方法。然后在分析微细铣削成形条件和加工要求的基础上,开发微型铣床系统,并对系统各组成子系统及性能指标进行描述。最后开展机床加工性能评估试验,通过精度测量、误差分析和误差补偿提高工作台的定位精度达到1.62 μm,采用直径0.127 mm铣刀开展微铣削试验,通过表面粗糙度测量和同心圆切削试验评估机床的加工精度,在此基础上通过复杂零件加工实例进一步说明机床的加工能力,论证小型化机床加工技术的可行性和实用性。     

基于尺度效应的介观尺度零件多工位制造误差建模与分析

针对介观尺度零件制造过程中的加工精度控制问题,提出包括尺寸误差传递模型、多元统计过程控制和误差源诊断的加工精度控制体系,为精密微小零件多工序数字化制造提供了技术基础。通过研究介观尺度零件的特点及其在切削加工中的特性,提出基于微细切削尺度效应的工件变形和刀具变形引起的加工误差模型,构建了介观尺度零件尺寸误差传递的状态空间模型;在此基础上提出集成尺寸误差模型和多元统计过程控制的质量监控策略以及基于协方差分析的误差源诊断方法,实现了对介观尺度零件加工误差的诊断与加工精度的控制。以不锈钢工件微细槽铣削加工为例,验证了模型的有效性和可行性。     

微结构模芯的精密磨削及其在微注塑成形中应用

针对微结构聚合物元器件的批量化生产与制造效率低等问题,采用精密修整成V形尖端的金刚石砂轮,在自润滑性和脱模性良好的钛硅碳陶瓷模芯表面加工制造出形状精度可控的V沟槽阵列结构,然后利用微注塑成形工艺将模芯表面的V沟槽阵列结构一次成形复制到聚合物表面,高效注塑成形制造出倒V形阵列结构的聚合物工件。分析了微模芯的表面加工质量与形状精度,研究了熔体温度、注射速度、保压压力、保压时间等微注塑成形工艺参数对微结构聚合物注塑成形角度偏差和填充率的影响。实验结果表明：通过微细磨削加工技术和微注塑成形工艺可以高效率、高精度地制造出规则整齐的微结构注塑工件,注射速度对微成形角度偏差的影响最大,保压压力对微成形填充率的影响最大,微结构模芯的微细磨削形状精度值为4.05 μm,微成形的最小角度偏差和最大填充率分别为1.47°和99.30%。     

微挤压成形工艺仿真建模与分析

微细成形是一种绿色、节能的新型加工方法，但是由于微细成形的特殊加工条件和状态，传统的加工方法已经不能直接应用到该领域。针对重要的微挤压成形工艺特点，分析了特征尺度效应和晶粒尺度效应对微挤压材料成形性能的影响，引入尺度效应影响的刚塑性材料本构模型，利用ABAQUS／Explicit软件建立FEM（finite elementmethod）模型对微细挤压工艺进行了数值分析。通过工艺仿真分析，揭示了各工艺参数对微细挤压工艺的影响，为微细挤压工艺设计与相应的模具设计提供了可靠的理论指导。     

超声能场在金属微/介观成形中的作用理论及实验研究

正产品微型化和集成化的发展趋势,极大地增加了对微小型金属零件和微/介观制造技术的需求。微/介观金属成形技术为微小型金属零件的大批量、高效率的制造提供了解决方案。然而,将传统金属成形技术缩小至微/介观尺度所带来的尺度效应导致了金属成形性下降和工件表面质量下降等问题,制约了微/介观成形技术的发展。利用超声振动在金属成形过程中所具备的体积效应和表面效应,在微/介观成形中施加超声振动有望解决上述问题。为此,本文结合国家自然科学基金重点项目(项     

小型数控微细铣床的研制及铣削试验研究

总结了现有微小零件加工技术的局限性,阐述了微细铣削加工的优势,并自主构建了一台适于微小零件制造的小型三轴数控微细铣床,铣床本体尺寸为400mm×400mm×260mm,工作空间为50mm×50mm×50mm。介绍了组成微细铣床的六大子系统的性能,对微细铣床系统进行精度测试,该铣床的定位精度达到1μm,满足微细铣削加工的精度要求。使用硬铝LY12进行微直槽及薄壁、微同心圆槽的铣削加工试验。加工试验结果显示:该微细铣床已经具备加工介观尺度的高深宽比微小零件的能力。     

介观尺度切削无氧铜本构模型建立与仿真

微细加工会产生介观尺度下的尺度效应,应用基于位错机制的应变梯度塑性理论,考虑材料的微观结构特性,建立介观尺度下的材料本构模型,可解释微细加工中产生的尺度效应现象。对理论推导出来的介观尺度下的材料本构模型进行分析研究,得到不同切削条件下的应力-应变曲线及仿真结果。研究表明,随着切削厚度的不断增加,材料的应力-应变曲线会逐渐趋向于宏观切削时的应力-应变曲线。当刀具的前角不断增大,材料的应力会随之增加,即材料所表现的尺度效应会更加明显。刀具的前角对于切屑的形成也会产生很大的影响,当刀具前角较小时会更有利材料在前刀面堆积而形成切屑。刀具切削刃半径是微细加工中最小切削厚度现象产生的根本原因。随着刀具切削刃半径的减小,材料所表现的尺度效应也更加明显。     

印刷电路板超细微孔钻削加工及其关键技术

基于PCB板业的发展现状,全面阐述了PCB板孔加工的基本情况,分析了国内外在PCB微机械加工的加工过程、钻削力与加工质量、钻头设计、钻头磨损与折断、机械钻孔孔位精度与机床动态性能等方面的研究现状。指出超微细孔其钻削加工尺寸属于介观尺度,多层PCB基材材料性能呈非线性且各向异性明显,钻刃磨损规律及刀具失效形式较为复杂,加工质量评价体系特殊等加工特点。提出目前亟待研究的关键理论问题包括PCB钻削去除机理、钻头失效机理、表面创成过程建模与质量控制、钻削系统工艺优化、钻头的优化设计与制造等方面。     

微纳结构飞切加工与表面结构色调控

当微纳结构尺度与可见光波长尺度接近时,在白光照射下将产生特定的结构色,颜色鲜艳亮丽。结构色的色彩特性由微纳结构形状特征和周期尺度决定,其颜色鲜艳程度和亮度由微纳结构形状精度和表面质量决定。提出了一种微纳结构轴向进给飞切加工方法,通过在磷化镍（Ni-P）材料表面高效率高精度加工出微纳米尺度的"梭形沟槽",其单元特征尺寸为200～1 000 nm、表面粗糙度为7～10 nm,实现了结构色微纳结构单元和色彩特征调控;并通过加工轨迹规划和工艺参数调控,实现了结构色像素单元与单元之间的无缝拼接,最终形成大面积结构色图案的制造与调控。本技术将在结构色滤光、微纳仿生结构以及功能表面等方面中产生巨大的应用价值。     

H62黄铜微成形镦粗实验研究

微成形是微细加工技术（microfabrication technology）群体中的一项技术。研究表明：零件微型化导致了尺寸效应，使传统的塑性加工工艺不能直接应用于微成形，尺寸效应阻碍了微成形的产业化。现通过对H62黄铜的微成形镦粗实验初步验证了由于尺度效应的影响，随着样件尺寸的减小，流动应力也呈现减少的趋势。     

微结构表面精密磨削技术及其功能特性开发

针对单晶硅、光学玻璃等硬脆性材料的微结构形状精度难控制的问题,开发出微磨削技术。它是利用金刚石砂轮微细尖端,控制尖端形状及其表面的微磨粒出刃形貌,在硬脆性材料表面加工出微沟槽结构阵列。为了探索其功能特性,微磨削结构表面分别被用于薄膜太阳能电池、单晶硅芯片和石墨叶片的基板表面,然后测试和分析其光伏特性、湿润性和油泵效率。加工结果表明,微磨削技术可以加工出高精度且光滑的微结构表面。应用发现,微透镜结构的薄膜电池可在弱光散光下产生较高的转化效率和填充因子,可以在无太阳照射下发电。当硅晶片表面被加工出微沟槽结构时,较大深度会导致较大的液滴接触角,而且,微沟槽结构梯度表面会产生前后接触角差,可用于控制液滴的微运动。在油泵中,当叶片微结构深度从500 m开始减小到100 m时,油泵的工作效率会逐渐增大,最后大于传统油泵的工作效率。因此,高精度且光滑的微结构表面可以产生更高附加值的功能特性。     

微电子机械系统的力学特性与尺度效应

针对微电子机械系统（MEMS）材料的力学特性,工艺过程对力学特性的影响以及微执行器、微机器人的尺度效应等力学问题进行了研究。从力学角度提出了硅和常用的薄膜材料作为MEMS结构材料时应遵循的设计和加工原则,并系统地分析、归纳了静电、电磁、压电、形状记忆合金等各种微执行器的尺度效应特征。通过对机器蚂蚁、微型飞机、微型机器鱼等微机器人在微尺度下的动力学特性分析,得到微机器人在尺寸越小时越容易被驱动的结论,为设计和制作微机器人等复杂微系统提供了理论依据。     

多工位组合电极电火花成形微凹槽结构

针对具有复杂微尺度凹槽结构的高硬度模具钢型腔难以加工的难题,提出了一种多工位组合电极电火花成形的新方法。以某种聚合物微流控芯片模具型腔为研究对象,选用NAK80模具钢为型腔材料,铜钨合金(W75%)为相应的微凸起结构电极材料并经由高速铣削加工。为降低加工难度及保障加工质量,对复杂微凸起结构进行分解,形成2组4工位组合电极;采用周铣、端铣交替进行的工艺使微凸起上表面的毛刺连续发生塑性变形从而减小和去除微凸起结构顶端的加工毛刺。最后,利用制备好的多工位组合电极,采用变换工位代替更换电极的加工方式,通过精密电火花成形,依次完成粗、半精与精加工。结果表明:加工的凹槽侧壁与底面垂直度较好,宽度、高度误差在3μm以内,根部圆角在15μm以内,可以满足成型聚合物微流控芯片的使用要求。     

微槽激光电解组合微加工研究

微槽结构作为微型结构的基本单元,具有增加散热面积、存储润滑剂和减少阻力等功能,多用于大热流密度器件的散热或表面润滑,但其存在加工尺寸小、精度要求高以及加工难度大等问题。为了实现微槽的高效高精度加工,提出了一种激光电解组合微加工方法,并搭建了纳秒激光加工装置和数控微细电解加工装置;利用激光烧蚀快速加工出微槽结构的基本形貌,再通过微细电解的方式去除其表面再铸层及飞溅颗粒,提高其表面精度和表面性能。通过理论研究以及优化加工参数试验,加工出长度为400μm,宽度为220μm,深度为120μm的微槽结构。激光电解组合微加工微槽的表面粗糙度由激光加工后的Ra 5.36μm降低至Ra 1.23μm;激光电解组合微加工的加工效率是微细电解加工的4.26倍。     

微流控芯片模芯的精密铣磨加工及其微注塑成形技术

为降低微流控芯片的大批量生产制造成本,保证微尺度流道结构的表面质量和形状精度,提出采用超硬立方氮化硼(CBN)磨棒在模具钢模芯表面精密铣磨加工制造出形状精度可控的微凸起阵列结构,然后利用微注塑成形技术高效成形制造出具有微凹槽阵列结构的聚合物微流控芯片.分析了铣磨加工工艺参数对微结构模芯表面质量的影响,通过试验和数学统计...     

微细加工技术

微细加工原指加工尺度约在微米级范围的加工方法。在微机械研究领域中,微细加工是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通称。广义上的微细加工,其方式十分丰富,几乎涉及现代特种加工、高能束加工等方式。而微机械制造过程又往往是多种加工方式的组合。 从基本加工类型看,微细加工可大致分四类：分离加工;接合加工;变形加工;材料处理或改性和热处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电路的加工制作,正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术和产业蓬勃兴起。目前微细加工技术已逐渐被…     

微细光成形和LIGA工艺集成的可行性分析

微机电系统的发展，对微细加工技术提出了更高的要求。目前常用的微细制造技术本质是基于掩模光刻的二维半微加工技术，难以进行真三维结构的制造。对单光子和双光子微细光成形技术的成形原理、加工分辨能力进行分析和实验研究，将其与微细电铸等工艺集成，提出一种能实现真三维制造的、具有不同应用材料的微细加工新方法，并从原理上验证了两者集成的可行性，为后续研究奠定了基础。微细光成形与微细电铸集成工艺技术为进一步拓展微细制造技术提供了新途径。     

微细电加工增效关键技术研究

微细电加工技术已成为解决介观尺寸范围内的导电材料的精密加工问题的重要工艺手段,但该技术目前的综合加工效率较低,使其难以满足当前大量微细加工的高效需求,主要原因包括:电极损耗快导致其需要反复修整、脉冲能量需要与加工精度和表面质量匹配导致脉冲能量受限。对此,围绕提升微细电加工效率,从并行加工结构、高频脉冲电源、电极在位制备和多工艺集成等多方面提出了多项关键措施,通过加工验证实验,使现有的微细电加工效率具有较明显的提升。     

钛合金介观尺度铣削表面粗糙度特征分析及工艺优化EI北大核心CSCD

为提高钛合金介观尺度铣削加工表面质量,以主轴转速、每齿进给量、轴向切削深度为主要研究因素,对介观尺度铣削表面粗糙度特征进行了分析,优化了工艺参数。考虑到介观尺度铣削加工的间断性切屑形成和单齿切削现象,分析了刀具转角与切削厚度及累计弹塑性变形次数的对应关系。在此基础上,设计了正交实验,将铣削表面划分为逆铣区域、中间区域和顺铣区域,通过方差分析确认每齿进给量是介观尺度铣削表面粗糙度最重要的影响因素。采用田口方法分别对局部区域加工工艺参数进行优化。实验结果表明,相对于中间区域,逆铣区域和顺铣区域弹塑性变形更频繁,表面粗糙度更高,以逆铣区域或顺铣区域表面粗糙度为优化目标时的优化效果更好。