利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法，預(yù)先在要加工的薄壁特征下構(gòu)建輔助支撐，輔助支撐的材料為低熔點(diǎn)合金，具體步驟如下：1）制作撓性元件毛坯。2）清洗撓性元件毛坯。3）加工填充輔助支撐材料的溝槽。4）輔助支撐材料的選擇和填充。5）微細(xì)銑削加工出撓性元件的薄壁特征。6）拆卸夾具、移除和回收輔助支撐材料。7）去毛刺處理。8）撓性元件與毛坯母體分離。9）清洗撓性元件。方法考慮到加工的薄壁特征只有10-20um,極易變形和斷裂，將低熔點(diǎn)合金堆置于薄壁底部，加工中作為輔助支撐，以達(dá)到增加薄壁特征的剛性的目的。
【專利說明】利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法，屬于微細(xì)銑削加 工中加工薄壁零件的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，微電子機(jī)械系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化的特點(diǎn)，與宏觀系統(tǒng)相比，能夠 大批量生產(chǎn)，成本低、性能高，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的功能。其中微型薄壁撓 性元件被廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航和控制【技術(shù)領(lǐng)域】。微型薄壁撓性元件尺寸小，具有高深寬比 結(jié)構(gòu)，是微慣性測量裝置部件中加工難度較大、精度要求較高的部分。微型薄壁撓性元件的 加工是未來慣性導(dǎo)航和控制領(lǐng)域的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，將對人類的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn) 產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
[0003] 微細(xì)銑削加工技術(shù)是一種高效率、精度和低成本的微細(xì)機(jī)械加工工藝，可以應(yīng)用 于不同的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)、曲面特征的微小型工件加工，工件材料廣泛，近年來在航空航天、 模具制造、汽車制造和精密機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。微細(xì)銑削加工薄壁零件的過程中，精 確控制薄壁的厚度，減小薄壁的變形，防止薄壁的斷裂以及保證加工后的工件表面質(zhì)量是 一直是研究的重要難題。Ratchev等針對薄壁零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用有限元技術(shù)，通過變形 分析獲得包庇零件的變形模式，再利用數(shù)控優(yōu)化技術(shù)對刀具路徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，可以?證薄壁零件的高精度加工要求，有利于加工質(zhì)量和效率的提高[RatchevS，LiuS，Becker A.AErrorCompensationStrategyinMillingFlexibleThin-WallParts.Journal ofMaterialsProcessingTechnology. 2005:162-163, 673-681];日本的巖部育洋米用雙 軸機(jī)床分別從零件的兩側(cè)壁加工，從而抵消了薄壁的變形[巖部育洋.Highaccurateof thinwallshapeworkpiecebyendmill.日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集.65(632) :415_420];國 內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這一領(lǐng)域取得重要成就，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王波等在微小型機(jī)床上通 過優(yōu)化加工工藝參數(shù)的方法，加工出帶三維結(jié)構(gòu)的慣性薄壁撓性元件，該器件撓性部位的 薄壁厚度只有8um[王波，梁迎春，孫雅洲，譚亞明.帶三維結(jié)構(gòu)的慣性MEMS器件的微細(xì)銑 削加工.傳感技術(shù)學(xué)報(bào).19(5) : 1472-1476]。但是探尋不同種加工材料的最優(yōu)工藝參數(shù)過 程也相對繁瑣復(fù)雜，該方法對于加工不同材料的通用性較差，而且切削參數(shù)的選擇較小也 降低了加工效率。
[0004] 以上這些研究雖然在一定程度上推動(dòng)了薄壁工件的加工，但是對于薄壁厚度只有 10-20um的微型薄壁撓性器件，以上方法的加工應(yīng)用上還存在很大的不足。
[0005] 近年來部分研究人員發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)合金由于其獨(dú)特的性質(zhì)，已經(jīng)被應(yīng)用到醫(yī)療、鑄 造、自動(dòng)控制和加工制造等領(lǐng)域。在微細(xì)銑削加工中，山東大學(xué)的萬熠提出了用低熔點(diǎn)合金 構(gòu)造加工件的延伸邊界，將毛刺的生成轉(zhuǎn)化到低熔點(diǎn)合金上，以控制工件毛刺的生成[參 見中國專利申請CN102211221A《利用低熔點(diǎn)合金來控制微細(xì)加工中毛刺產(chǎn)生的方法》]。但 是該方法無法直接應(yīng)用到薄壁撓性元件的加工中，需要進(jìn)一步創(chuàng)造性勞動(dòng)，做出相應(yīng)的技 術(shù)改進(jìn)。
[0006] 在薄壁撓性元件的加工中，將低熔點(diǎn)合金堆置作為薄壁特征的輔助支撐，以增加 薄壁特征剛性，防止薄壁特征變形和斷裂的研究并未得到深入研究，目前在薄壁撓性器件 的加工中也并未見相關(guān)研究。
[0007] 綜上所述，探求一種高效率，低成本，高精度加工三維薄壁零件的加工方法顯得尤 為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用低熔點(diǎn)合金輔助加工 薄壁撓性元件的方法，該方法考慮到加工的薄壁特征只有10_20um，極易變形和斷裂，將低 熔點(diǎn)合金堆置于薄壁底部，加工中作為輔助支撐，以達(dá)到增加薄壁特征的剛性的目的。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0010] 一種利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法，預(yù)先在要加工的薄壁特征下 構(gòu)建輔助支撐，輔助支撐的材料為低熔點(diǎn)合金，包括以下步驟：
[0011] 1)制作撓性元件毛坯；
[0012] 2)清洗撓性元件毛坯；
[0013] 3)加工填充輔助支撐材料的溝槽；將清洗干凈的撓性元件毛坯裝夾到五軸微細(xì) 加工中心上，使用激光對刀保證對刀精度；開動(dòng)機(jī)床銑削加工撓性元件毛坯上表面，并以上 表面為基準(zhǔn)加工填充輔助支撐材料的溝槽；
[0014] 4)輔助支撐材料的選擇和填充；選擇熔點(diǎn)為70°C的低熔點(diǎn)合金作為輔助支撐材 料，加熱低熔點(diǎn)合金使其融化并將其填充到步驟3)中加工的溝槽中；
[0015] 5)微細(xì)銑削加工出撓性元件的薄壁特征；用硬質(zhì)合金兩刃平頭立銑刀，從撓性元 件毛坯上表面開始逐層銑削，加工微溝槽，銑削微溝槽過程中在槽底剩余15_厚的薄壁特 征；
[0016] 6)拆卸夾具、移除和回收輔助支撐材料；加工完成后，將撓性元件從夾具中拆卸 下來；進(jìn)行輔助支撐材料的移除，具體操作是用鑷子將元件放入盛有80°C熱水的燒杯中； 低熔點(diǎn)合金在熱水作用下，從固態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；液態(tài)低熔點(diǎn)合金的流動(dòng)性增強(qiáng)，從溝槽 中流出；此時(shí)用小型毛刷對薄壁底部做輕微掃刷，即能夠?qū)⒃臒星逑锤蓛?，燒杯?的液態(tài)低熔點(diǎn)合金與水不相容，使用空冷或者注入涼水，待燒杯中溫度降低，液態(tài)低熔點(diǎn)合 金即轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)合金的方便回收；
[0017] 7)去毛刺處理；
[0018] 8)撓性元件與毛坯母體分離；由于薄壁元件的薄壁特征剛性較低，為防止零件的 變形，用線切割技術(shù)將薄壁元件和毛坯母體分離；
[0019] 9)清洗撓性元件。
[0020] 所述步驟1)中制作撓性元件毛坯，將母材用線切割技術(shù)加工出零件的毛坯長方 體小塊，其尺寸大小為35mmX20mmX10mm。
[0021] 所述步驟2)中清洗撓性元件毛坯，線切割后的毛坯上面有較多的油漬和雜質(zhì)，無 法直接應(yīng)用于加工，將毛坯小塊用丙酮浸泡，再放入無水乙醇中用超聲波清洗15分鐘，即 可去掉表面油污和雜質(zhì)。
[0022] 所述步驟3)中銑削的溝槽寬3mm,深2mm;使用的刀具是直徑為3mm的平頭立銑 刀。
[0023] 所述步驟7)的去毛刺處理，在加工的薄壁特征邊緣和頂部會(huì)有微型毛刺的產(chǎn)生， 借助顯微鏡和微型刀片將工件邊角毛刺刮掉。
[0024] 本發(fā)明提供了一種微型薄壁撓性元件加工方法，解決了微型薄壁撓性元件的加工 難題。本發(fā)明所采用的輔助支撐材料是70°C的低熔點(diǎn)合金，該低熔點(diǎn)合金為深圳市金永安 實(shí)業(yè)有限公司的鉛錫合金或鉍錫合金?？紤]到加工撓性器件的薄壁特征只有10_20um，器 件的長為5mm，寬為1mm，高為0.7mm，在加工過程中極易變形和斷裂。該方法將低熔點(diǎn)合金 先堆置于薄壁底部，作為薄壁件加工過程中的輔助支撐，以達(dá)到增加薄壁特征剛性的目的， 從而防止器件薄壁加工過程中發(fā)生變形和斷裂。
[0025] 為了驗(yàn)證該方法的可行性，在五軸微加工中心（德國KERN-2520)進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。 該最大轉(zhuǎn)速為50000rpm，X軸行程為250mm，Y軸行程220mm，Z軸行程250mm。其裝備了光 控單元，被應(yīng)用于測量微銑刀具。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的微銑削刀具是兩溝槽的硬質(zhì)合金兩刃平頭 立銑刀。該刀具由NS日進(jìn)工具株式會(huì)社制造。名義直徑為0.5mm，刃長0.7mm，有效刃長 2mm。采用錐柄直徑3毫米的主軸夾頭，其長度為40mm。共進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，第一組實(shí)驗(yàn)中不 設(shè)置輔助支撐進(jìn)行加工，第二組設(shè)置輔助支撐。兩組實(shí)驗(yàn)采用相同的切削參數(shù)，按照上述步 驟1)_9)進(jìn)行了完整的實(shí)驗(yàn)操作。
[0026] 加工中切削參數(shù)的設(shè)置如下表所示：
[0027] 切削參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種利用低熔點(diǎn)合金輔助加工薄壁撓性元件的方法，其特征是，預(yù)先在要加工的薄 壁特征下構(gòu)建輔助支撐，輔助支撐的材料為低熔點(diǎn)合金，具體包括以下步驟： 1) 制作撓性元件毛坯； 2) 清洗撓性元件毛坯； 3) 加工填充輔助支撐材料的溝槽；將清洗干凈的撓性元件毛坯裝夾到五軸微細(xì)加工中 心上，使用激光對刀保證對刀精度；開動(dòng)機(jī)床銑削加工撓性元件毛坯上表面，并以上表面為 基準(zhǔn)加工填充輔助支撐材料的溝槽； 4) 輔助支撐材料的選擇和填充；選擇熔點(diǎn)為70°C的低熔點(diǎn)合金作為輔助支撐材料，力口 熱低熔點(diǎn)合金使其融化并將其填充到步驟3)中加工的溝槽中； 5) 微細(xì)銑削加工出撓性元件的薄壁特征；用硬質(zhì)合金兩刃平頭立銑刀，從撓性元件毛 坯上表面開始逐層銑削，加工微溝槽，銑削微溝槽過程中在槽底剩余15mm厚的薄壁特征； 6) 拆卸夾具、移除和回收輔助支撐材料；加工完成后，將撓性元件從夾具中拆卸下來； 進(jìn)行輔助支撐材料的移除，具體操作是用鑷子將元件放入盛有80°C熱水的燒杯中；低熔點(diǎn) 合金在熱水作用下，從固態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；液態(tài)低熔點(diǎn)合金的流動(dòng)性增強(qiáng)，從溝槽中流 出；此時(shí)用小型毛刷對薄壁底部做輕微掃刷，即能夠?qū)⒃臒星逑锤蓛?，燒杯中的?態(tài)低熔點(diǎn)合金與水不相容，使用空冷或者注入涼水，待燒杯中溫度降低，液態(tài)低熔點(diǎn)合金即 轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)合金的方便回收； 7) 去毛刺處理； 8) 撓性元件與毛坯母體分離；由于薄壁元件的薄壁特征剛性較低，為防止零件的變形， 用線切割技術(shù)將薄壁元件和毛坯母體分離； 9) 清洗撓性元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述步驟1)中制作撓性元件毛坯，將母材用線 切割技術(shù)加工出零件的毛坯長方體小塊，其尺寸大小為35 mmX20 mmX 10 mm。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述步驟2)中清洗撓性元件毛述，線切割后的 毛坯上面有較多的油漬和雜質(zhì)，無法直接應(yīng)用于加工，將毛坯小塊用丙酮浸泡，再放入無水 乙醇中用超聲波清洗15分鐘，即可去掉表面油污和雜質(zhì)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述步驟3)中銑削的溝槽寬3mm，深2mm ;使 用的刀具是直徑為3mm的平頭立銑刀。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述步驟7)的去毛刺處理，在加工的薄壁特征 邊緣和頂部會(huì)有微型毛刺的產(chǎn)生，借助顯微鏡和微型刀片將工件邊角毛刺刮掉。
【文檔編號(hào)】B23P15/00GK104439919SQ201410572919
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】萬熠, 寇兆軍, 梁西昌, 劉戰(zhàn)強(qiáng), 黃傳真, 張東 申請人:山東大學(xué)