微细超声波加工技术的基础研究

具有耐磨、耐蚀、耐高温高压的硬脆性材料，在微机电系统有着广泛的应用前景。正是这些优异的特性造成材料的难加工性，使其高精度微细加工技术成为新的挑战。本项目针对微细超声波加工硬脆性材料中存在的问题进行基础研究。研究重点是工件材料去除机理、工件表面形成机理、微细工具的损耗机理和微细工具在加工中的动态特性，建立各种理论模型描述加工参数对加工性能的影响规律，提出工具损耗补偿方法和参数的优化方案，并研制具有自主产权的微细超声波加工装置。在此基础上，应用工具均匀损耗法及其与CAD/CAM的集成，优化加工轨迹，实现高效、高精度任意三维微细形状的微细超声波加工，为微细超声波加工技术的应用提供理论和技术支撑。

具有耐磨、耐蚀、耐高温高压的硬脆性材料，在微机电系统有着广泛的应用前景。正是这些优异的特性造成材料的难加工性，使其高精度微细加工技术成为新的挑战。.本项目研制了微细超声波加工装置，具有微细电火花和微细超声波加工功能。由XYZ工作台、微细工具在线制备单元、加工力检测和加工状态在线检测等模块或单元构成。可以在硅片上加工直径18微米的圆孔和边长为28微米的方孔。.本项目针对微细超声波加工硬脆性材料中存在的问题进行了大量的基础研究。针对工件材料去除机理和工件表面形成机理的研究，确认了磨粒在超声波振动下冲击硬脆材料表面，造成材料破裂、剥离式微细超声波材料去除的主要原因；同时，在一定条件下，存在塑性加工，并通过表面粗糙度Ppk值，判断是否存在塑性加工。针对超声波加工中的磨粒在悬浮液中的运动，通过模型进行仿真进行了受力分析，对于加工表面的凸凹形状的形成，进行了定性分析。针对微细超声波加工中的工具损耗问题，确认了在微细超声波加工中，工具损耗属于低周疲劳损耗，建立了相应的理论模型，预测微细超声波加工中的工具损耗，大多数误差小于10%，并对较大误差进行了分析，确认了测量误差及磨粒在实际加工中的数量是造成较大误差的主因。对于加工力的控制，采用积分分离PID控制系统，使得加工力的波动范围减小了60%以上，加工效率提高了10%以上。在此基础上，应用工具均匀损耗法及其与CAD/CAM的集成，优化加工轨迹，实现高效、高精度任意三维微细形状的微细超声波加工。