（机械制造及其自动化专业论文）三维微细电解加工技术研究.pdf

摘要 微机电系统( m e m s ) 的发展，带动了微细加工技术的发展。微细电解加工， 因其高效、低成本、可加工材料范围广、对j 件表面无应力、无热变形等优点， 可望在微细加工技术领域占有一席之地。 本文设计、制作了一台进行微细电解加工的实验装备，该装备有三个直线运 动系统、两个目转轴，采用步进电机驱动各轴互动，可以实现藤个回转轴的展成 运动以期实现电极在线制作以及三维零件的加工。 通过计算机控制工具电极或者工件的运动，让两者按照设定轨迹运动；力工 过程中，通过数据采集卡检测电极问的加工电压变化或者回路中的电流变化，自 适应控制电极间的端面间隙。 采用最高频率达1 2 5 k h z 的高频、窄脉冲加工电源，在该装备上进行了一系 列的微细电解加工的实验，分别探讨当电极问端面间隙、加工持续时间、电解液 种类( n a c l 、n a n 0 3 、n a c l 0 3 等三种) 以及浓度、高频脉冲电源的加工电压、 脉宽、占空比等参数改变的情况下，电解加工的效率、加工精度、表面质量以及 加工表面材质变化等规律。 在基本加工实验的基础上，对工件进行孔的加工，分析了不同加工情况下加 工孔的锥度变化。 用不同方法在线加工电极，成功的制作了几种微细电极，并提出了一种新的 在线电极加工方法。 关键词：微细加工 电解加工展成加工电极在线制作 广东工q k 大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h em i c r oe l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) ， m i c o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sg r o w sr a p i d l y e l e c t r o c h e m i c a l m i c r o m a c h i n i n g t e c h n o l o g yo w n s i t sa d v a n t a g e sa sh i g hm a c h i n i n ge f f i c i e n c y l o wc o s t ，w i d em a t e “a i s s u i tt of a b r i c a t e ，n or e s i d u a ls t r e s sa n dn oh e a tt r e a t m e n tb o r n eo nt h ew o r k p i c e s s u r f a c e ，s h o u l do c c u p ya ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h em i c r o m a c h i n i n gd o m a i n an e we l e c t r o c h e m i c a l m i c r o m a c h j n gs e t u p w a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ， w h i c hc o n t a i n s3l i n e rm o t i o ns y s t e m sa n d2r o t a t o rs h a f t s y s t e m s ，d r i v e nb ys t e p m o t o r s t h i s s e t u p c a nr e a l i z et h ef a b r i c a t i o no fe l e c t r o d e sw i t ht h em e t h o d so f g e n e r a t i n gm a c h i n i n ga n da 1 1t h ee l e c t r o d e sc a n b ef a br i c a t e do nm a c h i n e c o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e r ，t h et o o le l e c t r o d eo rt h ew o r k p i e c ec a nm o v ea l o n g a na p p o i n t e dt r a c k t h eg a pb e t w e e nt h ee l e c t r o d e sc a nb e s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l l e db y d e l e c t i n gt h ev 0 1 t a g eo rt h ec u r r e n tc h a n g e sd u r i n gt h em a c h i n i n gd u r a t i o n w i t ht h e a p p l i c a t i o n o ft h e h i g h - f r e n q u e c y - s h o r t p u l s ep o w e rs u p p l y ， j t s f r e q u e n c yc a nr e a c h 12 5 kh z ，s e “e st e s t sh a v eb e e np e r f o r m e dt o s t u d yt h er u l e so f e j e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n ga b o u tt h e m a c h i n i n ge f f i c e n cy m a c h i n i n ep r e c js i o n ， s u r f a c ec o n d i t i o ne t c w h i l et h ep a r a m e t e r so f m a c h i n i n gg a p ，m a c h i n i n gd u r a t i o n ，t h e e l e c t r o l y t et y p e s( n a c i ，n a n 0 3 ，n a c l 0 3 ，e t c )a n dc o n s i s t e n c e ，t h ev 0 1 t a g e ，t h e p u l s ed u r a t i o na n dt h ed u t yf a c t or ，e t c h a v eb e e nc h a n g e d b a s e do nt h ef u n d a m e n t a l t e s t ，s o m eh o l e sw e r em a c h i n e dw i t hd i f f e r e n t m a c h i n i n gv e l o c i t yt os t u d yt h et h e i rt a p e r s o m ew o r k p i e c e i n c l u d i n g t o o le l e c t r o d ew e r ef a b r j c a t e do nm a c h i n e u s i n g d i f f e r e n tm a c h i n i n gm e t h o d s an e wf a b n c a t i o np r o c e s sa b o u tt o o le l e c t r o d em a d e o n m a c h i n ew a sd r e s e n t k e y w o r d s ： m i c r o m a c h i n i n g ，e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，g e n e r a t i n gm a c h i n i n g t o o lf a b r i c a t e do nm a c h i n e i i 第章绪论 第一章绪论 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理对材料进行刻蚀 成形的加工方法。从加工机理上看，材料的去除是以离子的形态进行的，因此， 控制加工条件，选择加工参数，可望实现以离子数量级对材料进行加工。 电解加工为非接触加工，具有加工材料范围广泛，凡导电材料都能加工，不 受材料强度、硬度、韧性的影响，加工面无塑性变形、不会产生残余应力、无热 再铸层、没有毛刺、生产率高、成本低等一系列独特的优点。同时，电解方工也 存在加工精度和稳定性不高、工具阴极制造困难、加工周期长等难题。 白上世纪9 0 年代以来，高频脉冲电源应用于电解加工，大大提高了电解加工 的精度：计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极作一定轨迹的运动对工件 进行加工成为可能，从而解决了工具阴极制造周期长、加工稳定性不高等问题， 让电解加工技术在有了广阔的前景。有望成为一种高精度、高效率、低成本的加l 一方法。 1 1 本课题研究背景和意义 微机电系统( m e m s ：m i c r oe 1 e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) 专指外形轮廓尺寸 在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可灯声、 光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装 置。m e m s 以其微型化的优势，在医学、生物工程、机械工程、电工电子以及航 空航天、军事等领域有着极为广阔的应用前景。图1 1 为两种典型的微机电系统。 a ) 微型间谍飞机 b ) 微型塑料挤压模设备 图1 一l 两种典型的微机电系统 f 堙1 1t 、v ok i n d so f m e m s 广东工业人学工学硕士学位论文 随着微电子( m i c r o e l e c t r o n i c s ) 技术和m e m s 的发展，微小零部件的兰维加 工技术正受到国内外科技界的广泛关注，是当前各国研究和投资的热点课题。根 据y o l ed e v e l o p p e m e n t 的报告2 1 ( 参见图l 一2 ) ，2 0 0 2 年，仅m e m s 零部件一项， 其市场产值已达到3 3 5 亿美元，预计到2 0 0 5 年，该产值将达到5 3 6 亿美元。巨 大的市场前景必将为微细加工业带来良好的发展前景。我国正处于经济快速发展 时期，有众多从事生产制造的企业，我国也已经成为全球信息产j 世的制造基地和 生产基地，集中了大量电子产品生产商，生产、检测这些电子产品的设备、精密 仪器种类繁杂，数量众多，故对微零件、微结构的需求市场是巨大的。 图l 一2 m e m s 供应链( 来源y b l e ) f i g 1 2m e m ss u p p l yc h a i n 目前，许多精密、微小零部件，尤其是一些先进仪器装备的精微部件等，我 国尚不能自主生产，需要从国外进口。同时，国外对核心技术进行封锁，使我们 很难进口一些先进的制造设备，阻延了我国先进制造技术的发展。基于跟踪国际 微细加工技术发展以及满足市场需要、发展我国先迸制造技术的目的，本课题开 展了二：维微细零件加工技术的研究。 1 2 微细加工技术及其发展状况 微细加工起源于半导体制造工艺，在微机械研究领域中，它是指加】：尺度在 微米级、亚微米级乃至纳米级的加工方式。它采用的加工手段包含电子束、离子 柬、光子束、原子束、分子束、等离子束、超声、微波、化学和电化学等，利用 它们对材料进行光刻、制膜、刻蚀、掺杂、退火和材料改性以及切割、打孔、焊 第章绪论 接等加工。 高能束流微细加工、电火花微细加工、l i g a 技术、电化学微细加工等微细加 工技术已经获得了广泛的应用，在微细加工领域具有”定的代表性。 1 2 1 高能束流微细加工技术 高能束流微细加工主要是指采用电子束( e b ：e l e c t r ob e a m ) 、离子束( f i b ： f o c u s e di o nb e a m ) 、光子束( 包括紫外和远紫外线、x 射线及激光束等) 等对材料 进行微细加工，微细加工中许多加工方法都与其有关，例如l i g a 技术以及准 l j g a 技术就采用x 射线、激光对材料进行曝光。 电子束微细加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦， 形成高能量密度( 1 0 6 一1 0 9 w c m 2 ) 的极细束流，以极高的速度轰击工件待加工部 位。由于其能量大部分转换为热能而导致该区域的材料在千分之几秒的时间内达 到几千摄氏度以上的高温，从而使该处的材料熔化或蒸发，被真空系统抽走。在 微米量级微孔加 ：中，电子束可实现每秒数千孔甚至数万孔的高效加工。另外， 电子束也是一种重要的光刻技术，通过电子束曝光，可获得高精度的光刻零件。 离子束加工是在真空条件下，将氩( a r ) 、氪( k r ) 、氙 x e ) 等惰性气体通 过离子源产生离子束，经过加速、集束、聚焦后冲击到材料表面，通过离子撞击 1 件材料时起的破坏、分离或直接将离子注入加工表面等机械作用进行加工。在 离子束加工中，其束流密度和离子能量可精确控制，所以离子刻蚀可以达到纳米 级的加： 精度。该方法是目前所有特种加工方法中最精密、最微细的加工方法， 足当代纳米加工技术的基础。 a ) b ) 图i 一3 离子束沉积与离子束刻蚀 f i g i 一3f i bd e p o s i t i o na n dm a c h i n i n g 图l 一3 中a ) 图中上面的字体为采用离子束沉积技术得到的，厚度为2 0 0 n m 广东t ：k 大学学硕士学位论文 下面的字体为采用离子束进行铣削加工获得的。图b ) 中左图为采用离子束沉秘 技术制作的柱状体，其直径约2 0 0 n m 左右，高度和直径之比超过5 0 ；右图为采 用离子束刻蚀技术对该圆柱进行加工，获得一个顶部半径小于4 0 n m 的锥形a f m 针尖“。 除了用于改变零件几何形状，离子束也可用于表面性能增强，如离子镀膜和 离子注入。离子束也是一种有效的光刻手段。 图1 4 激光微型加工技术加工的零件 f i g 1 4m i c r o p a r t sm a c h i n e db yl a s e rm i c r o m a c h i n i n g 激光是一种具有亮度高、方向性和单色性好的相干光，经聚焦后能形成直径 为业微米级的光点，焦点处的功率密度可达到1 0 8 一1 0 w c m 2 ，温度高达1 0 ，0 0 0 以j 二，可在千分之几秒内急剧熔化或汽化各种材料。几乎对所有金属和非金属 材料( 如钢材、耐热合金、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金及复合材料等) 都可以 加i 。自上世纪8 0 年代以来，采用脉冲式工作的激光微纳米加工开始引起人们关 注。f 1 前的飞秒脉冲激光加工，脉冲宽度最短可达到4 飞秒( 1 0 。5 s ：f e m t o s e c o n d ) ， _ | 5 1 秒脉冲与物质相互作用时，去除物质的深度叮达到1 n m 以下，横向加工精度可 达到几十纳米”。5 】。 采用激光微细加工技术对微小零部件进行三维微结构加工，主要加工方法有： 激光直写微细加工、激光l i g a 、激光微细立体光刻、激光诱导化学沉积技术等 7 10 1 。许多研究机构利用激光微细加工技术进行三维微小部件的研究，如日本 t 0 k u s h i m a 大学的研究人员利用7 9 5 n m 、1 2 0 f s 脉冲的掺钛蓝宝石激光器，通过程 控在硅玻璃里面写入了三维图样，然后用腐蚀液腐蚀去除激光照射过的区域，露 出要求的结构；中国科技大学采用自行研制的双光子三维微细加工系统，已加 工出外径2 0 u m ，高5 u m ，内孔直径为5 u m 的直齿轮l 垃 ；德国海德尔堡器械微技术 4 第章绪论 公司开发出了微三维结构高精密激光加工机床” 。图1 4 为采用激光微细加工 技术制作的微结构。其中a ) 图为在聚酰亚胺加工的赢径3 0 m 打印机喷嘴，b ) 图 为加工的角锥形列阵，c ) 图为非线性的锥形喷嘴。 采用高能束微细加工技术进行微细加工可以获得很高的精度，但是其加工设 备都比较昂贵，并且许多的系统比较复杂、加：f 条件的要求也比较高。 1 2 2 微细电火花加工 电火花加工( e d m ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 是利用电极间火花放电产 生的热能将金属材料熔化、气化而进行加工的一种方法。该技术是1 9 4 3 年由前苏 联学者拉扎连科夫妇研究成功的，到了2 0 世纪6 0 年代末，荷兰p h i l i p s 研究所的 d s e n b r u g g e n 等人开始尝试用微细电火花加工技术进行微细加工，并成功加卜出了 由3 0 u m 的微孔，精度达到o 5 u m 。目前，应用电火花加工技术己可稳定地获得尺 寸精度高于0 1 u m ，表面粗糙度r a 小于0 ，0 l u m 的加工表面。 电火花加工已成为零件精微加工的有效手段之一。日本东京大学增泽隆久等人 已采用该技术加工出中2 5 u m 的微细轴和咖5 u m 的微细孔。国内已有科研机构加工 出巾4 5 u m 的微细轴和巾8 u m 的微细孔1 4 州】。国外的微细电火花加工已经进入 业 应用阶段，日本松下精机、瑞士阿奇夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的微 细电火花加工专用机床，其中日本松下精机的机床能加工m5 u m 的微细i l ，具有一 定的代表性。 微细电火花加工技术与m e m s 及其它微细加工技术是相辅相成的。如光刻技 术一般只能进行2 5 维加工，而微细电火花加1 ：则没有这种限制，可进行完全三维 的加工。因此，用微细电火花加工技术制作硅3 维微结构，再用光刻等技术在其卜 进行微电路刻蚀，无疑将会使微型机械具有更好的集成性和智能性。 1 2 3l i g a 技术 l i g a 技术是8 0 年代中期由德国k a r l s r u h en u c l e a rr e s e a r c hc e n t e r 的 w o l 起a n ge h r f e l d 教授等人发明的。它是由深层同步辐射x 射线光刻、精密电铸 成型和注塑成型等三种微加工技术结合而成的综合性技术。它的加工工艺过程如 图l 一5 所示。 j 1 。东j 一业大学上学硕士学位论文 d ) 去胶成模e ) 模具注塑f ) 去模成件 图l 一5l i g a 技术加工工艺( 来源i m m ) f i g 1 5l i o ap r o c e s s 首先如图1 5 中a ) 图所示，利用同步辐射x 射线透过掩膜对固定于金属基 体上的x 射线抗蚀剂层进行曝光；然后将被曝光过的抗蚀剂层通过显影除去，剩 余的即为掩膜覆盖下的未曝光部分的抗蚀剂层，它的平面形状与掩膜图形相同( 图 l 5 中b ) 图所示) ；以金属基体作为阴极，要电镀的金属作为阳极，进行精密电 铸，直到电铸形成的结构刚好把抗蚀剂模板的型腔填满( c 图所示) ；再将它们整 个浸入剥离溶剂中，对抗蚀剂形成的初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即 为所需求的微结构件( d 图所示) 。 将该结构件作为模具，通过注塑、铸造或轧花等方式进行批量生产，最后将 制作的微结构件从金属模中取出，如图1 5 中e ) 、f ) 所示。 l i g a 技术经过多年的发展，已经显示出其巨大的优势，能够制造出高纵深 比、高准确度的微部件，加工精度可达0 1 u m ，纵深比高达1 0 0 0 1 7 舶】，刻出的 图形侧壁陡峭、表面光滑。可加工材料广泛，金属及其合金、陶瓷、塑料、聚合 物等均可加工。 然而要实现l i g a 工艺就必须使用昂贵的同步辐射源，巨大的投资限制了它 的应用。在取代昂贵的x 光源和特制掩膜板的基础上，科研人员又开发了些新 的三维微细加工技术：u v l i g a 技术，l a s e r l i g a 技术，先进硅刻蚀技术( a s e ： a d v a n c e ds i l i c o ne t c h i n g ) ，d e m 技术1 9 。2 0 1 ( d e e p e t c h i n g ，e 1 e c t r o f o r m i n ga n d m l c r ( ) r e pj i c a t i o n ) 等。图l 一6 为采用这些方法加r 得到的零部件。 第章绪沦 a ) l i g a 技术( k a l s r u h e )b ) a s e 技术( i m m )c ) u v - l i g a 技术( i m m ) 图1 6 所列技术加工的三维微部件 f i g 1 6m i c r o p a r t sm a d eb yl i g at b c h n o l o g i e s 通过在l i g a 工艺中再加入牺牲层的方法，可使加工出微器件的一部分脱离 母体转动或移动，这在制造微型电动机或其他驱动器时极为有用。 采用l i g a 技术以及准l i g a 技术进行三维微结构加工已经进入商业加工阶 段。例如德国的f z k ，i m m ，s t e a gm i c r o p a r t sg m b h【2 1 氆】，国内的上海交通大 学所属的微米纳米加工技术重点实验室【2 4 1 等机构均对外进行商业加t 。均对 外进行商业加工。 l i g a 技术的不足在于设备投资大，成本高，有的材料难以加工，如单晶半 导体材料、部分陶瓷等，很难加工斜面、自由曲面，还不是真正意义上的三维加 叫25 i 。 i 2 4 其他微细加工方法 其他的微细加工方法还有以采用金刚石刀具为代表的超精密机械加工技术 2 、精密铸造27 1 、微细超声加工2 引、利用扫描探针显微镜( s p m ) 的探针直接对 材料进行加二 以及利用探针的尖端进行分子装配技术( m 0 1 e c u l a ra s s e m b l a g e ) 渺3 2 1 、微生物刻蚀技术【3 3 3 引、集成机构( i n t e g r a t e dm e c h a n i s m ) 制造技术3 1 等等。 综合以上的2 种或以上的技术，进行复合微细加工，可以取得了单项技术加工难 以达到的效果。将多种微细加工技术进行有效集成，将是新世纪微细加工技术发 展的必然趋势之一。 1 3 电化学微细加工技术 电化学微细加工( e m m ：e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g ) 包括向工件上沉 积金属的电镀、涂覆加工( 又称“增材”) 和从工件上去除金属的电解加工( 又称 广东工、大学工学硕士学位论文 “减材”) 两大类。 采用电化学微细加工技术对微机械零部件进行加工，其典型的加工方法主要 有e f a b 技术，约束刻蚀剂层技术，高频、窄脉冲电化学微细加： 技术等几种”1 。 a ) 沉积第一种材料b ) 沉积第二种材料 c ) 重复以上过程d ) 除去牺牲材料 图1 7e f a b 加工工艺示意图( 来源：i s i 3 6 1 ) f i g 1 7e f a bp r o c e s s 1 3 1e f a b ( e l e c t r o c h e m i c a lf a b r i c a t i o n ) 制作技术 e f a b ( e l e c t r o e h e m i c a lf a b r i c a t i o n ) 制作技术是由美国南加州大学信息研究所 的a d a mc o b e n 等人于1 9 9 9 年提出的。该技术是利用计算机技术将待加工的零部 件按高度方向分解成许多很薄的层，并采用电镀的方法在每一层上依次精确沉积 牺牲材料或结构材料，经过层层沉积，然后把牺牲材料溶解掉，由此得出几近真 正三维的超微图彤结构。其加工工艺如图l 一7 所示。这个技术的本质依然是： 维图像的无限多次套刻。 该机构已经利用e f a b 技术进行了商业制作，在网页【3 7 】中可以看到许多采 用该技术加工的样品。 1 3 2 约束刻蚀剂层技术 约束刻蚀剂层技术( c e l l ： c o n f i n e de t c h a n tl a y e rt e c h n i q u e ) 是1 9 9 2 年 由厦门大学的田昭武院士等人提出，其加工的基本原理是：利用电化学或光化学 反应在三维图形的模板表面产生刻蚀剂，当刻蚀剂向溶液中扩散时。与溶液中的 捕捉剂迅速发生反应，至使刻蚀剂几乎无法从模板表面往溶液深处扩散，从而把 第章绪论 刻蚀剂紧紧地约束在靠近模板表面轮廓很小的区域内。当模板非常靠近被加工工 件的表面时，被约束的刻蚀剂与待加工工件表面发生反应，这样就加1 二出与模板 丝补的图形。在前几年的研究中，该单位用卤状、金字塔状2 种规则模板，在半 导体g a a s 上实现了立体结构的加工刻蚀，加工精度达到1 m 【3 8 】。该加工方法 存在的两个问题是需要采用其他技术制作加工所需要的高精密模板并选择合适的 刻蚀系统使其达到纳米级精度刻蚀【3 。 1 3 3 高频、窄脉冲电源电化学微细加工技术 用高频、窄脉冲电源代替直流电源进行电解加工，使工件阳极在电解液中发 生周期性的断续溶解。它利用脉间的断电间歇去极化、散热，改善了加二【间隙的 理、化特性，使加工工具电极和工件之间的间隙可控制在微米范围内，对它们施 加个高频、窄脉冲电源，用此电源对工具电极和工件电极的双电层进行充电， 此双电层的极化将会局限在电极顶尖部位的微纳尺寸范围内，在离电极顶尖越 远处，充电能力越弱。所以采用该种方法，电化学刻蚀便被限制在工具电极的针 尖处。通过在三维方向上控制成型工具电极的位置可以对： 件进行三维刻蚀加工， 加t 精度可达到亚微米级。其加工示意图如图l 一8 所示。 图1 83 d 电化学微细加： 【4 0 1 f i gl - 83 de l e c t r o c h e m c i a im i c o m a c h i n i n g 目前，国内外各界对微细电化学加工进行研究，主要高频窄脉冲电源电解加 广东r 业大学上学碗上学位沧文 工入手，许多已经取得了很大的成果。德国f r i z h a b e r 研究所r o l fs c h u s t e r 等人， 加工数微米的微孔，其精度达到l o o n m 以下4 1 m 】。美国i b m 公司、p h i l j p s 公 司1 4 “、印度的j a d a v p u r 大学、广东工业大学4 “、华南理t 大学4 7 1 、清华大学 48 1 、哈尔滨工业大学0 4 、北京理工大学5 0 1 等企业、大学的科研机构均进行了这 方面的研究，并取得了一定的成果。 1 4 简单电极的数控加工技术 图1 9 展成电解加工示意图5 3 1 f i g 1 9s c h e m e o fe l e c t r o c h e m c a lg e n e r a t i n gm a c h i n i n g 传统的成型电极单方向进给进行“拷贝”式电解加工逐渐暴露出来加一j ：精度 低，工具阴极设计、制造周期长，复杂零件难以进行一次加工等缺点，这些都极 大地限制了电解加工的进一步发展。随着计算机数控技术的发展，发展了以简单 形状的工具阴极按照计算机数控指令对加工工件作预定轨迹的运动，通过工具电 极相对于工件轨迹的包络线，进行展成电解加工，来实现复杂零部件的电解加丁 5 1 52 1 。采用该方法能够实现包括自由曲面和回转曲面的完全三维的加工，可望成 为一种很有前途的加工方法。 1 5 本课题研究概况 1 5 1 课题方案 高频、窄脉冲电源电解加工可以获得较高的加工精度，并且对加工装备及加 工工艺没有严格要求；通过计算机控制工具电极或工件的运动，使= ：个电极相对 作。一定轨迹的展成运动，采用简单形状的工具电极就可以加工出三维形状的零件。 0 第一章绪论 将高频、窄脉冲电源电解加工与展成运动应用十微细加工领域，有望在微细 如i _ j ：领域开辟个新的加工方法。 1 5 2 课题来源 本论文的课题来源于郭钟宁教授主持在研的两个项目： 1 、广东省自然科学基金项目0 2 0 1 4 4 “三维微细展成电解加工研究” 2 、广州市科技计划项目2 0 0 4 2 3 一d 0 0 5 1 “三维微细展成电解加工技术与装备的开发研究” 该项目与广州市番禺联合科技发展有限公司合作 1 5 ，3 研究目标与研究内容 本课题是上述两个项目的前期研究，旨在对电解微细加工技术进行研究，发 展一种高精度、高效、低成本的微细加工方法，并制作出一台能够有实用价值的 加1 ：装备。其主要研究内容包括： 1 、电解加工装备研究：包括装备结构设计以及控制系统等，能够支持电极在 线制作，进行三维微细零件的微细电解加工。其内容将在第三章进行介绍。 2 、微细电解加工机理研究：研究采用高频、窄脉冲电源，在端面间隙、加l ： 时间、屯解液类型及浓度、加工电压、脉宽、占空比等参数不同时的电解加工情 况；研究用工具电极，对工件进行打孔加工的情况。其内容见第四章。 3 、加工f = 艺研究：研究电极在线制作 ：艺，以及微细零件加：亡等，其内容见 第五章。 广东丁业大学上学硕士学位论文 第二章微细电解加工基础理论 三维微细展成电解加1 二是采用高频、窄脉冲电解加工电源，用简单形状的工 具电极，根据工件的形貌特征，使工具电极相对工件作一定的轨迹的运动，由该 工具电极的运行包络面对工件进行电化学腐蚀加工。 2 1 电解加工 电解 图2 一l 电解加工示意图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图2 一l 所示工具、工件分别接 直流电源的阴极、阳极，两个电极之间有一个加工间隙，中间有电解液流过。 则在电源、工件、电解液、工具之间形成回路，有电流通过电解液从工件阳极流 向工具阴极；电解液中的阴、阳离子分别向阳极、阴极移动，从而在“金属溶液” 界面上进行有电子参与的电化学反应，在 ：具阴极处发生还原反应，产生氢气， 在工件阳极处发生氧化反应，对金属产生腐蚀。假定工件金属材料是铁，则可以 用f 列电极反应方程式对其进行描述： 阳极f e 一2 e = f e ”( 铁阳极溶解) f e ”+ 2 0 h = f e ( o h ) 2l ( 墨绿色絮状物) 4 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 + 0 2 = 4 f e ( 0 h ) 34( 黄褐色沉淀物) 阴极2 h + + 2 e h 2f ( 氢气逸出) 第章微细电解加工基础理论 2 2 电极溶液界面的双电层理论 电极溶液的界面一般发生电荷分离，结果产生电势差。电离出的正、负电荷 相互静电吸引，在界面上形成正电荷层与负电荷层并存的形态，称之为双电层。 科学界早在1 9 世纪就开始进行双电层的研究，并提出了几种结构模型：只考 虑电离的h e l m h o l t z 平板电容模型( 1 8 7 9 年) ；把溶液中的电荷( 离予) 看作点电 荷并由于热运动而扩散的g o u y c h a p m a 模型( 1 9 1 0 一1 9 1 3 年) ；融合了上述两个 模型，把溶液分成紧密层和扩散层的s t e r n 模型( 1 9 2 4 年) 等等。图2 2 中为 s i e r n 模型的示意图。 s t e n l 屡 e 扩散层 图2 2s t e r n 双电层模型 f i g 2 2s t e r nd o u b i el a y e rm o d e l 在s t e r n 模型中，在固体表面吸附了一层负离子，形成一个固定的吸附层， 称为s t e r n 层，s t e r n 层的厚度由被吸附离子的大小决定，一般只有几个纳米。被 吸附的负离子的中心构成的平面称为s t e r n 面，s t e r n 层以外，负离子呈扩散分布， 构成双电层结构的扩散层。扩散层的厚度主要取决于电解质的浓度和离子价数， 电解质浓度和离子价数越高，扩散层越薄，反之越厚。 由于双电层的形成，在界面上就产生了一定的电位差，& 口电极电位。双电层 的电位差为s t e r n 层电位差与扩散层电位差之和。s t e r n 面上的电势t 6 称为s t e r n 电势a 在s t e m 层内，电势由表面电势甲。降到甲6 ，扩散层中电势随离表面的距 离呈指数下降。 在外加电场的作用下，有强电流( 电流密度高达l o 1 0 2 a ，c m 2 ) 通过金属 溶液界面，此时，电极电位则由平衡电极电位开始偏离，并随着流过电流密度的 一匿 增大而偏离值更大。 2 3 阳极极化及其特征 将当有电流流过电极时，电极电位偏离平衡电位的现象成为电极的极化。电 极极化的趋势是：随着电极电流的增大，阳极电位向电极电位代数值增大的方向 发展，阴极电位向向电极电位代数值减小的方向发展。 按照阳极电极电位( e a ) 相对应阳极电流密度( i a ) 绘制成二者关系的曲线， 称为阳极极化曲线。阳极电位的变化规律主要取决于阳极电流f a 的高低，阳极金 属以及电解液电解液性质等因素。其主要类型有三种，如图2 3 所示： a ) 活化溶解b ) 活化一钝化一超钝化c ) 存在不完全钝化区 图2 3 三种典型的阳极极化曲线( 摘自5 4 1 ) f i g 2 3t h r e et y p i c a la n o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e s 图2 3 中a ) 所示，电流密度随阳极电位的提高而增大，固阳极金属溶解作用 也随着阳极电位的提高而增大，其阳极金属表面一直处于电化学阳极溶解状态， 即活化状态。 图2 3 中b ) 所示为活化一钝化一超钝化的变化过程。由f a e a 曲线川知，a b 段为活化溶解阶段：过了b 点之后，随阳极电位e a 的增大，阳极电流f a 会突降，则 阳极溶解速度也会剧减，这一现象成为钝化现象，该段称为过渡钝化区；c d 段随 阳极电位e a 的增大，阳极电流i a 会缓慢上升，称为稳定钝化区：过了d 点后，随阳 极电位的提高，阳极电流又继续增大，同时阳极溶解速度也继续增大，对应d e 阶 段成为超钝化阶段。 图2 3 中c ) 所示为活化一不完全钝化( 抛光) 一超钝化的变化状态。a b 段为活 化区：b d 段( 有的是c 7 d 段) 为不完全钝化区，随后进入d e 段的超钝化区。在不 完全钝化区内，电流密度和阳极溶解速度变化很小，但阳极溶解还在进行，阳极 4 销二章微细电解加l 基础理论 表而存在阳极膜，溶解后的表面平滑且有光泽，此区间又称为抛光区。不完全钝 化区电流密度较为恒定且生成可溶性保护钝化膜，表面粗糙度低。 极化曲线具体显示了阳极极化电位e a 与阳极电流f a 之间的关系、规律及特女f 。 造成极化的原因主要有三种：当电解过程中电极溶液界面处的离子浓度和本 体溶液浓度存在的差别越大，阳极表面电极电位越高；若电解过程中的电化学反 应速度落后于其他反应步骤，则造成电极表面电荷积累，从而使阳极电位更正， 阴极电位更负：若电解过程中在阳极金属表面生成一层钝化性的氧化膜或其他物 质的覆盖层，使电流通过困难，造成阳极电位更正，阴极电位更负【5 “。 2 4 加工间隙内的电场分布 微细展成电解加工中，采用简单形状电极按照一定的轨迹对工件进行加： ， 因加工区域面积一般小于l m m 2 ，可以看作加工是在二维表面进行加工。鉴于此， 将其加工间隙分为端面间隙b 和侧面间隙s 。 加工间隙是电解加工的核心工艺参数，它是决定电解加工精度的主要因素， 还直接影响到加工效率和表面质量。 加工电压是电源施加到工具阴极与工件上的极问电压，它克服双电层的反电 势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流场，确保达到所选用的电流密度。 电流密度i 是重要的加工参数，直接影响加工效率，加工粗糙度，也间接影 响力工精度。多数情况下，加工质量随着电流密度的增大而改善。 对电场进行简化、近似处理后懈i ，可以得出电流密度与加工间隙的关系式： u r = u 一6e( 2 i ) f k 坐 ( 2 2 ) 其中，u 为阴、阳极之间的加工电压( v ) ；6e 为电解加工中阴、阳电极电 位值总和t u r 为间隙电解液中的电压降( v ) ：i 为电流密度( a c m 2 ) ；为加工 间隙( c m ) ；k 为电解液导电率( 1 ，q c m ) 。 由式( 2 2 ) 可知，在加工间隙小的地方电流密度大，反之，则小。同样，如 图2 l 中所示，当工件某个区域距离工具电极较近时，其电流密度分布线就较为 密集，反之，则稀疏。 广东上业大学工学硕士学位论文 25 电解加工的法拉第定律 根据法拉第定律： l 、在电极的两相界面处( 如金属，界面上) 发生电化学反应的物质质量与通 过其界而的电量成正比： 2 、在电极上溶解或析出克当量任何物质所需的电量是一样的，与该物质的 本性无关。 则在电解加工过程中，如果阳极只发生确定原子价的金属溶解而没有其他物 质析出，阳极溶解的金属质量为： m = k q = k i t ( 2 3 ) 阳极溶解金属的体积为； v = m ，p ：k i t ，p = c l ) i t( 2 4 ) m 阳极溶解的金属质量 v 阳极溶解的金属体积 k 单位电量溶解的元素质量，称为元素的质量电化当景( g ，a s 或g ， a m i n ) q 通过两相界而的电量( a s 或a m i n ) l 电流强度( a ) t 电流通过的时间( s 或m i n ) d 金属的密度( c m 3 ) 。单位电量溶解的元素体积，即元素的体积电化当量( c m 3 a s 或者c m 3 a m i n ) 实际的去除量还要考虑到电流的效率刁，则实际去除量为： m = 覃kl t( 2 5 ) 由公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可知，当加工的工件材料确定时，加工金属的质 量或体积就与电流强度j 和加工时间t 有关系。 2 6 高频、窄脉冲电流电解加工 加工的基本原理就是以周期性的间歇供电代替传统的连续直流供电，使- 丁件 刚极在电解液中发生周期性的断续溶解。它利用脉间的断电间歇去极化、散热， 1 6 第二章徽细电解加【_ _ 基础理论 使加工问隙的电化学特性、流场、电场恢复到起始状态。这种瞬时的通、断电过 程导致电解加工问隙过程一系列物理、化学特性的改变。 当脉冲电流的频率提高到1 k h z 以上时，在脉冲电流关断时出现的短时反向电 流显著强化。此电流随频率的提高、间隙的减小以及正向电流的加大面加大，在 1 0 k h z 时最为显著”。 a ) 矩形脉冲加工时的电压电流图 b ) 分组脉冲加工时的电压电流图 图2 4 脉冲电源电压电流波形图 f i g 2 4t h ew a v e f o r mo fp u l s ev o l t a g e 网2 4 为用t e k t r o n i x 示波器采集到电压电流的波形图( 加工情况：用 广东d 咿足学【学硕士学位论文 彩0 3 m m 合金钻头作工具电极，在1 2 的n a c l 0 3 溶液加工s u s 3 0 4 板) ，其中图 2 4c _ ；ia ) 图为采用矩形脉冲波的电压电流图，b ) 图为采用分组脉冲加j 的电 压电流图，a ) 、b ) 两图中c h l 通道测得波形为电压波形，c h 2 通道测得波形为电 流波形。 图中可以清楚的看到断电间隙存在反向电流。该脉间反向电流起到了去极化 的左右，加速了对上一脉冲刷波中阳极表面钝化产物的活化过程，提高了阳极表 面的活化程度，延迟了下一周波进入钝化状态的时间，导致阳极超电位的l j 升期 推迟出现，使随后的超钝化过程也推迟到较高的电流密度区域，即使电流效率曲 线进一步右移。同时，因毛坯加工面上最大余量处对应的加工间隙最小，其电流 密度高，此区域的反向电流也应最大，其去极化效应也就最强，蚀除速度最高。 此二者导致高频、窄脉冲电流的阳极溶解的集中蚀除能力大为加强。 2 7 电解液注入方式 微细电解加工过程中，因为工具电极、工件的尺寸都很小，实际工作区域极 小，：l 件或者工具电极的大部分区域都暴露在电解液中，电解液的更新不需太大 压力，加工产物如氢气、金属化台物等，比较容易排出，所以相对于较大工件加 工中影响加工精度、加工质量的电解液流场因素，在微细加工中就不是如此重要。 微细电解加工实验中，电解液的注入方式分为两种： 1 、滴注式电解加工：加工过程中，大部分的工件暴露在空气中，通过一个喷 嘴将电解液注入到加工区域。 2 、浸入式电解加工：工件完全浸入到电解液中进行加工。 滴注式加工的电解液滴注，如果流量太小，则电解加工的产物不能顺利排出， 沉积在 ：件或工具电极上，使工件的新面不能呈现，影响了电解液的更新和热量 的排出，容易造成电极相互短路等缺点，从而影响了加工速度、加工精度和表而 质量。如果流最太大，则因为微细加工中，电极丝的尺寸比较小，一般在毫米以 下，电解液的冲刷过程中会引起电极丝振动，同样会影响电解加工的精度和表面 质量。实际加工中，降低电解液的流量，同时又保持定的压力，使电解液的注 入点离加工区域宵5 6 m m 的距离。 漫八式电解加工过程中，同样使电解液的注入点离开加工区域一段距离。 第二章微细电解加工基础理论 2 8 电解加工结果的评价指标 电解加工的主要指标包括电解加工的效率、加工精度、表面质量等方面。 电解加工效率主要是指电解加工速度的快慢，可以通过固定时间段内加工区 域的面积或者加工孔的直径长度来衡量；加工精度主要指电解加工的复制精度，