镍平面弹簧系数误差分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇镍平面弹簧系数误差分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

本文作者：邵伟平 张继桃 郝永平 渠元菊 王威 谷双喜 单位：沈阳理工大学术研究与开发中心 国营第五二四厂

随着微机电系统技术的迅速发展，越来越多的MEMS器件得到广泛应用，MEMS弹簧就是其中之一。比如MEMS引信中的后座弹簧、离心弹簧等，而在微传感器、微陀螺仪、微执行器中，微弹簧也是十分重要的组成部分。无论是提供弹力还是传递能量，弹性系数都是作为一个十分重要的参数来保证其功能，因此微弹簧的结构设计、加工成型与性能对其所构成的器件能否正确发挥作用起着至关重要的作用［1］。当材料尺寸缩至微米/纳米量级时会发生明显的尺寸效应，因此由体材料测得的力学性能参数已不能满足MEMS器件的设计要求［2］，对于微弹簧而言，则是要对其设计公式重新推导，并验证其准确性。

1S型微弹簧设计依据

微弹簧作为MEMS器件中一种典型的微结构，受微加工工艺特点的限制，微弹簧的弹性系数是设计和加工过程中的关键参数［3］，虽然MEMS技术具有很高的加工精度，但如同任意一种加工技术一样，同样不可避免的存在误差［4］。使用LIGA(德文LithographieGalvanoformungAbformung的缩写)技术加工的微弹簧，其精度如何，能否保障精度要求，石庚辰等通过加工原理分析得出金属零件实体结构的加工误差为－10．5～5．5μm［5］，李华等在该误差基础上对弹簧弹性系数的性能做出了分析［6］，那么实际中因为加工工艺受限所产生的误差对弹簧弹性系数影响有多大就成了必须解决的问题，以便为以后微弹簧的设计提供参考。S型微弹簧垂直方向刚度系数计算公式为［6］:k=Eb3H/n(12πR3+24πRL2+96R2L+16L3)(1)式中:E———弹簧使用材料的弹性模量;b———弹簧线宽;H———弹簧垂直方向厚度;n———弹簧的节数;R———弹簧弯半径;L———水平方向宽度。具体如图1所示。通过式(1)及动力学模型中所需要的力学性能，就能确定弹簧的各个参数，从而确定弹簧尺寸，完成S型微弹簧的设计。

2弹簧尺寸测量及误差分析

通过式(1)可以看出对弹簧刚度系数影响最大的是弹簧线宽，而且此次测量弹簧的其他几个尺寸时发现误差不大，因此该次主要考虑弹簧的线宽。在其他值不变的情况下，根据测量出的线宽及式(1)计算出K值，并与原始设计值对比。弹簧一线宽设计值为25μm，弹性系数设计值为1．27N/m，弹簧二线宽设计值为60μm，弹性系数设计值为51．6N/m。如图3所示，将采用LIGA工艺加工出的弹簧放在高倍显徽镜下，使用设备自带的功能测量弹簧线宽值并记录下来。取两组不同弹簧尺寸进行测量，每组弹簧分别取10个，两组弹簧的节数都为18节，每个弹簧分别取10节来测量弹簧线宽值，最终取测量值的平均值来作为该弹簧的线宽。其测量及计算结果如表1和表2所示。由表1可以得出，第1组弹簧线宽平均值的最大值为34．3μm，最小值为24．2μm，原设计值为25μm，即平均值误差为－0．8～9．3μm，公差值为11．1μm。由表2可以得出，第2组弹簧线宽平均值的最大值为73．5μm，最小值为64μm，即平均值误差为4～13．5μm，公差值为9．5μm。结果发现两组弹簧的尺寸公差值大小相差不大，而且两组弹簧实体结构部分尺寸基本都是正偏差，这与文献［5］中给出的－10．5～5．5μm还是有所区别。由于加工工艺本身的限制，误差是不可避免的，如果能够确定误差的方向，那么实际工艺中就可以考虑采用偏量加工的方法来减小误差，以此来提高加工精度。通过表1和表2中已经计算出的两组弹簧刚度值，可以计算出各弹簧刚度实际值与设计值的相对误差，具体计算数据如表3所示。通过图4的曲线可以看出，第1组弹簧的相对误差曲线变化幅度比第2组要大，即说明第1组弹簧弹性系数相对误差大。同样的加工方法和测量条件，发现线宽尺寸较大的弹簧其弹性系数相对误差要小。

3结论

(1)在弹簧设计时，一定要考虑到加工误差，以保证弹簧在误差范围内都能够实现其功能。并且该误差范围一定要足够大，如表1中的弹性系数相对误差甚至超过了100%。(2)影响弹簧刚度值的参数不止一个，在加工工艺满足的条件下，设计时尽量保证弹簧线宽取较大的值，因为线宽较大时，弹性系数相对误差小。同时也有很多问题有待解决，如同一弹簧的不同节线宽不一样对弹簧刚度的影响是怎么样的，到底在什么范围内LIGA工艺的加工误差不随零件尺寸大小而改变。