毕业设计（论文）-基于有限元方法的齿轮真空铸型技术研究

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1、淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第26页共26页1绪论随着微纳科学与技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微小机械在航空航天、精密仪器、生物医学、信息技术和军事等领域显示出广阔的应用前景，受到世界各个国家科学界和政府部门的高度重视，已成为二十一世纪科学研究前沿领域的热点之一[1]。在微机械的常用材料中，聚合物材料具有耐氧化、耐腐蚀、易成型、比强度高等优点，此外，部分塑料具有透明性和生物相容性的特点，成为了某些微光学器件和生物分析芯片领域唯一的选择。因此，对高分子材料进行微加工制作的研究，对于推动微机械系统的实用化与普及化、扩大聚合物材料的应用领域以及提

2、高精密微型模具的制造技术水平都具有十分重要的理论意义和实用价值。微型聚合物的加工成形通常采用微型模具进行微注塑成形。而在微型产品开发阶段，微型模具的制作显得周期较长、成本较高，且对一些复杂三维形状的微零部件加工要求较高。本章通过对国内外微成形技术的综述和加工工艺介绍，提出一种基于快速模具技术的真空铸型微型件技术。1.1微型机械的发展概况随着人类社会向信息化的迈进，系统的全面微小型化成为了当前科技发展的重要方向。诺贝尔奖获得者RichardP.Feynman教授在1959年就曾预言未来制造技术将沿着Top-Down和Bottom-Up两种途径发展，并将由此引发科学技术、工

3、程和应用的巨大变革。目前国际上在微机械技术研究领域走在前列的是美国、日本和德国，这与他们大量的投资研究费用也是相关的。美国在微机械方面的研究比较著名的有Sandia国家实验室、明尼苏达州大学、霍尼韦尔公司等。日本在一些MEMS研究方面处于国际领先地位。东京大学、东北大学等单位在微细工具与微细加工、微流量泵、微型传感器、微型继电器等方面都取得相当快的进展。德国自1988年起开始为期十年的微型机械制造技术的研究项目，研究各种刻蚀技术。目前德国对微机械的研制与美国、日本水平相当，并有自己的特点，在微机械的加工制作方面取得了令人瞩目的成就。我国开展MEMs的研究较晚，从上世纪8

4、0年代末才开始MEMS的研究，MEMS技术和世界先进水平还有一定差距[2]。“十一五”淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第26页共26页以来，国家科技部、国家自然科学基金委、解放军总装备部等先后在该领域投入了数亿元，扶持了一批MEMS项目，取得了一定的成绩。目前，国内开展MEMS研究的单位己达五十多家，已有很多有价值的成果。如哈尔滨工业大学对压电陶瓷进行研究，研制成由压电陶瓷驱动的三自由度微小型机器人I81。上海交通大学利用自行研制的2mm微型电磁马达，设计制作了一个外形尺寸SmmX6mm的微型机器人小车，小车可按要求前进、后退、旋转，利用图像采集系统实现了系统的位置反馈

5、，基本满足高精度定位要求。虽然我国对MEMS的研究取得了一定成绩，但是由于主要属于跟踪型研究，且投入不大、资金分散、产业界未及时介入等原因，研究规模、技术水平与先进国家相比有较大差距。清华大学丁衡高院士指出:“微制造技术水平低是我国微系统研究落后国外的主要原因之一。”靠技术引进不能从根本上缩短与先进国家的差距，因此，我国必须开发具有自主知识产权的微制造技术，才能在未来的高科技领域占有一席之地。1.2微成形技术的研究二十年来MEMS有了飞速的发展，而微成形技术是MEMS的灵魂，世界上各工业先进国家对微机械的研究重点都放在了微成形技术的研发上。到目前为止，涌现出了多种成熟的

6、微成形技术，如以美国为代表的硅基表面加工及体加工技术、以德国为代表LIGA技术和以日本为代表的超精密机械加工技术，此外还有高能束加工技术、微注塑成形技术、微粉末注射成形技术及微铸造技术等一些方兴未艾的微成形技术。1.2.1硅基微加工技术由美国的科学家率先提出的硅基微加工技术是微电子技术飞速发展的延伸。硅基微加工技术目前主要有表面微机械加工[3.4]微机械加工[5.6]淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第26页共26页面微机械加工工艺首先是在硅基表面上沉积薄膜，再用光刻技术在薄膜上显影出微结构，最后用各种腐蚀工艺(等离子腐蚀、化学腐蚀等)去除掉多余的部分，从而得到预先想要的

7、微结构。因加工过程中不对硅基片本身进行加工，故表面微机械加工的厚度在几到几十微米。在表面微机械加工工艺中，可通过对多层牺牲层材料进行有选择的去除，得到准三维的结构，机械加工层越多可制造的微型机械越复杂，功能越强大，但是微型元件的布局问题、平面化问题和减小残余应力问题也更难解决。通常，微机械结构的形成要经历选择掺杂和结晶湿化学腐蚀两道工序。和微电子生产中的亚微米光刻工艺比较，这些工艺尺度相对大而粗糙，线度变化在几微米到几百微米之间。体微加工技术的关键技术主要包括湿法刻蚀和干法刻蚀两种方法。湿法刻蚀主要是根据材料的性能在刻蚀溶液中进行;干法刻