用于微结构表面椭圆振动压印装置的研制

【摘要】在一些特征尺寸的微尺度器件、机械或系统中，常常要使用微结构功能表面，这些微尺度器件、机械或系统在信息、能源、环境、生物、医学、国防等领域有着重要的市场应用前景。超精密机械压印是获得微尺度或纳尺度结构表面的重要方法之一，该方法采用微尺度金刚石压头或嵌有微纳结构的金刚石压头，通过压头作连续高频的椭圆冲压运动，从而快速获得模具表面微或纳结构，再利用具有微结构表面的模具批量复制微结构功能表面器件。与其他微结构表面加工技术相比，它的优势在于：（a）与MEMS光刻加工方法相比，采用机械压印加工具有微结构表面的模具，所需设备成本低；（b）与超精密车削、微铣相比，精密机械压印可加工更小的几何形貌，且不易产生干涉；（c）与热化学压印相比，精密机械压印适用的材料范围更广，不只是软质材料，还包括硬金属甚至硬脆性材料；（d）加工精度高，一次压印成型使表面粗糙度达到纳米级。因此，对精密机械压印的研究具有十分重要的理论研究意义。为了使微结构机械压印获得高加工效率和高加工质量，最为关键的是研制高精密高频响的椭圆压印机构。本文的研究内容如下。（1）建立了压印过程的力学模型、材料流动模型、压印改善的力学性能指标，并且通过单点压印试验，研究分析了6061铝材料加载力与压印深度曲线，这些都为椭圆振动压印装置的设计和连续压印试验做了铺垫。（2）为了实现微结构表面的连续高频压印，研究了椭圆振动压印装置与机床同步性的问题，以及椭圆振动幅度a、b与频率及压头尺寸参数的关系，确定了压印各个参数关系，包括主轴转速、进给量以及椭圆工作频率。（3）利用柔性铰链设计了一种非共振型二维椭圆振动辅助金刚石压印装置。柔性铰链机构采用一个压电叠堆驱动Y向运动，另两个压电叠堆左右两侧对称驱动Z向运动。金刚石压头安装在刀座上，刀座由柔性铰链导向，在压电叠堆的驱动下做二维椭圆振动。各运动轴的设计位移均为10μm，设计刚度均为50N/μm。采用电容式微位移传感器作为位移响应检测单元。该装置的核心部分是一个两自由度并联柔性铰链运动机构。两运动轴（Y轴、Z轴）的铰链交错排列分布，其中Y轴由三组对称的单轴柔性铰链导向，Z轴并由两组对称单轴柔性铰链并联导向。该机构的主要特点在于：（a）运动柔性铰链部分由线切割一体化加工得到，与固定结构紧凑装配；（b）两方向的三运动轴均由多组双稳态柔性铰链导向，无侧向运动；（c）运动轴之间通过交错对称排列实现高度解耦，避免了运动的串扰问题。（d）整个系统为闭环控制，可以对YZ平面的任意椭圆刀具路径进行精确跟踪控制。（4）为进一步验证二维椭圆振动压印装置的真实性能参数，在加工前对所设计装置进行了有限元分析，加工装配后进行了离线性能测试。通过有限元分析和离线测试，得到性能指标如下：Y轴、Z轴的静态刚度分别为40.32N/μm、32.26N/μm（仿真值和试验值接近），装置Y向、Z向的最大行程分别为9μm、12μm，共振频率为1111Hz。Y、Z各轴分辨率分别为10nm、9nm。阶跃跟踪性能良好，串扰分析显示装置高度解耦。
【作者】张益；
【导师】周晓勤；许蓬子；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】微结构功能表面；超精密机械压印；椭圆振动辅助加工；柔性铰链；

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