CN102274887B - 一种微尺度零件成形与装配的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微尺度零件成形与装配的方法及装置，适用于集成电路和微电子产品等微小精密零件的成形与装配，其利用平顶型强脉冲激光照射到约束层上形成压力波冲击靶材，使靶材局部快速胀形，在剪切模具的作用下，获得高速飞行的微冲裁落料；微冲裁落料在高速飞行后与待装配零件件发生撞击，而复制出待装配零件的表面形貌，进行微尺度成形；同时成形后的微尺度零件速度降为零，贴覆到待装配零件的上表面，进行微尺度零件的定位及安装，从而实现微尺度零件的成形与装配一体化。本发明能够在实现微尺度零件成形的同时并装配，是一种集微零件加工与装配一体化的现代化微器件制造方法，具备高柔性化和高效率的加工特性，易于实现快速批量化工业生产。

Description

一种微尺度零件成形与装配的方法及装置

技术领域

本发明涉及微加工制造装配领域，特指一种微尺度零件成形与装配的方法及装置，其适用于集成电路和微电子产品等微小精密零件的制造，能够同时实现微尺度零件的成形与装配，是一种易于实现批量化工业生产的现代化微器件制造方法。

背景技术

随着微机电系统(micro electro mechanical sys-tem, MEMS)的飞速发展，对微型零件的需求量也越来越大。目前，通过微成形技术制造的微型金属产品已经广泛应用在自动化、医疗卫生、航空航天、电信电子、精密仪器和国防等多个领域。同时对微器件的加工工艺、加工成本和安装等也提出了新的要求。但是现有的面向MEMS的微机械加工技术和工艺是在集成电路的基础上发展起来的，主要依赖于LIGA、光刻、刻蚀等微细加工技术，受到加工效率低、成本高、污染环境等问题的限制，同时微器件的起模与装配也存在巨大难题，难以满足产业化生产需求。

近年来，基于传统塑性成形的微塑性成形工艺迅速发展起来。研究和应用较多的有微挤压、微压印、微钣金、微拉伸、微冲压、微锻、微轧制和微无模成形工艺等，在一定程度上满足了微成形产品加工的需要，具有周期短、工艺简单、成本低、净成形、零件精度高的特点，特别是通过微型模具成形微小器件更易于保证质量，但现有的微型模具中凸模/凹模的配合及其加工装配十分困难，调整也很费时费力。以激光冲击为代表的激光加工技术，以其应用范围广、工艺灵活多样、加工精度高、质量好，易于控制和实现柔性及智能加工，被誉为“未来制造系统的共同加工手段”。

上述所述成形方法都存在一个共同的难题，那就是成形后零件的脱模。在宏观尺度下的脱模方法如顶出、气吹等再微器件脱模时很容易损伤工件与模具，已经难以使用，而微成形中常用的脱模剂脱模方法由于难以精确控制脱模剂厚度，对微成形的精度有一定影响；而将成形工件和模具一起浸泡在有机溶剂的脱模方法，不但脱模时间长还会在工件和模具表面残留有机溶剂；加热模具和工件到一定温度，利用两者间热应力脱模的方法脱模还没有形成实质性标准。

研究人员积极寻找合适的微塑性成形加工方法，如公开号为CN1903473的专利提出一种微热成形的方法，虽然能够实现微成形，但是需要加热凸模，增加了工艺的复杂性；公开号为CN101318204的专利提出了一种红外加热金属箔材气压成形的方法，虽然提高了箔材的成形能力，同样需要对箔材进行加热，工艺复杂且获得的微成形件机械性能较差；公开号为CN102029317A及CN102009268A的专利提出的激光复合微塑性成形装置与方法，虽然能够利用激光力学效应与微模具结合，得到微尺度零件，但是微尺度模具加工困难，模具的力学性能差，且需要进行微尺度零件的后续脱模；公开号为CN101920397A的专利提出了一种基于衍射微光学元件的强激光无模成形方法，虽然不需要脱模，但是可控成形性能差，且仍然需要后续的零件装夹及装配。

为解决上述问题，通过对前述现有专利的思考，及激光冲击成形过程中断裂现象的研究，发明了一种新型高效微尺度零件成形与装配的方法。该方法在解决微尺度零件快速加工成形问题的同时，避免了微尺度零件的脱模、装夹及装配等难题，可以实现微尺度零件的成形与装配一体化，是一种易于实现快速批量化工业生产的现代化微器件制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型高效微尺度零件成形与装配的方法与装置。

本发明的方法是利用强脉冲激光经透镜聚焦后，照射到靶材表面的吸收层上，吸收层吸收激光能量并汽化膨胀，继续吸收激光能量形成高温高压的等离子体，等离子体向外膨胀，受到约束层的约束作用，形成冲击波作用在靶材上，由于冲击波峰值压力远远大于靶材的动态屈服极限，使靶材沿剪切模具的微凹模刃口发生高速剪切变形而断裂，获得高速飞行的微冲裁落料；微冲裁落料在高速飞行后与待装配零件上表面发生撞击，在撞击过程中受到待装配零件的约束作用，而复制出待装配零件的上表面形貌，进行微尺度成形；同时成形后的微尺度零件速度降为零，贴覆到待装配零件的上表面，进行微尺度零件的定位及安装，从而实现微尺度零件的成形与装配一体化。

本发明的装置是由L型底座、三维移动平台控制器、三维移动工作台、激光控制系统、Nd：YAG平顶型激光器、反射镜、透镜、装夹装置、成形部分等组成，其中成形部分包括约束层、吸收层、靶材、剪切模具、待装配零件。由Nd：YAG平顶型激光器发出的强脉冲激光束通过光纤依次传递到反射镜和透镜，并聚焦后穿过约束层，到达冲击靶材上的吸收层。约束层、吸收层、靶材、剪切模具和待装配零件均由装夹装置固定在三维移动工作平台上，并通过三维移动平台控制器由计算机进行精确移动定位。

由单脉冲Nd:YAG平顶型激光器发出高强度脉冲激光，激光波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，且能量可调；高强度脉冲激光依次传递到反射镜和透镜，透过约束层，聚焦到吸收层表面，聚焦得到的光斑能够完全覆盖微剪切模具的孔径面积，且要求聚焦后单脉冲激光功率密度达到3.6-4.5GW/cm²。

所用平顶型脉冲激光光斑能量及靶材和吸收层之间的关系特性为：根据靶材的具体厚度(10-50μm)，喷涂适当厚度的黑漆(5-10μm)作为吸收层，且所用激光能量密度，能够使吸收层发生完全汽化电离形成等离子体，并产生需要的冲击压力，使靶材在微剪切模具的约束作用下剪切断裂，获得需要的高速飞行微尺度落料。

依据成形及装配特性设计加工待装配零件及剪切模具。本发明中的待装配零件的设计在满足要求的前提下，需要考虑后续激光微冲击成形与装配的特性，同时剪切模具需要根据微冲击成形件进行设计，剪切模具的刃口要具有良好的剪切性能；剪切模具可以采用厚度为0.1-1mm的高强度不锈钢薄板，进行微细超声电火花加工得到，同时要求待装配零件的待装配表面屈服强度及动态屈服强度均在靶材的1.5倍以上。

本发明根据平顶型强激光束在单脉冲冲裁下获得的高速飞行微尺度落料进行微成形，且同时实现微成形零件的固定与装配。如果增加微剪切模具和待装配零件的数量并按一定次序排列便可实现微型零件在一次冲击过程中的批量生产，或者通过移动三维移动工作平台实现微型零件单次冲击成形的批量生产。同时可根据实际情况来设计待装配微尺度零件及剪切模具，以实现不同要求下微型零件的批量成形与装配。

本发明在解决微尺度零件快速加工成形问题的同时，避免了后续加工工艺过程中微尺度零件的脱模、装夹及装配等难题，可以实现微尺度零件的成形与装配一体化，是一种易于实现快速批量化工业生产的现代化微器件制造方法。

附图说明

图1是根据本发明提出的一种新型高效微尺度零件成形与装配装置示意图。

图2是根据本发明所提出的新型高效微尺度零件成形与装配的成形过程示意图。

图3是根据本发明设计的阵列剪切模具示意图。

图4是根据本发明设计的一种待装配微尺度零件的装配表面示意图。

图中，1，L型底座； 2，三维移动平台控制器； 3，三维移动工作台； 4，激光控制系统； 5，Nd：YAG平顶型激光器； 6，反射镜； 7，透镜； 8，装夹装置； 9，成形部分； 10，约束层； 11，吸收层； 12，靶材； 13，剪切模具； 14，待装配零件。

具体实施方式

本发明提出的新型高效微尺度零件成形与装配装置如图1、图2所示，整个装置由14部分构成。由Nd:YAG平顶型激光器5发出的强脉冲激光束通过反射镜6和透镜7，聚焦后穿过约束层10，到达冲击靶材12上的吸收层11。约束层10、吸收层11、靶材12、剪切模具13和待装配零件14均由装夹装置8固定在三维移动工作平台3上，并通过三维移动平台控制器2由计算机进行精确移动定位。

实施过程具体如下：

首先，根据所需加工微尺度零件的特性，在满足功能要求的前提下，设计待装配微尺度零件14及激光冲击微成形件12，待装配微尺度零件14的设计需要考虑后续激光微冲击成形与装配的特性；并根据所需激光冲击微成形件12的特性设计剪切模具13。根据前述的设计加工待装配微尺度零件14及剪切模具13，剪切模具13可以采用厚度为0.1-1mm的高强度不锈钢薄板，进行微细超声电火花加工得到；选用合适厚度的冲击靶材12(厚度为10-50μm的铜箔)，涂覆一定厚度(5-10μm)的黑漆作为能量吸收层11，选用K9玻璃作为约束层10。将待装配微尺度零件14和剪切模具13精确对准后固定并安装在三维移动工作平台1上。

其次，打开Nd:YAG平顶型激光器5，利用Nd:YAG平顶型激光器5发出一束调试光，调试光经过反光镜6改变光路，并经聚焦透镜7聚焦后照射到剪切模具13上，通过三维移动平台控制器调节三维移动工作平台3的位置及高度，以获得需要的光斑面积，要求光斑能够完全覆盖剪切模具13的凹模孔径。关闭调试光，将覆有吸收层11的靶材12及约束层10依次贴覆到剪切模具13的上表面，并通过装夹装置8固定在三维移动工作平台3上的。

然后，根据冲击靶材12的特性，选用波长为1064nm，脉冲宽度为5-10ns的Nd:YAG平顶型激光器5，发出一束能量为2J-10J的单脉冲激光，单脉冲激光经过反光镜6改变光路，并经聚焦透镜7聚焦后穿过约束层10照射到吸收层11上，吸收层11吸收激光能量并汽化膨胀，继续吸收激光能量形成高温高压的等离子体，等离子体向外膨胀，受到约束层10的约束作用，形成冲击波作用在靶材12上，由于冲击波峰值压力远远大于靶材的动态屈服极限，使靶材沿剪切模具13的微凹模刃口发生高速剪切变形而断裂，获得高速飞行的微冲裁落料；微冲裁落料在高速飞行后与待装配零件14上表面发生撞击，在撞击过程中受到待装配零件14的约束作用，而复制出待装配零件14的上表面形貌，进行微尺度成形；同时成形后的微尺度零件速度降为零，贴覆到待装配零件14的上表面，进行微尺度零件的定位及安装，从而实现微尺度零件的成形与装配一体化。

最后，通过计算机调节三维移动平台控制器2来控制三维移动工作平台3的位置，从而带动成形部分9移动到下一个待加工位置，进行脉冲激光微尺度零件的成形与装配；重复上述过程，直至整个加工结束，从而实现微尺度零件的批量成形与装配一体化。

Claims (3)

1.一种微尺度零件成形与装配的方法，其特征在于，利用平顶型强脉冲激光经透镜聚焦后，照射到靶材表面的约束层上，形成高温高压的等离子体，并产生冲击波作用在靶材上，剪切模具采用厚度为0.1-1mm的高强度不锈钢薄板，进行微细超声电火花加工得到，同时待装配零件的待装配表面屈服强度及动态屈服强度均在靶材的1.5倍以上，使靶材沿剪切模具的微凹模刃口发生高速剪切变形而断裂，获得高速飞行的微冲裁落料；微冲裁落料在高速飞行后与待装配零件发生撞击，在撞击过程中受到待装配零件的约束作用，而复制出待装配零件的表面形貌，进行微尺度成形；同时成形后的微尺度零件速度降为零，贴覆到待装配零件的上表面，进行微尺度零件的定位及安装，完成微尺度零件的成形与装配一体化。

2.一种实现权利要求1所述微尺度零件成形与装配的方法的装置，其特征在于，包括L型底座(1)、三维移动平台控制器(2)、三维移动工作台(3)、激光控制系统(4)、单脉冲Nd：YAG平顶型激光器(5)、反射镜(6)、透镜(7)、装夹装置(8)、成形部分(9)，所述成形部分(9)包括约束层(10)、吸收层(11)、靶材(12)、剪切模具(13)、待装配零件(14)；由单脉冲Nd：YAG平顶型激光器(5)发出的强脉冲激光束经反射镜(6)和透镜(7)，聚焦后穿过约束层(10)，到达冲击靶材(12)上的吸收层(11)；所述约束层(10)、吸收层(11)、靶材(12)、剪切模具(13)和待装配零件(14)均由装夹装置(8)固定在三维移动工作平台(3)上，并通过三维移动平台控制器(2)由计算机进行精确移动定位；剪切模具(13)采用厚度为0.1-1mm的高强度不锈钢薄板，进行微细超声电火花加工得到，同时要求待装配零件(14)的待装配表面屈服强度及动态屈服强度均在靶材(12)的1.5倍以上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，它所述单脉冲Nd：YAG平顶型激光器(5)的工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量1.5J-10J，经聚焦透镜(7)聚焦后光斑直径大小1mm-3mm，所能得到的单脉冲激光能量密度为3.6-4.5GW/cm²；所述约束层(10)采用K9玻璃，吸收层(11)采用5-10μm厚的黑漆，靶材(12)采用厚度为10-50μm的铜箔。

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