微系统粗糙表面的多峰黏着弹性接触分析.pdf

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1、设备设计／诊断维修／再制造现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2016年第4期微系统粗糙表面的多峰黏着弹性接触分析+苗淑静，郭志平，刘江(内蒙古工业大学机械学院，呼和浩特010051)摘要：在微系统中，粗糙表面间的黏着力是影响微尺度对象能否成功装配的主要因素。为研究微尺度对象粗糙表面的接触机理，将Maugius理论和分子作用的Kim物理接触理论相结合，建立了微尺度对象的多峰黏着弹性接触模型，应用三维分形几何进行黏着力的求解，并对Kim物理接触黏附半径做近似计算，且将新建模型与不考虑分子作用力的Mor-row模型进行比较。分析结果表明：微凸体两粗糙

2、表面的物理接触距离越小，对黏着影响越大；分形维数增加，微凸体物理接触的黏着作用显著增加；随着分形粗糙度减小，Kim物理接触的微凸体数目明显增多，黏着力显著增加。关键词：微系统；微凸体；黏着接触；分形几何；物理接触中图分类号：THll7．1文献标志码：A文章编号：167l—3133(2016)04—0152—05DOI：10．16731／i．cnki．167l一3133．2016．04．030Multiasperityelasticadhesioncontactanalysisfor。roughsurfacesofmicrosystemMiaoShujing，GuoZhiping，“u

3、Jiang(CollegeofMechanicalEngineering，InnerMongoliaUniversityofTechnology，Hohhot010051，China)Abstract：TheadhesionforcethatexistsinMicroElectroMechanicalSystems(MEMS)isamajorfailuremodeformicrosealeob-jeetionsdunngmanipulation．ThemultiasperityelasticadhesioncontactmodelispresentedbycombingMaugius

4、’theorywithKimphysicalcontacttheory．Inordertocomputeadhesionforceofthemodelbyfractalgeometry，theadhesioncontactradiusofKimtheoryisapproximated．ItiscomparedtheadhesionforceofnewmodelwiththatofMorrowmodel．Theresultindicatesthat，roughsurfacesoftwoasperitiesisthesmallerphysicalcontactdistanceandthe

5、greateradhesionforce；whenfractaldimensionisin-creased，adhesionforceofphysicalcontactforasperityisobviouslyincreased；whenfractalroughnessisdecreased，inthenumberofasperitiesofKimphysicalcontactandadhesionforcearegreatlyincreased．Keywords：microsystem；asperity；adhesioncontaet；fractalgeometry；physic

6、alcontact0引言在现代工业产品中微小物体使用越来越多，由于制造的产品尺寸微小(以下简称微尺度对象)，采用传统的加工、制造和装配方法很难实现。其中，在微尺度对象的装配过程中，由于微凸体粗糙表面间的黏着接触行为，黏着作用不仅严重影响着微机电产品的性能，而且已成为导致其高废品率的主要因素之一，因此，研究微凸体粗糙表面间的接触行为，对于微机电产品的制造和装配具有重要意义。早期接触表面黏着力的研究只针对范德华力、静+内蒙古自然科学基金项目(2012MS0730)152电力和表面张力进行¨剖。后来Kim”3发现微凸体间除了上述作用力外，当两表面接近距离小于分子间距时会产生分子作用力，称这

7、种作用力为Kim物理接触黏着力，而且这种物理接触黏着力与表面粗糙度有关。目前求解黏着力的方法有统计学和分形几何两种。由于分形几何能真实全面地反映微尺度对象粗糙表面对黏着力的影响，所以使用该方法研究表面粗糙度对微凸体接触影响的文献较多∞引，但均未考虑Kim物理接触作用力的影响。为全面考虑微尺度对象接触过程中表面粗糙度对黏着力的影响，本文将Mau一矛us真实接触¨0

8、和Kim物理接触相结合，采用分形几苗淑静，等：微系统粗糙表面的多峰黏着弹性接触分析2016年第