1、机械科学与技术杂志21(2007)1452 - 1455微型零件微冲压成型和组装级进模杨明1，真果建一2，伊藤伊托31日本东京都大学系统设计学院2日本东京都大学科学与工程研究生院3日本东京塞其公司(手稿收到5月31日,2007;修改后8月30日,2007;接受9月30日,2007)摘要一个微冲压成形过程和装配技术被开发并应用于金属零件制造和控制元件上。此研究主要基于高能量的光束，如离子和短脉冲激光技术，此技术开发了制造在微观尺度和纳米尺度的表面精加工模具的特点。另外，在模具的表面上的类金刚石涂层是为了提高耐磨性和减少摩擦开发的。例如采用金属板生产一个直径为0.2 mm的微型齿轮。此外，部分单位
2、有三个组成部分制造的精密级进模使用的是微印刷机系统。该结果表明，微金属成型在低成本和大批量上可能是制造一种新的技术的微器件，如微机电系统，生物芯片。关键词：微冲压成形，自动装配，级进模，微型金属装置1.介绍 在近十年MEMS（微机械电子系统）和生物芯片引起了社会的关注。这些种微型装置主要由硅或玻璃制作，并采用微机械加工技术，这通常成本很高。制造技术用于提供所述MEMS稳定地在更低的成本是一个重要问题。由于微机械加工 技术是基于光刻，该进程基于2维或2.5维的特点， 微机电系统只能限制于特定的结构与脆弱材料。与此相反，金属具有的性质，如延展性，导电性，这样的MEMS 基于金属成形制成能有更多的在
3、结构上具有较高的强度和韧性的自由的材料。另一方面,由于小型化的技术设备结构件1,2产生的问题 ,金属在亚毫米或微米尺度形成对于音频或视频信息也变得非常重要。作者一直关注于一种新型微金属成形技术，其中微型零件或部件制造成形和用于在级进模自动装配过程 3 。几种金属板被供入模，通过进料器和在几个步骤中同时形成，然后在级进模中组装在一起。我们还推出了高能光束对微芯片的具有几个特征的制造，微米级和使用DLC（类金刚石碳喜欢）涂布技术的表面上形成膜模具用于提高耐磨性4。在这项研究中，我们尝试开发几种模具的冲压和深拉延，并利于级进模冲压成形，以产生一些微型金属零件及部件。2.微冲压成形的MEMS的制造压制
4、成形对于金属在压制机器上加工复杂零件是最显著加工成形工艺之一。大多数声像使用的零件（AY）和信息技术（IT）设备都由冲压成形制造出来。近年来这类功能的这些部件逐渐变小。此外，MEMS和生物芯片包括多部件的构造的一个系统或一个单元具有复杂的结构。在未来几年，部分结构/单位的特点制造采用冲压成型的子毫米可能会显得很重要。具有亚毫米特点的形成部分的难题是：- 用于制造新方法开发和评价子毫米级模具的特征， - 研究表面处理模具保护模具免受磨损和破损， - 对细晶粒金属材料的发展与评价， - 处理微型部件和微型组件。在这项研究中，我们提出一个微加工系统，通过使用冲压成形设备，以多步骤方式来形成微型部件，
5、然后，把这些部件在一个级进模中组装成一个单元。如下图所示。我展示了微型制造系统的概念。几种材料由给料机分别供应进级进模，并经过几个步骤在级进模里同时制成，然后，这些材料在同一个级进模中组装在一起。最后，一个单元部分在压制的形势下被制造出来。为了建立微加工系统，每个准确性的对齐的维度的模具的元素是具有挑战性的。具体问题如下所示：图.1 原理构造形成和级进模的进程装配- 用于建立新的制造方法和评价尺寸小于20微米的模具， - 当尺寸和编配小于1微米时持续出现的问题，- 从无润滑剂的过程实现无磨损无退化处理保护模具表面，- 在装配工艺之前去除比几微米大的毛刺， - 在这些过程中减少小型化和数字化冲压
6、机在竖直和水平位置产生的错误。大小为几十微米的微型模具的加工方法和带有装配系统的压制过程的设计将分别在第三章和第四章中讨论。3.微型模具制造 3.1通过组合加工和高能量光束加工微型模具高能量的光束，包括短波长激光束和离子束被引入到微加工具有微米级特点的模具中。短波长激光和离子束等广泛应用于半导体生产过程中，有分别去除以微米和纳米级特征材料的能力，而一般的传统加工成形流程具有小到亚毫米顺序的特点。在这里，我们提出加工的组合和利用高能光束流程制造微型模具的方式通过激光处理来加工模具的大致轮廓，然后，通过离子束来完成加工以形状更小的为特征的纳米级或亚微米级表面3。图.2照片显示的是用组合制作齿轮的方
7、式来展示微型模具冲压微型零件的方法。微型齿轮的直径为200微米，模数为20。由冲床加工后圆形，如直径为20微米的微齿轮是由短脉冲激光功能与是微电放电过程组合制造的。此外，施加离子照射在消除侧壁上的痕迹和微裂纹上有领先优势。表面形状和光洁度的制造的详细情况均在我们以前的工作3，4出现过。似乎冲压的表面粗糙度在照射后进行了改进。对于微型模具来说，由于增加了应力集中，表面粗糙度和机械性能的改善在保护模具免受磨损至关重要。图.2 对微型齿轮形冲离子束照射表面处理（800 V，1.65毫安，1小时，入射角45度）3.2 使用离子膜DLC对模具进行表面涂层研究者们还在金属模具上涂敷DLC膜以减少摩擦并保护
8、模具免受磨损4。在微观尺度上的金属形成的情况下，模具承担的较大的次应力或主应力，较宏观尺度来看，这使得DLC涂层变得更容易被损坏而且模具变得更加容易被磨损或破坏。研究者通过使用纳米压痕试验，根据不同浓度DLC涂层的应力/应变来评价其机械性能和粘合性能，通过使用微弯曲实验来确定摩擦性能依赖于尺寸 4 。该结果表明，该DLC膜在特定条件下被涂覆可以承受的平均应力高达10千兆而且无脱层或破损;使用具有较大的硬度和弹性模量的DLC膜显示更强的耐磨属性，但更容易剥离，相反，用更小的硬度和弹性模量的DLC膜显示更强的与基体粘合强度，但容易磨损。从磨损试验结果可看出，具有梯度性能的DLC膜通过不同条件下组合
9、在耐磨和较低的摩擦下可能是有效的。在这项研究中，两层DLC膜涂布在基板上，摩擦特性受到好评。图.3示表示出了具有梯度性能DLC膜所产生的结果。它似乎没有被观察到显著损坏在超过50000次，半径为600微米的模具成形后。结果表明，具有梯度性能DLC膜是对实际生产是实用的。图.3 观察多层DLC膜摩擦后试验；拍摄5,000后用于基板上的DLC膜半径为100微米（左）和拍摄50,000后用于基板上的DLC膜半径为600微米（右）型号：S-23台式伺服压力机, 最大压力：23KN，最大速度：500spm， 最大行程：15mm， 滑动调整行程：15mm,装模高度：100mm, 外形尺寸：W340 x D
10、330 x H545图.4 微型台式机伺服压力机及其规范4.单个和单元部件的冲压成形4.1微型冲床的开发一种为微冲压成型和组装开发的桌面大小的的小型冲压机，如图.4。图.4为该机器的照片和列出了其工艺规格。该压机是由一个精确可控的伺服电机驱动。因此能够提供同时在三个方向中的材料冲压过程。4.2 微单件的制造通过使用微加工系统采用两个步骤过程来制造带有中央孔的微型齿轮。在这种情况下，对应模具的每个过程步骤的元素和材料的送进和定位在每个步骤中都将是非常重要的。图.5显示出了齿轮的照片和其说明书。同心圆齿轮已被成功制作而且误差为3微米左右。在这种情况下，处理率为60次每分钟。图.5微型齿轮和冲压成形
11、模具的照片图像4.3 单体部分的制造使用微冲压成形系统对一个单体部分进行制作。一个单位体部分有三个元件被设计成与图6中所示的试样。两个可移动部件和一块基板在相同的级进模冲压成形和装配在一起。可动部件接合通过定位销固定在底板上并可以围绕定位销旋转。该工艺包括冲压，弯曲，压印，穿孔等相关工艺。用于冲压功能元件的形状的5个过程的步骤，分别地，冲压和成型底板的10个步骤，此外，并在这种情况下进行组装再加入4个步骤。图7显示出通过该方法制造出的产品。该结果表明，该单体部分是通过使用一个压制成型的级进模制作成功的。其中一个制造微功能器件的最重要的问题是操纵和组装部件，如微机电系统，生物芯片等等。对使用微冲
12、压成形生产微功能器件，该自动操作和组装在级进模中显示出非常高的潜力。图.6 压制成型模具和单体部分的设计图 在级进模中一个微冲压成形和自动装配过程的开发和适用于制作微单体和单位的部分。高能束被引入到制作以微米级为特征的微型模具中，类金刚石膜涂层涂于模具表面上用于提高其耐磨性。一些种模具是通过使用开发制作技术被制作出来并应用到压制成形微金属部分。冲压加工被用于加工制作一个微型齿轮。此外，通过使用冲压成形和自动装配工艺能加工出含有不受约束组件的单体部件。鸣谢研究者们将感谢日本经济部，贸易部和工业部支持这项工作。参考文献(略)I Y. Saotome, Application of glassy m
13、etal to micromachine, J Material Sci. and Eng. 39(4) (2002)141-1452 Y. Saotome, Technology for micro parts and dieprocess in nano scale, J Tooling Eng. 43(13) (2003)84-89.3 M. Yang, S. Nakano, K. Manabe, K. Morikawa, K.Ito, H. Saito, K.Fuchigami and Yokoi, Fabricationof MEMS Using Micro Metal Forming Process,Proc.ICNFT. 135-140 (2004).4 K. Fujimoto, M. Yang, M. Hotta, H. Koyama, S.Nakano, K. Morikawa and J. Caimey, Fabricationof Dies in micro-scale for micro sheet metalforming, Journal of Material Processing Technology.177 (1-3) (2006) 639-643.7
