薄板驱动器激光微矫形双变形机理与工艺规划研究

针对微机电系统精密装配的精度控制需求，基于激光热变形原理，以双桥薄板驱动器为对象，利用理论分析、数值模拟和实验研究手段，开展驱动器激光微矫形的基础理论与技术方法研究。通过建立考虑材料尺度效应的本构方程，构建激光微矫形的混合单元数值模型，实现热变形的高效精确预测；结合正交试验，分析加工工艺参数对驱动器变形的影响规律，探索弯曲变形和板内变形的耦合关系，建立工艺参数与两种变形的关系描述模型，揭示激光微矫形的科学实质；根据空间运动规划理论和加工工艺数据库，建立驱动器激光微矫形的加工工艺规范，实现高效高精度的位置控制，为微机电系统制造提供理论基础和技术支撑。通过本项目的研究，可以掌握驱动器激光微矫形的变形准则和工艺方法，提高微电子产品加工和装配效率，推动激光微矫形技术的工业化应用，进而拓宽激光热成形技术的应用领域；激光微矫形机理研究，将充实和发展微/介观尺度热-力耦合的基础理论，具有重要的学术价值。

微机电系统的工作性能和服役寿命主要取决于相关功能元件的位置精度。传统的制造工艺通过定位和连接等工序来完成功能元件的装配。各工序都必须按照高精度的工艺要求才能最终保证功能元件的位置精度，因此，需要消耗大量的时间，影响微机电系统的装配效率。针对微电子行业存在的装配偏差与焊接误差问题，通过设计特定的驱动器，采用激光热变形原理对驱动器进行微矫形，功能元件的位置精度就可以满足设计要求，从而极大地提高微机电系统的装配效率。.本研究以双桥薄板驱动器为研究对象，利用理论分析、数值模拟和实验手段研究驱动器的变形规律与工艺方法。根据双桥驱动器的结构形式，在激光加热过程中既存在厚度方向的温度差又有平面方向的温度梯度，产生两个方向上的变形，根据温度分布以及厚度方向塑性区域分布的形状，对塑性区域进行重新划分，不同特征形状对应板内变形与板外变形，实现两种变形的定性解耦，从而揭示激光加热产生双向变形的物理机制；基于激光板内变形的发展过程，根据变形协调关系与力平衡方程，建立曲率、应变、热应变的关系式，结合驱动器几何参数以及应力、应变在板内的分布规律，建立板内应变和弯曲曲率的代数表达式，综合加热与冷却阶段的变形，形成板内变形角度的数学模型；采用材料表面层模型，建立考虑厚度方向尺度效应的材料本构关系，建立壳-实体混合单元有限元模型，分析不同激光功率、加热时间以及驱动器几何尺寸对双向变形的影响规律，形成工艺参数与双向变形的映射关系，揭示板内和板外变形的主导因素；基于有限元模型，研究了驱动器不同孔型（方孔、圆孔以及菱形孔）对应力分布与变形演变的作用机制，提出了驱动器孔型的设计方法；根据功能器件的目标位置，利用多孔驱动器的末端运动方程，结合单孔驱动器的变形规律，通过比对目标值和末端运动的计算值，反求各个位置的加热参数，针对加工中的效率问题，利用模拟退火优化算法，提出以加热时间最短为优化目标的工艺参数优化方法。.通过以上研究，形成了微观尺度下板材热弹塑性变形的理论模型，建立了面向局部加热特征的混合单元建模方法，提出了基于多约束空间的工艺规划和优化方法。以第一作者身份发表SCI论文6篇包括ASME-Journal of Manufacturing Science and Engineering 1篇和International Journal of Machine Tools & Manufacture 3篇。