基于多層硅模具的Zr基非晶合金雙層微小齒輪制備工藝研究

楊　璠　史鐵林　廖廣蘭

華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室,武漢,430074

基于多層硅模具的Zr基非晶合金雙層微小齒輪制備工藝研究

楊璠史鐵林廖廣蘭

華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室,武漢,430074

應(yīng)用分層設(shè)計與制備工藝得到了具有微小多層型腔的復雜硅模具,采用坯料直徑為3 mm的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5非晶合金為實驗材料,使用自行設(shè)計的實驗平臺,對雙層微小齒輪(大齒輪模數(shù)0.05 mm,齒數(shù)36,厚度150 μm;小齒輪模數(shù)0.05 mm,齒數(shù)30,厚度150 μm;中心軸孔直徑0.8 mm)進行了超塑性成形工藝研究,優(yōu)化了零件成形、腐蝕脫模、飛邊去除及質(zhì)量分析的工藝流程。結(jié)果表明,該工藝流程合理可靠,制備出的Zr基雙層微小齒輪保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)、形狀完整、充型率高、表面質(zhì)量良好。

非晶合金;超塑性成形;多層硅模具;雙層微小齒輪

0　引言

非晶合金具有優(yōu)異的物理化學性能,而且在過冷液態(tài)區(qū)中具備超塑性變形能力，可以精確復制微米甚至納米尺度的微小結(jié)構(gòu)，因此應(yīng)用非晶合金制備復雜三維微小結(jié)構(gòu)在光學和MEMS等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。2007年,Schroers等[4]利用硅模具成功制備出直徑為50 μm的Au基非晶合金圓柱,而后又于2009年制備出尺度為13 nm～200 μm的Pt基非晶合金零件系列[5]。Wang等[6-7]利用基于硅模具的超塑性成形方法加工出節(jié)圓直徑為2.2 mm的Zr基非晶合金直齒圓柱齒輪,并對成形過程進行了仿真研究。這說明,利用硅模具超塑性成形單層非晶合金三維微小結(jié)構(gòu)的工藝已逐漸成熟。

但是當三維微小零件的軸向結(jié)構(gòu)變得更加復雜,尤其是特征尺寸小于2 mm時,現(xiàn)有的硅模具設(shè)計和制造方法都存在較大的缺陷,相應(yīng)的超塑性成形工藝也亟待改進。Bourne等[8]用簡單堆疊在一起的硅模具對多層微零件的制備進行了研究，研究表明非晶合金的成形能力可以滿足復雜型腔中充型的需要。在此基礎(chǔ)上,本文優(yōu)化了多層型腔硅模具的設(shè)計和制備方法,研究了Zr基非晶合金雙層微小齒輪超塑性成形工藝，并對零件質(zhì)量特性進行了簡要分析。

1　多層型腔硅模具設(shè)計與制備

本課題組的前期研究結(jié)果[9]表明,利用非晶合金超塑性成形能力一次性制備圖1a所示的典型復雜三維微小結(jié)構(gòu)存在極大困難。但是,首先制備自上而下直徑逐漸變小的多層微小零件(圖1b),然后通過多個零件鍵合或連接工藝制備出更為復雜的結(jié)構(gòu)卻是可行的。雖然圖1b所示零件的制作工序復雜,但有利于非晶合金在硅模具中的順利充填。

(a)典型的多層微小零件(b)自上而下直徑逐漸變小的多層微小零件圖1　多層微小零件建模

圖2為形如圖1b所示的雙層微小齒輪超塑性成形過程的DEFORM3D模擬仿真截圖,仿真參數(shù)為：坯料直徑3 mm、厚0.5 mm,壓頭加載方式為恒速度模式,加載速度為0.003 mm/s,步長為0.1 s。圖2a所示上層大齒輪模具齒輪模數(shù)為0.05 mm,齒數(shù)為36,厚度為150 μm；圖2b所示下層小齒輪模具齒輪模數(shù)為0.05 mm,齒數(shù)為32,厚度為150 μm；圖2c所示底層的模具外徑為10 mm,中心圓柱的直徑為0.8 mm,高度為300 μm。如圖2e所示,當流體持續(xù)壓入型腔，其應(yīng)力值第一次接近硅模具臨界應(yīng)力時，可以得到圖2f所示的流體邊界。根據(jù)非晶合金的流動特性[10],以該邊界為基礎(chǔ),雙層微小齒輪的軸向尺寸和設(shè)計參數(shù)可進行如下調(diào)整(按照以下方案①、②、③可以得到三種雙層微小齒輪):方案①中,大齒輪厚度較小,小齒輪厚度較大、齒頂圓直徑較大,因此模具型腔特征尺寸較大,所需保壓時間較短,填充率相對較高,但是由于大齒輪較薄，去除飛邊過程中對零件夾持、定位及精確減薄機制要求高，且小齒輪尺寸較大,因此傳動比范圍較小;方案②中,大齒輪厚度較大，小齒輪厚度較小、齒頂圓直徑較小，因此模具型腔特征尺寸較小，大齒輪部分填充迅速且厚度合適，有利于精確去除飛邊，小齒輪部分填充緩慢，且由于壓力限制，小齒輪輪齒特征尺寸較小部分的填充率較低，零件完整度較差，磨去不完整部分后小齒輪厚度較薄，容易因為低充型率導致零件失效，但是該方案的傳動比參數(shù)可選范圍廣，尤其適用于超塑性更強的非晶合金成形；因而，實際研究中的硅模具采用以下方案進行分層設(shè)計(方案③)——大齒輪模數(shù)為0.05 mm,齒數(shù)為36,厚度為150 μm;小齒輪模數(shù)為0.05 mm,齒數(shù)為30,厚度為150 μm;中心軸孔直徑為0.8 mm。

(a)上層大齒輪模具(b)下層小齒輪模具

(c)底層模具(d)裝配后的仿真模型

(e)充型過程模擬(f)充型區(qū)域局部放大圖2　雙層微小齒輪超塑性成形過程

圖3所示為多層型腔硅模具的制備方案。各分層硅片均采購于合肥科晶科技有限公司,為增強模具強度底層硅片設(shè)計厚度為1 mm,上層硅片按設(shè)計深度150 μm定制,然后經(jīng)光刻和ICP刻蝕獲得各分層的圖形結(jié)構(gòu),最后將三層硅片對準裝配得到具有多層型腔的硅模具。該方法優(yōu)點是各分層模具制作簡單，功能多樣，圖形可按設(shè)計要求自由調(diào)整，缺點是裝配要求高，模具小批量制備時用料多且刻蝕時間長，模具極限應(yīng)力相對整體模具有所降低。

圖3　多層型腔硅模具制備方案

圖4a為各分層硅片掩膜板的設(shè)計圖。為保證裝配方便、定位準確、圖案對中性好以及硅模具的脆性,上下層模具間的軸孔間隙參考GB/T1800-1804-1997按照基孔制配合H11/h11設(shè)計,定位銷直徑設(shè)計為0.5 mm,定位孔直徑為0.48 mm。圖4b～圖4e為制備得到的各分層硅模具及其裝配圖,裝配后層與層之間結(jié)合緊密,孔與銷之間配合良好,圖案對中性好,實際同軸度偏差小于0.03 mm(圖4d)。

(a)硅模具尺寸

(b)底層硅模具(c)齒數(shù)36的大齒輪模具

(d)齒數(shù)32的小齒輪模具(e)裝配后的硅模具圖4　分層硅片尺寸設(shè)計及成品圖片

2　超塑性成形工藝及零件質(zhì)量分析

雙層微小齒輪制備采用的實驗平臺來自于課題組前期研究結(jié)果[9];非晶合金坯料為比亞迪公司制造的Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(下文簡稱vit1)棒料(切割為直徑3 mm,厚度0.8 mm的小塊),其在加熱速率為200℃/min時過冷液相區(qū)間為390～517℃;加工溫度選定為425℃,此溫度下vit1的孕育時間達850 s;壓頭加載速度為3 μm/s,即等效應(yīng)變速率約為0.00375 s-1;保壓壓力為500 N,保壓時間為180 s。

圖5a為加載過程的載荷-時間曲線,載荷波動是由于設(shè)備加載過程不穩(wěn)定和控制精度較低所致[10]。圖中顯示加載時間為380 s和保壓時間為180 s,而加載開始前的加熱過程及達目標溫度后保溫使設(shè)備恢復熱平衡的時間共120 s[11],因此總加工時間共680 s,約為孕育時間的80%,基本滿足非晶合金超塑性成形加工的前提條件,零件保持了良好的非晶特性。加工完成的試樣置于75℃質(zhì)量分數(shù)為40%的KOH溶液中浸泡60 min即可腐蝕脫模得到帶飛邊的非晶合金零件，圖5b為基恩士VHX-1000數(shù)碼顯微系統(tǒng)拍攝的零件照片。根據(jù)圖中飛邊部分的表面質(zhì)量可評定零件的形狀誤差:若存在因硅模具破碎產(chǎn)生的放射狀粗大裂痕或隆起,則零件形狀必定變形失效；若無明顯痕跡，則成形過程中硅模具未發(fā)生破損，零件的形狀誤差小，基本符合設(shè)計要求。

(a)加工過程曲線(b)制備的非晶合金零件(帶飛邊)圖5　雙層微小齒輪加工過程與結(jié)果

圖6為基恩士VK-X100/X200激光掃描顯微系統(tǒng)拍攝的圖5b零件齒形部分圖片,通過形狀測量可評估零件充型率。如圖6a和圖6c所示,vit1對多層型腔硅模具的充型程度約為90%,僅輪齒尖端部分未完全充填,大齒輪的尖端充型率高于小齒輪的尖端充型率。根據(jù)文獻[11-13]介紹的提高充型率方法,筆者曾采用增大壓力至550 N或600 N,增大加載速度至4 μm/s等方法提高充型率,但受限于實驗平臺性能和硅模具應(yīng)力特性,較大的壓力或過快的加載速度均使實驗平臺的加載過程產(chǎn)生巨大波動,從而導致模具破碎使成形率減小，而延長保壓時間至240 s對充型率的提升不足2%且極易導致試樣晶化。圖6b和圖6d分別為對大齒輪和小齒輪的高度分析,其中大齒輪部分最大高度為160.05 μm,最小高度為18.56 μm,大齒輪平均高度為141.49 μm;小齒輪部分最大高度為302.30 μm,最小高度為156.36 μm,小齒輪平均高度為145.94 μm。達到90%充型率時上層齒輪齒形完整部分的厚度約為80 μm,下層齒輪的厚度約為130 μm,零件符合工作要求。

(a)大齒輪厚度測量(b)大齒輪齒形測量

(c)小齒輪厚度測量(d)小齒輪齒形測量圖6　雙層微小齒輪的激光共聚焦圖片

為獲得完整的零件,筆者采用鑲嵌加研磨的方法精確去除圖5b所示零件的飛邊。首先采用環(huán)氧樹脂復合物(Transoptic powder 20-3400-080)對零件進行鑲嵌,該鑲嵌料透明且可溶解于丙酮,鑲嵌機為標樂Buehler全自動熱鑲樣機SimpliMet 1000,鑲嵌溫度為180℃,加熱時間為5 min，冷卻時間為5 min;其次使用標樂手/自動金相磨拋機buehler EcoMet 300逐步磨去飛邊,零件厚度方向控制精度可達0.1 μm,透明的鑲嵌料可以保證研磨過程中及時發(fā)現(xiàn)磨削面偏轉(zhuǎn)并給予糾正;研磨后的樣品經(jīng)丙酮浸泡同時超聲波清洗40 min可去除鑲嵌料取出零件,最后由乙醇浸泡同時超聲波清洗20 min可進一步去除雜質(zhì)獲得潔凈的完整零件。

圖7為雙層微小齒輪的SEM圖。圖7b中的虛線框放大部分可用于評估成形零件的表面質(zhì)量。如圖7c所示,大齒輪齒面質(zhì)量較好,小齒輪齒面有少量相對孤立的凹陷，無大量連續(xù)裂痕，無凸起，說明非晶合金在持續(xù)充型中未對多層模具造成破壞，良好地復制了硅模具結(jié)構(gòu)，齒面的瑕疵是硅模具刻蝕質(zhì)量較差所致，不影響齒輪的使用。圖7d為中心軸孔的側(cè)面放大圖，圖中紋路同樣為硅模具深刻蝕時側(cè)面“長草”現(xiàn)象所致，該側(cè)表面無裂痕、無凸起，同樣不影響齒輪中心軸孔的使用。

(a)齒輪俯視形貌(b)齒輪側(cè)視形貌

(c)齒面微觀形貌(d)中心軸孔微觀形貌圖7　雙層微小齒輪的SEM圖

3　結(jié)語

本文應(yīng)用分層設(shè)計與制備工藝得到了具有多層型腔的復雜硅模具，并且應(yīng)用該模具制備出了Zr基非晶合金雙層微小齒輪,質(zhì)量分析表明該零件形狀完整,工作表面質(zhì)量良好,保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu),驗證了工藝的可行性。其中多層型腔硅模具因采用分層設(shè)計、制備、裝配等方法拓寬了使用范圍，增加了零件設(shè)計自由度,但同時硅模具強度有所降低,可以考慮今后將各分層硅片高溫鍵合以改進模具強度。在零件制備工藝中,透明可溶解鑲嵌工藝的使用有效提高了零件飛邊去除精度,可視化的操作方式減小了微小零件磨削加工中的意外失誤發(fā)生幾率。成形后的雙層微小齒輪通過加工時間分析、形狀測量、充型率分析和工作面微觀質(zhì)量分析可逐步篩選出合格的零件，篩選的關(guān)鍵是使用三維光學微觀觀察快速查找具有典型特征的瑕疵。

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(編輯王艷麗)

Investigation on Preparation Process of Zr-based Bulk Metallic Glass Micro Bilayer Gear Based on Multilayer Silicon Mold

Yang FanShi TielinLiao Guanglan

State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430074

The preparation process of Zr-based bulk metallic glass micro bilayer gear was investigated,where the multilayer silicon mold was prepared according to the multilayer design pattern.The technologies of superplastic micro-forming,mold unloading,overlap cutting and quality analyzing were optimized.Then,the Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5gear with 3 mm diameter was obtained by the self-design experimental platform,a big gear layer was with 0.05 module, 36 teeth and 150 μm thickness,small gear layer was with 0.05 module,32 teeth and 150 μm thickness,the center axle hols was with 0.8 mm diameter.The results show that the gear has complete shape,high filling rate and good surface quality,while its material maintaines amorphous.

bulk metallic glass;superplastic forming;multilayer silicon mold;micro bilayer gear

2014-07-08

國家自然科學基金資助項目(51175211)

TG376.1;TG76DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.10.022

楊璠,男,1983年生。華中科技大學機械科學與工程學院博士研究生。主要研究方向為非晶合金微小結(jié)構(gòu)制備。發(fā)表論文5篇。史鐵林,男,1964年生。華中科技大學機械科學與工程學院教授、博士研究生導師。廖廣蘭,男,1978年生。華中科技大學機械科學與工程學院教授、博士研究生導師。