机械专业中文翻译运用精密切割技术的新方法制备压电薄膜微驱动器

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运用精密切割技术的新方法制备压电

薄膜微驱动器

摘要：目前，一个新的制备微结构和微驱动器的方法. 它是以精密切割技术和

和水热法制作压电薄膜. 人们普遍认为微切割技术是不适合微零件加工,因为与结构规模相比切削力太大。作者用四轴超精密机床防止切削力过大的问题，成功构造三维立体微结构。甚至连l0微米的轴或者直径为l00微米的螺丝也能制造。在表面的微观结构,压电薄膜是通过水热法镀的。电极样式是通过直接激光束消融法制作的。每个样品制备过程都被介绍，而且微振动陀螺仪被建议应用。在本文中介绍的制作过程，将是一种有效手段对于三维微型驱动器结构。

1.引言

为实现实用的微型电机系统装置、三维结构和驱动机制灵活的制作方法被要求。 一个新的微型驱动器制造技术在本文中被提出。 制作过程分为三个步骤:第一步，微观结构的加工是通过精确切削技术进行的。结构的材料可以挑选以下适合压电薄膜电镀过程的各种金属和塑料能通过精密切割技术加工的材料。 第二步，在结构上，用水热法被用于制造压电薄膜。压电薄膜厚度为10至20微米。第三阶段，电极模板用YAG激光直接图形法来实施。通过这些措施各类微型驱动器都能用压电片来制造。每一个制造步骤都被连续的描叙而且每个制造样本都被展现。概念的进一步应用将在下文中直到文章结束被提到。

2. 微型零件的精密切削加

2.1. 精密切削方法的优越性.

一批微型驱动器和传感器用硅微加工技术制造。该技术具有微结构制造、机械一体化，等等优点。但也仅仅限于针对三维结构。已有一批关于三维微结构制造的科研成果，如X射线光刻、放电加工、图象成形法等等。作者集中关注精密切割方法作为微加工制造方法主要是基于以下几点原因: (1)各种材料(金属、塑料…)能被精密切削加工。（2）切削速度可以非常高。(3) 复杂的三维结构可以被加工，尤其是结合几个切削方法时。(4)当切削深度很小时用精密切割方式可以得到非常好的表面质量。 第一点是重要的，因为任何接替化学物质或蚀刻工艺过程，可以合适选定的。 出于同样的原因也应重视的随后的第四点。在另一方面，似乎也存在一些缺点: (1)切削力是相当大的相对于工件的结构尺寸。 (2)确定微型刀具的结构形式与加工微形结构是同样困难。(3)大批精密切削加工工艺难,因此可能也需要应用其他加工方法在大批量生产中。

为了降低切削力、微观结构以较小的切削深度切削。目前可以得到最小的刀具来制造微结构。这些刀具并不能完全满足微结构精密切削的目的但使用超精密机床时，它们的表现不俗。此外，对于大量生产，复制技术如压铸、塑性成型，可利用电镀法形成。精密切割工艺大师也可以用来制作这些工艺模式。

2.2. 四轴超精密机床

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构造超精密机床是实现了小深度切削。如图.2中的机床所示。它有三个线性轴的X轴、Y轴、Z轴和旋转轴C。还有一个磨轴在Y向圆柱上。所有的线性轴被用于引导特殊辊轴的双V型槽支持和用交流伺服电机和高精度滚珠丝杠驱动。所有滚珠丝杠和引导槽成品要分别达到预期的精度或直线度. 有三个线性轴要求直线度在0.1微米以下，旋转轴要达到0.05微米的精度。 一般认为，滚动引导机床没有镜面精度加工要求， 但是， 这种机器能生产出镜面度与表面粗糙度平均低于10nm的工件表面质量是由于其特殊成品引导表面。 高的线性分辨率（1nm）和万分之一度的旋转编码被用于方位控制。x,y,z和c四轴被数控控制器同时控制。 该机床可以灵活的完成各种机加工，如钻、铣、剃、磨削等等。

图.1制造压电薄膜微驱动器的3个步骤。

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图.2四轴超精密机床视图。

2.3. 制造实例

2.3.1 100微米微型螺杆

图4. 图片显示一个直径为100微米的微型螺杆. 它是用铝合金和车床加工制造的. 加工过程如下: (1)把以准备好的直径为1毫米的工件用真空卡盘固定在c轴上。不支持使用中心。 (2)外表面的加工的目的是使直径削减至100微米。 (3)切削螺杆的螺纹用的是宽度为10微米的锋利的金刚石刀具。切削10圈深度为0.5微米的螺纹。 螺纹切削大约需要几分钟的时间.在螺纹的切削过程中，c、x和z轴被数控控制器同步控制。 2.3.2 10微米阶梯轴

(a) 图.1 展现一个最小直径为10微米的阶梯轴. 它用以下方式来加工: (1)工件的准备和固定在真空卡盘中都是用同样的方法。(2)外表面被切削加工到直径为200微米. (3)10微米的轴用机床从顶部开始加工。切削深度减为0.25微米，进给速度是1毫米每分钟。(4)50微米的轴也用同样的方法来加工。切削深度是0.5微米。整个过程中(3)和(4)使用的是一个精度的钻石切削刀具刀尖的半径为0.05毫米。

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（a）放大

(b)轴的全视图 图.3 10微米阶梯轴。

（b）螺丝放大侧视图

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（a）微型螺丝的全视图 图.4 100微米微型螺丝

图.5 50mm重体悬臂

图.6不锈钢微型夹钳操作器

2.3.3 不锈钢制成的50毫米悬臂架

图.5是一个末端重体的50微米悬臂。 工件的准备与前述方法相同，外表面用机床加工制成160微米的轴。然后，轴用200微米的端磨从顶部开始加工。首先，重量部分利用c轴作为索引阶段来加工， 然后，杠部切削5到10微米的加工深度。 悬臂制造是为了热受激发机械震动实验的目的， 它是本实验室中的另一个对于微型电机系统的研究课题。 2.3.4. 微型操纵夹钳

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