Miniatur-mechanische Teile _ Mikrobearbeitung von Nuten in der Innenflaeche des Lagers
Schlüsselwörter: Micro mechanische Teile, Mikrobearbeitung von Edelstahlteilen, Miniatur-Kupferteile, Laserlithographie und elektrolytisches Ätzen der Innenfläche eines aerostatischen Lagers
Zusammenfassung:
Die Anwendung der Laserabtast- und Fotolithografietechnologie auf die Innenfläche von Rohren mit kleinem Durchmesser wurde bei der Bearbeitung präziser Rillen von Luftlagern untersucht. Die Laserdirektschreib- und Lithografietechnologie und die anschließende elektrolytische Ätztechnologie werden verwendet, um auf der Oberfläche eines Kupferrohrs mit einem Innendurchmesser von 2 Millimetern genau ein schmales Band mit einer vorbestimmten Breite von 28 Mikrometern auszubilden, wodurch eine Rille erzeugt wird. Das Rohr wird geschnitten und zu einer Lagerbuchse verarbeitet. nschließend wird die Welle mit der Luftlagerbuchse bearbeitet. Eine hohle Aluminiumlegierungswelle ist darin eingesetzt, und die Welle wird von Luftlagern und elektromagnetischen Axiallagern getragen, die an beiden Enden angeordnet sind. Durch Strahlen in der Luft kann sich die Welle bei hohen Drehzahlen von mehr als 20.000 U / min reibungslos drehen. Mit herkömmlichen Verarbeitungstechniken ist es schwierig, präzise längliche Rillen auf der Innenfläche eines solchen feinen Rohrs auszubilden. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Kombination von Lithografie- und Ätztechniken sehr effektiv ist, wenn mikromechanische Teile bearbeitet werden und die Bildung von Rillen auf ihren Innenflächen erforderlich ist.
1. Einleitung
Es ist sehr schwierig, feine Texturen oder Rillen auf der Innenfläche eines Rohrs mit kleinem Durchmesser zu bearbeiten. Selbst wenn das mechanische Werkzeug in das Rohr eingesetzt und geometrisch angetrieben werden kann, ist der minimale Innendurchmesser des Rohrs durch die Größe des Werkzeugs und des Schafts begrenzt. Da außerdem die Scherkraft auf das feine Probenröhrchen einwirkt, verformen sie sich oder der das Probenröhrchen tragende Arbeitstisch bewegt sich plötzlich, was im Voraus berücksichtigt werden muss.
Andererseits wird bei der Laser-Scanning-Lithographie jedes feine Resistmuster auf der Innenfläche des Rohrs mit einem Innendurchmesser von weniger als 1 mm definiert, und diese Rohre tragen keine äußere Kraft. Wenn die innere Oberfläche der Rohrleitung mit einem Korrosionsschutzmuster markiert ist und in geeigneter Weise elektrolytisch geätzt werden kann, werden präzise Rillen erhalten.
Es wird allgemein angenommen, dass die oben beschriebenen internen Ätztechniken und elektrolytischen Ätztechniken zur Bearbeitung von Rillen in Lagern verwendet werden können. Insbesondere das als "Herringbone" bekannte Paar diagonaler paralleler Rillen sollte für Hochgeschwindigkeitsluftlager oder hydrostatische Lager geeignet sein. Tatsächlich werden die feinen Fischgrätenrillen auf der Innenfläche des in diesem Papier erwähnten Kupferrohrs mit 2 mm Innendurchmesser auf diese Weise verarbeitet. Außerdem werden die Rohre sehr kurz genommen und dann zu Durchführungen verarbeitet. Außerdem werden die Rohre sehr kurz abgefangen und dann zu Durchführungen verarbeitet. Die Hülse ist in der Mitte der Welle befestigt, und eine Aluminiumhohlwelle ist darin eingesetzt. Die Aluminiumhohlwelle und die Löcher in der Rohrwand werden mit Luft versorgt, und die Welle wird von zwei Paaren von Fischgrätenlagern getragen. Das Gewicht des Rotors wird von mehreren Paaren starker Neodymkomponenten getragen. Wenn daher Luft als Rotorantriebskraft eingeblasen wird, dreht sich der Rotor gleichmäßig mit einer hohen Drehzahl, die 20.000 U / min übersteigt. Die Änderung und Schwankung der Drehzahl ist im Vergleich zu einem Rotor ohne Luftlager stark reduziert.
2. Fotolithografie auf der Innenfläche der feinen Röhre
Das Prinzip der Laserabtast- und Photolithographietechnologie, die auf der Oberfläche einer feinen Kupferröhre verwendet wird, ist in Fig. 1 gezeigt, und das manuelle Belichtungssystem für die Forschung ist in Fig. 2 gezeigt. Als Laser wurde ein Halbleiter-Violettlaser mit einer Wellenlänge von 408 nm verwendet eine Belichtungslichtquelle (Laser: TC20-405 / 20-4.5 / 15 und sein Modell: DPS-5004). Das emittierte Licht wurde durch eine Lochblende mit einem Durchmesser von 423 & mgr; m in der Form verändert, und das Bild der Innenfläche des Probenröhrchens wurde unter Verwendung einer Kombination eines 2x-Okulars und einer 10x-Objektivlinse 20-fach vergrößert. Bei 45 Grad des vom anderen Ende in das Rohr eingeführten Reflexionsstabs wird der Laserstrahl umgelenkt, und dann wird ein kreisförmiger Fleck mit einem Durchmesser von mehr als 1/20 der Lochgröße auf der Oberfläche der Probe erzeugt.
Unter Verwendung des vom Beleuchtungspunkt reflektierten Lichts wird ein Bild des Beleuchtungsflecks auf dem Probenröhrchen auf der CCD-Kamera erzeugt und die Größe und Form des Belichtungsflecks werden vor und während der Belichtung überwacht. Entsprechend der Programmanweisung wird das Muster durch die automatische Bewegung des feinen Probenröhrchens definiert, das auf dem Drehtisch und dem Lineartisch eingespannt ist. Die Tokyo Applied Chemistry Company verwendet positives P-MER P-LA900PM als Korrosionsschutzmittel, das durch ein infektiöses Verfahren auf die Oberfläche der Probe aufgetragen wird. Wenn der Resist einem Laser ausgesetzt wird und die Probe vertikal in den Entwickler PMER P-7G eingetaucht wird, wird das Muster gezeichnet. PMER P-7G ist eine spezielle Lösung von 3% Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
Abbildung 1 Prinzip des Scan-Belichtungssystems auf der Oberfläche feiner Röhren
Abbildung 2 Handgemachtes Belichtungssystem für Forschungszwecke
3. Rohrinnenätzen
Nachdem die Innenfläche des Probenröhrchens mit dem Resistmuster bearbeitet wurde, erfolgt ein Ätzen in dem elektrolytischen Ätzmittel. Das Ätzmittel ist eine wässrige Lösung, die Natriumchlorid, Ammoniumchlorid und Borsäure enthält. Obwohl das Ätzen der durch das Resistmuster markierten Röhre von der Außenfläche erfolgreich durchgeführt werden kann, ist es schwierig, unter Verwendung dieser Technik ein Ätzen von innen durchzuführen. Wenn das Ätzen von außen erfolgt, wird das Probenröhrchen als Opferanode um eine zylindrische Aluminiumkathode gelegt, wie in Fig. 1 gezeigt. Andererseits ist es zum Ätzen von der Innenseite der Röhre erforderlich, die Position zu verstehen, an der die Kathode platziert werden sollte, und wie die Stromversorgungsleitung zwischen der Stromquelle und der Anode und der Kathode angeschlossen wird. Abbildung 4 zeigt jedoch eine Methode, die nach eingehender Forschung künstlich entwickelt wurde. In der vorliegenden Studie wurde das Probenröhrchen als Anode und ein darin eingesetzter Aluminiumstab als Kathode verwendet. Gemäß der Formel (1) werden beim Anlegen einer Spannung an das Anodenkupferrohr die Kupferatome ionisiert und von der Rohroberfläche entfernt. Nach Formel (2) entstehen beim Auftreten von Kupferionen komplexere Salze.
Abbildung 3 Rohre zum elektrolytischen Ätzen von außen
Abbildung 4 Auf der Innenfläche des Kupferrohrs findet ein elektrolytisches Ätzen statt. Als Anode wird eine Kupferröhre verwendet, in die eine Aluminiumkathodenröhre eingesetzt ist. Lage der Kathodenröhre
Die mechanischen Einstellungen werden in der Mitte des Probenröhrchens vorgenommen.
Zusammenfassung:
Die Anwendung der Laserabtast- und Fotolithografietechnologie auf die Innenfläche von Rohren mit kleinem Durchmesser wurde bei der Bearbeitung präziser Rillen von Luftlagern untersucht. Die Laserdirektschreib- und Lithografietechnologie und die anschließende elektrolytische Ätztechnologie werden verwendet, um auf der Oberfläche eines Kupferrohrs mit einem Innendurchmesser von 2 Millimetern genau ein schmales Band mit einer vorbestimmten Breite von 28 Mikrometern auszubilden, wodurch eine Rille erzeugt wird. Das Rohr wird geschnitten und zu einer Lagerbuchse verarbeitet. nschließend wird die Welle mit der Luftlagerbuchse bearbeitet. Eine hohle Aluminiumlegierungswelle ist darin eingesetzt, und die Welle wird von Luftlagern und elektromagnetischen Axiallagern getragen, die an beiden Enden angeordnet sind. Durch Strahlen in der Luft kann sich die Welle bei hohen Drehzahlen von mehr als 20.000 U / min reibungslos drehen. Mit herkömmlichen Verarbeitungstechniken ist es schwierig, präzise längliche Rillen auf der Innenfläche eines solchen feinen Rohrs auszubilden. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Kombination von Lithografie- und Ätztechniken sehr effektiv ist, wenn mikromechanische Teile bearbeitet werden und die Bildung von Rillen auf ihren Innenflächen erforderlich ist.
1. Einleitung
Es ist sehr schwierig, feine Texturen oder Rillen auf der Innenfläche eines Rohrs mit kleinem Durchmesser zu bearbeiten. Selbst wenn das mechanische Werkzeug in das Rohr eingesetzt und geometrisch angetrieben werden kann, ist der minimale Innendurchmesser des Rohrs durch die Größe des Werkzeugs und des Schafts begrenzt. Da außerdem die Scherkraft auf das feine Probenröhrchen einwirkt, verformen sie sich oder der das Probenröhrchen tragende Arbeitstisch bewegt sich plötzlich, was im Voraus berücksichtigt werden muss.
Andererseits wird bei der Laser-Scanning-Lithographie jedes feine Resistmuster auf der Innenfläche des Rohrs mit einem Innendurchmesser von weniger als 1 mm definiert, und diese Rohre tragen keine äußere Kraft. Wenn die innere Oberfläche der Rohrleitung mit einem Korrosionsschutzmuster markiert ist und in geeigneter Weise elektrolytisch geätzt werden kann, werden präzise Rillen erhalten.
Es wird allgemein angenommen, dass die oben beschriebenen internen Ätztechniken und elektrolytischen Ätztechniken zur Bearbeitung von Rillen in Lagern verwendet werden können. Insbesondere das als "Herringbone" bekannte Paar diagonaler paralleler Rillen sollte für Hochgeschwindigkeitsluftlager oder hydrostatische Lager geeignet sein. Tatsächlich werden die feinen Fischgrätenrillen auf der Innenfläche des in diesem Papier erwähnten Kupferrohrs mit 2 mm Innendurchmesser auf diese Weise verarbeitet. Außerdem werden die Rohre sehr kurz genommen und dann zu Durchführungen verarbeitet. Außerdem werden die Rohre sehr kurz abgefangen und dann zu Durchführungen verarbeitet. Die Hülse ist in der Mitte der Welle befestigt, und eine Aluminiumhohlwelle ist darin eingesetzt. Die Aluminiumhohlwelle und die Löcher in der Rohrwand werden mit Luft versorgt, und die Welle wird von zwei Paaren von Fischgrätenlagern getragen. Das Gewicht des Rotors wird von mehreren Paaren starker Neodymkomponenten getragen. Wenn daher Luft als Rotorantriebskraft eingeblasen wird, dreht sich der Rotor gleichmäßig mit einer hohen Drehzahl, die 20.000 U / min übersteigt. Die Änderung und Schwankung der Drehzahl ist im Vergleich zu einem Rotor ohne Luftlager stark reduziert.
2. Fotolithografie auf der Innenfläche der feinen Röhre
Das Prinzip der Laserabtast- und Photolithographietechnologie, die auf der Oberfläche einer feinen Kupferröhre verwendet wird, ist in Fig. 1 gezeigt, und das manuelle Belichtungssystem für die Forschung ist in Fig. 2 gezeigt. Als Laser wurde ein Halbleiter-Violettlaser mit einer Wellenlänge von 408 nm verwendet eine Belichtungslichtquelle (Laser: TC20-405 / 20-4.5 / 15 und sein Modell: DPS-5004). Das emittierte Licht wurde durch eine Lochblende mit einem Durchmesser von 423 & mgr; m in der Form verändert, und das Bild der Innenfläche des Probenröhrchens wurde unter Verwendung einer Kombination eines 2x-Okulars und einer 10x-Objektivlinse 20-fach vergrößert. Bei 45 Grad des vom anderen Ende in das Rohr eingeführten Reflexionsstabs wird der Laserstrahl umgelenkt, und dann wird ein kreisförmiger Fleck mit einem Durchmesser von mehr als 1/20 der Lochgröße auf der Oberfläche der Probe erzeugt.
Unter Verwendung des vom Beleuchtungspunkt reflektierten Lichts wird ein Bild des Beleuchtungsflecks auf dem Probenröhrchen auf der CCD-Kamera erzeugt und die Größe und Form des Belichtungsflecks werden vor und während der Belichtung überwacht. Entsprechend der Programmanweisung wird das Muster durch die automatische Bewegung des feinen Probenröhrchens definiert, das auf dem Drehtisch und dem Lineartisch eingespannt ist. Die Tokyo Applied Chemistry Company verwendet positives P-MER P-LA900PM als Korrosionsschutzmittel, das durch ein infektiöses Verfahren auf die Oberfläche der Probe aufgetragen wird. Wenn der Resist einem Laser ausgesetzt wird und die Probe vertikal in den Entwickler PMER P-7G eingetaucht wird, wird das Muster gezeichnet. PMER P-7G ist eine spezielle Lösung von 3% Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
Abbildung 1 Prinzip des Scan-Belichtungssystems auf der Oberfläche feiner Röhren
Abbildung 2 Handgemachtes Belichtungssystem für Forschungszwecke
3. Rohrinnenätzen
Nachdem die Innenfläche des Probenröhrchens mit dem Resistmuster bearbeitet wurde, erfolgt ein Ätzen in dem elektrolytischen Ätzmittel. Das Ätzmittel ist eine wässrige Lösung, die Natriumchlorid, Ammoniumchlorid und Borsäure enthält. Obwohl das Ätzen der durch das Resistmuster markierten Röhre von der Außenfläche erfolgreich durchgeführt werden kann, ist es schwierig, unter Verwendung dieser Technik ein Ätzen von innen durchzuführen. Wenn das Ätzen von außen erfolgt, wird das Probenröhrchen als Opferanode um eine zylindrische Aluminiumkathode gelegt, wie in Fig. 1 gezeigt. Andererseits ist es zum Ätzen von der Innenseite der Röhre erforderlich, die Position zu verstehen, an der die Kathode platziert werden sollte, und wie die Stromversorgungsleitung zwischen der Stromquelle und der Anode und der Kathode angeschlossen wird. Abbildung 4 zeigt jedoch eine Methode, die nach eingehender Forschung künstlich entwickelt wurde. In der vorliegenden Studie wurde das Probenröhrchen als Anode und ein darin eingesetzter Aluminiumstab als Kathode verwendet. Gemäß der Formel (1) werden beim Anlegen einer Spannung an das Anodenkupferrohr die Kupferatome ionisiert und von der Rohroberfläche entfernt. Nach Formel (2) entstehen beim Auftreten von Kupferionen komplexere Salze.
Cu Cu2 ++ 2e- (1)
Cu2 ++ 4NH3 [Cu (NH3) 4] 2+ (2) Wenn während des elektrolytischen Ätzens die an die Anode angelegte Schleifenspannung unterbrochen wird, stoppt das Ätzen sofort. Wenn der Korrosionsstrom überwacht wird, kann außerdem der Endpunkt des Ätzprozesses relativ leicht beurteilt werden. Daher kann die tatsächliche Ätzzeit genau gesteuert werden. Der Resist wurde auf einen Abschnitt mit einer Länge von 20 mm vom Ende der Röhre aufgebracht. Aus diesem Grund ist der Abschnitt, in dem die Aluminiumkathodenröhre keine Resistbeschichtung aufweist, mit einem Isolierband bedeckt. Da die lokale Ätzgeschwindigkeit vom Abstand zwischen Kathode und Anode abhängt, befindet sich die Kathode mechanisch in der Mitte des Anodenrohrs, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Cu2 ++ 4NH3 [Cu (NH3) 4] 2+ (2) Wenn während des elektrolytischen Ätzens die an die Anode angelegte Schleifenspannung unterbrochen wird, stoppt das Ätzen sofort. Wenn der Korrosionsstrom überwacht wird, kann außerdem der Endpunkt des Ätzprozesses relativ leicht beurteilt werden. Daher kann die tatsächliche Ätzzeit genau gesteuert werden. Der Resist wurde auf einen Abschnitt mit einer Länge von 20 mm vom Ende der Röhre aufgebracht. Aus diesem Grund ist der Abschnitt, in dem die Aluminiumkathodenröhre keine Resistbeschichtung aufweist, mit einem Isolierband bedeckt. Da die lokale Ätzgeschwindigkeit vom Abstand zwischen Kathode und Anode abhängt, befindet sich die Kathode mechanisch in der Mitte des Anodenrohrs, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 3 Rohre zum elektrolytischen Ätzen von außen
Abbildung 4 Auf der Innenfläche des Kupferrohrs findet ein elektrolytisches Ätzen statt. Als Anode wird eine Kupferröhre verwendet, in die eine Aluminiumkathodenröhre eingesetzt ist. Lage der Kathodenröhre
Die mechanischen Einstellungen werden in der Mitte des Probenröhrchens vorgenommen.
