（机械制造及其自动化专业论文）超声—电解复合微细加工应用基础研究.pdf

扬州大学硕士论文 摘要 本文概述了微细加工技术及应用特点，介绍了常用微细特种加工及复合微细 加工工艺，重点分析了微细超声加工和微细电解加工技术的特点与应用现状，提 出超声一电解复合微细加工新技术构想，进而提出本文研究工作内容与目标。 介绍了超声加工与电解加工的原理、设备、应用特点与工艺局限性，阐述了 超声一电解复合微细加工的工艺条件，论述了超声与电解技术复合实现微细加工 的必要性、可行性与技术优势。 根据微细加工的技术要求，结合超声加工及电解加工设备特点，构造加工参 数可较大范围调节的超声一电解复合微细加工装置，完善了阴极与工件间的微压 力调节装置、变幅杆的设计与制作、工作液的有效供给方式、微器件的精确定位 方法、加工过程参数检测显示及加工精度测量等工艺环节，为试验研究提供了基 础条件。 微细阴极制作工艺是超声一电解复合微细加工的关键问题，本文在分析微细 阴极工作特点及制作难点的基础上，利用“组合电加工”工艺制作微细阴极。利 用精密电加工机床，通过“平动拷贝”、“内、外面转换”及“多轴联动复合进给” 等微细放电方式，制作复合微细加工试验研究所用的阴极，并阐述了制作各类截 面微细阴极的基本方法。 对压电陶瓷、硅片、硬质合金等材料进行了单一超声加工试验及分析，对硬 质合金( y g 8 、y t l 5 等) 进行了超声一电解复合微细加工试验，检验了超声一电 解复合微细加工工艺的可行性和复合加工装置工作的可靠性；重点讨论了加工方 式及电解电压幅值、脉冲频率等参数对加工效率、精度、表面质量及工具阴极损 耗的影响规律，验证了超声一电解复合微细加工在硬脆金属材料加工中的技术优 势。本文的研究工作为超声一电解复合微细加工工艺的应用建立了基础条件。 论文最后对超声一电解复合微细加工技术特点进行分析、总结，提出现有工 艺方案存在的问题及完善的措施，并对后续研究工作提出了设想和展望。 关键词：超声加工，电解加工，复合微细加工，微细阴极制作，微细加工试验 超声一电解复合微细加工应用基础研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p to fm i c r o - m a c h i n i n ga n di t st e e l a n i e a lc h a r a c t e r i s t i c sa 坞 o u t l i n e d m e a n w h i l e ，t h ep r o c e s s e s u s e di ne o m b i n e d - m a e l a i n i n ga n dm i c r o n o n - t r a d i t i o n a lm a c l a i l l i l l gt e c h n o l o g i e sa 聪i n t r o d u e e x l f u r t h e r m o r e , t h ei m p o r t a n c eo f m i c r o m a c h i n i n ga b o u tu s m ( u l t r o s o n i em a c h i n i n g ) a n de c m ( e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g ) i s a n a l y z e da n de m p h a s i z e d b a s e d o i lt h e s et h e o r i e s ，t h ec o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n g t e c h n o l o g yo fu s ma n de c m i sp r o p o s e d ，t h e ns t u d yc o n t e n ta n dr e s e a r c ho b j e c to f t h i sp a l e r 锄c o n f i r m e d b e s i d e s ，t h em e c h a n i s m ，e q u i p m e n ta n dp r o c e s sl i m i t a t i o n so fu s ma n de c m 瓣 a l s os u m m a r i z e d a c c o r d i n g l y , t h ep r o e e ，i sr e q u i r e m e n t so ft h ec o m b i n e dt e c h n o l o g yi s s u g g e s t e d t h e n , ad i s c u s s i o n i sf u l t h e r 咖a b o u tt h en e c e s s i t y , f e a s i b i l i t ya n d a d v a n t a g e m e n t o f c o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n go f u s ma n de c m a c c o r d i n gt ot h em i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya n di t sc h a r a c t e r i s t i c ，e x p e r i m e n t a l s y s t e mo fc o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n go fu s ma n de c mi s b u i l tu p , i t sm a c h i n i n g p a r a m e t e r sc o u l db ea 由u s t e di naw i d er a n g e ，i n c l u d i n gt h eh y d r a u l i cd e v i c et h a tu s e d t oa 由u s tt h ec o n t a c tp r e s s u r eb e t w c e l lc a t h o d ea n dw o r k p i e e e ，t h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n go fa m p l i t u d et r a n s f o r m e rh o r n , s u p p l yo fe l e c t r o l y t e a n da b r a d a n t g r a n u l a r i t y , p r e c i s el o c a l i z a t i o no fw o r k - p i e c e ，p a r a r a c t e rd c t e e t i o r t , m c f l s u r e m e n to f m a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds oo n 。a l lo ft h ea b o v ep r o v i d e se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nf o r t h el a t e rr e s e a r c hw o r k i na d d i t i o n , t h em 柚l l j h 吐喇n gp r o c e s so fm i c r oc a t h o d e si sak e yf o rt h ec o m b i n e d m i c r o - m a c h i n i n go fu s ma n de c m , s oa f t e r d e t a i l e da n a l y s eo nt h ew o r k i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dm a n u f a c t u r i n gd i f f i c u l t yo fc a t h o d e s , c o m b i n e de l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n gi sp r o p o s e dt om a k ec a t h o d e st h a tw i l lb eu s e di nl a t e rt e s t s , i n c l u d i n gt h e c o p ya d d i n gt r a n s l a t e 。“m u l t i - a x l el i n k i n gf e e d s ”w i 也t h e s em e 咖，e x p e r t m o n t a l c a t h o d e sw i t hd i t f i r e n tc i o s ss o e t i o n sc o u l db em a d ea n dt h e g e n e r a ll n e f l l l s 蛳 s u m m a r i z e d d u r i n gt h ee x p e r i m e l l t , t h es o l ou l t r a s o n i cm a c h i n i n ge x p e r i m e n t sm c a r r i e do u t p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s , s i l i c o ns h e e ta n dc e m e n t e dc a r b i d e t h e nc o m b i n e d m i c r o m a c h i n i n go fu s ma n de c mi sd o n eo nt h ec e m e n t e dc a r b i d e s w h e r e a t t e r 扬州大学硕士论文 d e t a i l e da n a l y s ei sm a d eo i lt h em a c h t m n gp r e c i s i o n ，a b r a s i o nw e a go ft h ec a t h o d ea n d e f f i c i e n c y , i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o l y t e ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ( v o l t a g e ，p u l s e p a r a m e t e r ) ，a m p l i t u d e , f r e q u e n c y , c o n t a c tp r e s s u r e a n da b r a d a n tg r a n u l a r i t y t h e p o s s i b i l i t y , f e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e so ft h ec o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g y u s e di nm h t n t n gm i c r oe l e m e n t si sc o n f i r m e d ，a l lo f w h i c hp r o v i d et h eb a s i cc o n d i t i o n i nt h ea p p l i c a t i o no f c o m b i n e dm i c r o - m a c h _ i n i n go f u s ma n de c m i nt h ee n d , t h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c so f t h i sm i c r o - m a c h i n i n gi sa n a l y z e da n d 羽卫n n l 卸晤z e d f u r t h e r m o r e , p r o c e s sp r o b l e m s s h o r t a g ea n di t si m p r o v e m e n tm e a n sa r e a l s os u g g e s t e d t h e nf u r t h e rs t u d yw o r k sa r cp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm a c h i n i n g , e l e c u o c h e m i c a lm a c h i l a n g ，c o m b i n e dm i c r o - m a c h i n i n g ，m i c r o c a t h o d e m a n u f a c t u r e ，m i c r o - m a c h i n i n gt e s t s 扬州大学硕士论文 第一章绪论 1 1 微细加工 1 1 1 概述 1 微机械 微机械又称微系统( 或称微机电系统- - m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ， m e m s ) 技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的一门新兴学科。微机械体积小、 重量轻，是利用微细加工技术和某些特殊功能材料，将机构及其致动器、控制器、 传感器、电源等集成在一个微小体积范围内，发挥机械功能的机电一体化产品， 同时也是机、电、光、磁、化学、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的 综合i i “。 在微型机械研究领域中，根据尺寸，微机械一般可划分为l m m - l o m m 的小型 机械，l p m - l m m 的微型机械，l n m - l p m 的纳米机械。与微机械尺寸相对应的微细 加工技术可分为微米级、亚微米级和纳米级微细加i 1 2 1 。 微机械在航空、航天、医疗生物工程、环境监测、微型机器人、传感器等众 多领域中有着广泛的应用前景，计算机技术、微电子技术及航空航天等技术的进 一步发展也只有通过微型化和集成化来实b j b f 3 1 4 1 。 微机械技术综合应用了当今世界科学技术的尖端成果，是影响产业竞争力的 基础技术之一。它具有传统机械所没有的优异特性，有着广泛的应用前景和可观 的经济效益。据不完全统计，全世界利用微型机械概念衍生的产品中，光开关占 2 l ，压力传感器占2 5 ，惯性传感器占2 0 ，流体调节与控制占1 9 。据统计， 1 9 9 5 年，微型机械的世界销售额达2 5 亿欧元；2 0 0 0 年为1 0 0 亿欧元；2 0 0 2 年， 与微机械相关产品的产值己达到4 0 0 亿美元。就应用而言，美国和日本优先用于 航天航空、医疗、生物、民用电子产品等；欧洲主要用于制造技术、测试技术和 过程控制技术等方面。有人预言，微型机械技术将像i c 技术一样，将对世界科技、 经济和社会等诸多领域产生重大变革1 6 - 9 1 。 当然，微机电系统功能的实现必须有相应的基础理论及微细制造技术作为其 支撑。目前基于微机械的微细加工技术已成为微机械领域的一个重要研究方向。 2超声一电解复合微细加工应用基础研究 2 微细加工技术 微细加工技术是指能够制造微小尺寸零件的加工技术的总称。广义上的微细 加工技术，包括了各种传统精密加工方法以及几乎涉及各种现代特种加工的各种 加工方法，如微细电火花加工、电解加工、超声加工、等离子体加工、激光加工 等；狭义的微细加工技术一般主要指半导体集成电路的微细制造技术，如光刻、 离子束溅射、l i g a 技术等川。 微细加工技术是在集成电路工艺基础上发展形成的，综合应用了当今世界的 尖端科学技术，但其作用和影响已远远超出微电子技术的范围。目前，微细加工 技术已逐渐被赋予更广泛的内容和更高的要求，已在特种新型器件、电子零件和 电子装置、机械零件和装置、表面分析、材料改性等方面发挥着越来越重要的作 用，特别是微机械研究和制作方面，微细加工技术已成为必不可少的基本环节， 已成为产品微型化的技术支撑。 基于微器件的微细加工技术集合、交叉了多学科的内容，是一个融前沿高技 术和工程应用于一体的科学技术体系，受到国内外广泛重视，发展非常迅速，已 成为微机械领域一个重要研究方向【1 0 】【l l 】。 1 1 2 微细特种加工 微细加工中被加工零件的尺寸微小，精度比并不高，但由于定位精度、重复 精度和加工尺寸精度往往都达到亚微米级，传统机械微细加工方式，加工尺寸和 机床精度、刀具尺寸等因素的限制，不可能满足加工更微小尺寸的要求。特种加 工具有能量密度高和加工区域微小等特点，可以加工任何硬度、强度、韧性、脆 性的金属或非金属材料，且专长于加工复杂、微细表面和低刚度零件，甚至可以 实现分子或原子的切除加工，为此特种加工技术常常用于微细加工，微细特种加 工技术正受到世界各国的日益重视【1 2 1 。 目前，特种微细加工技术正处于蓬勃发展的阶段，在现代加工行业中的应用 已越来越广泛，尤其对难加工材料、复杂结构零件的加工，与传统机械切削式微 细加工方式相比，有其独特的优势和发展前景，现常用的特种微细加工技术主要 有0 2 q 5 ： 1 电火花微细加工 电火花加工是一种利用电、热能量进行加工的方法。在加工过程中，使工具 扬州大学硕士论文3 与工件之间不断产生脉冲性电火花放电，通过放电时产生的局部、瞬时高温蚀除 需要去除的金属材料。 电火花微细加工是特种微细加工中发展较为成熟的方法，它非常适合微米级 结构尺寸的微细加工，同时易于实现自动化，这对微细加工是十分有利的。 图1 1 为德国柏林技术大学生产技术研究中心在夏米尔公司的五轴线切割机 床的基础上改进的微细电火花加工中心【1 2 1 。其原理是将一个轴线平行的可回转主 轴头安装在线切割机床的上导丝头上，将一个微线电极磨削装置安装在机床的工 作台上，而且，该机床还在工件的夹紧系统上安装了回转装置，以便加工多种形 态的表面。该加工中心能实现微线切割、微型腔加工、微线电极磨削、微电火花 钻削和铣削等多种微电火花加工。 图i i 微细电火花加工中心原理图 图1 2 为应用微细电火花技术加工的微小齿轮模具照片。图1 2 ( a ) 为直径2 8 0 9 i n 的齿轮模具照片；图1 2 ( b ) 为化纤喷丝异型电极模具【1 3 】。 4 超声一电解复合微细加工应用基础研究 ( a ) 微齿轮模具照片c o ) 化纤喷丝异型电极模具 图1 2 应用微细电火花线切割加工的微小模具照片 一般来说，电火花微细加工技术与常规电火花成形加工并无本质区别。但要 将电火花加工技术应用于微细加工领域，必须具备3 个最基本的条件【1 4 】：( 1 ) 使电 极能以稳定微步即进给的高精度伺服系统；( 2 ) 能产生极微能量并且可控性好的脉 冲电源；( 3 ) 具备制造微细高精度电极的手段及工艺。 2 激光微细加工 激光加工是利用高能量密度( 1 0 l 1 0 1 1 w c m 2 ) 的激光热效应照射至工件表面 产生的高温( 1 0 0 0 0 0 c 以上) ，在千分之几秒内急剧熔化和气化各种材料来加工的。 激光束具有良好的可控性，易于进行各种复杂形状的微细加工，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) 都可以加i t l 5 】【1 6 1 1 。 目前，激光在微细加工中的主要应用有打孔、焊接、修整、调整、光刻等。 目前，激光微细加工的尺寸可达亚微米级。 图1 3 为用a r f 激光在人的头发丝上加工的4 0 9 r n 的方孔【1 6 1 。 图1 3 在人的头发丝上用a r f 激光加工的4 0 1 u n 的方孔 扬州大学硕士论文 5 3 电子束微细加工 电子柬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 ，c m 2 ) 的极细束流，以极高的速度轰击工件被加工部位，利用 电子束的这种高能量密度进行打孔、切割、焊接、光刻等的加工方法【1 7 1 。 电子束加工既是一种精密和超精密加工方法，又是一种重要的微细加工方法。 目前，电子柬加工己广泛应用于航空航天、电子、化工等行业。如今，电子束微 细加工主要用于打孔、窄缝、焊接和大规模集成电路的光刻化学加工。 图1 4 为电子束在不同功率密度下进行微细加工的示意图【l 研。低功率密度照 射适用于材料的表面改性；中等功率密度照射可用于电子束焊接；高功率密度照 射可用于钻孔，切槽等加工。 制t , g 豢纛夔夔 ( a ) 低功率密度照射 ( b ) 中等功率密度照射( c ) 高功率密度照射 图1 4 电子柬加工示意图 4 离子束微细加工 离子束加工是在真空条件下将氢、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束， 经加速、集束、聚焦后尉到被加工表面从而对工件实现加工的方法。 目前，离子束微细加工的应用范围主要有：对工件进行离子刻蚀加工，给工 件表面添加离予镀膜，进行表面改性的离子注入加工等。 图1 5 是离子束溅射镀膜加工原理图，利用被加速了的离子从靶材上打出原子 和分子，并将它们附着在工件表面上形成镀膜。广泛应用于表壳上离子镀氮化钛， 刀具、工具上离子镀氮化钛，可提高使用寿命l 之倍。 6 超声一电解复合微细加工应用基础研究 图1 5 离子柬溅射镀膜加工原理图 5 超声微细加工 应用于微细制造领域的超声加工与传统超声加工相似，但其输出功率，工具 振幅较小、加工精度高、磨粒微细、工具制作要求高。 晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，使硬脆材 料的微细加工技术成为制造业中的一个重要研究课题。微细超声加工技术是实现 微细三维结构加工的重要手段之一，工件无需导电的特性决定了超声加工技术在 陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方而有着得天独厚的优势【2 l - 2 3 1 。 东京大学生产技术研究所增泽研究室合理解决了微细工具的制作及微细工具 夹、工具回转精度等问题，采用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了 最小直径为m 5 岫的微孔，从而使超声加工作为微细加工技术成为可能田】。 哈尔滨工业大学贾宝贤博士等人在自行研制的微细特种加工平台上利用工件 振动的方式进行了微细超声加工实验。从理论上推导了微细工具压杆稳定的条件， 在石英玻璃上加工出微细孔。实验中还发现由于超声振动的空化作用，即使加工 介质中不加入任何磨料，仅用水作介质也可以去除工件材料。 图1 6 是利用超声微细加工在矽硅酸玻璃上加工的微细孔，直径为m l s o p m 。 图1 6 超声微细加工的微细孔 扬州大学硕士论文 7 微细超声加工时工具与工件之间的压力较低，工件表面的宏观切削力很小， 切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达 o 0 1 加0 2 m m ，表面粗糙度r t 可达0 6 3 t t m 一- 0 0 8 t a n ，适用于加工薄壁、窄缝及低刚 度等工件洲。 微细超声加工也存在其缺点，如加工效率较低，加工的零件表面粗糙度及加 工精度不高；对于一些韧性较好的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，甚 至无法加工；同时，超声微细加工所使用的工具较小，磨料对工具的磨损较大， 对零件的加工精度、表面租糙度有很大的影响。 目前，微细超声加工技术正不断完善，并向高精度、微细化方向发展，微细 超声加工技术正在成m e m s 技术的技术支撑 2 2 2 卯。 6 微细电解加工 微细电解加工的原理与电解加工在没有本质的区别，原理上都是以电化学的 阳极溶解原理，实现对金属材料工件的加工。通过控制电解过程中电解液、电压 和电流密度以及阴极的作用部位，就可以实现精度更高的电解加工，达到微细电 解加工的目的1 2 6 - 2 s l 。 微细电解加工是以离子去除的加工方式，理论上可以达到微细电解加工的目 的，从而实现对于微小尺寸零件的加工。 2 0 0 0 年德国f r i t z 地栅究所的科研人员将超短( 纳秒) 脉冲电流电源与低浓度 电解液、加工间隙的实时检测及调整等技术结合，使加工间隙缩小到几微米，实 现了亚微米级精度的加i t 3 m 。 荷兰菲利浦公司充分运用脉冲电流电解加工的特点创建了计算机控制的全自 动电解加工剃须刀静片的生产线，达到高质量、高效率加工的目的。这是电解加 工在微细加工领域应用的典型实例【3 l 】。 哈尔滨工业大学通过微细电火花线电极磨削制作出钨丝电极，电解液选用 3 0 9 l 浓度的n a c l 0 3 溶液，加工电压为4 v 6 v ，采用微细电解铣削的方式，加工 出了如图1 7 所示的微结构e 3 2 。 8 超声一电解复合微细加工应用基础研究 图i 7 电解铣削方法加工的微结构 韩国国立汉城大学研究人员，在工具阴极和工件阳极旁边用铂片为平衡电极， 以抑制不锈钢在加工表面生成钝化层，利用微细电火花制作前端为盘形的电极， 然后用微细电解加工出了微细群孔，窄槽，微棱柱和微半球等结构【3 3 】。 图1 8 ( a ) 是用直径o l o t t m 的铂丝在铜材料工件上加工出的微凸台结构，底部平 台为l o p m 1 5 1 m a x1 5 1 j a n ，上部棱柱为5 p m xl o l | e m x1 2 b i n ：图1 8 彻是用直径2 t i m 钨丝作阴极，3 n s 脉宽加工出的微螺旋结构，深度为5 p m 。 ( a ) 微凸台( b ) 微螺旋 图1 8 微细电解加工的微三维结构 图1 9 是利用低压高频电解技术加工的微细孔，最小直径达到m 5 岬p 4 l 。 图1 9 微细电解加工的微细孔 相比，微细电解加工与传统电解加工的原理相同，但还有其特殊的工艺特点， 如电解液的浓度低、加工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小、精度要 求高等。要真正实现微细电解加工，同时必须满足特定的设备和工艺条件， 扬州大学硕士论文9 电解加工在微细加工领域中的重要性已逐步显示出来，微细电解加工概念也 已被成功地应用在电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工中。目前，有些领域已开 始采用电解加工进行微细加工，如微细孔、微轴、探针的电解加工。但是，由于在 加工过程中受到电场定域性的制约，成形电解加工还不能称为精密加工技术，纳米 或微米级的电解成形加工还处于试验及设想阶段。 微细电解加工技术如要广泛应用于微细制造领域，还有许多技术问题需要解 决，例如工具的结构设计及制作、电解解液流场分析、如何提高集中腐蚀( 定域蚀 除能力) 、电解产物的顺利排除、减少杂散腐蚀、间隙的控制和检测等。此外，还 有许多基础技术尚待解决，如运动控制技术、工件的定位和装夹技术、测量技术等， 这些技术影响到微细电解加工的连续性、加工效率和零件的加工精度p 4 】【3 5 1 。 因此，扩展电解加工在微细加工中的应用仍需要开拓性的研究和创新。 1 1 3 发展趋势 微细特种加工技术已使微电子工业发生了革命性的变化，随着科学技术的不 断发展，相信它的发展和应用也必将给其它工业领域的制造技术注入新的活力。 微细特种加工技术正朝着更深的层次发展，其应用范围也日趋广泛。目前， 国内外对微细电火花加工、微细激光加工、微细超声加工、微细电化学加工等技 术的研究方兴未艾，在精密微细加工领域占有越来越重要的地位。特种加工技术 和微细加工领域必将进一步更新和扩展，加工尺度的微细化、加工方法的复合化 和加工过程的自动化，已成为近年来研究的热点和发展方 3 2 - 3 6 。 作为一门新兴学科，微细加工技术在继续促进微电子集成器件的发展的同时 也将促进新型器件和相关学科的发展，其主要发展趋势如下： 1 加工材料多样化馓细特种加工最早是从硅片的刻蚀开始随着微机械应 用范围的扩大。微细加工材料己从单一的硅晶体扩展到了黄铜、不锈钢等金属材 料及非金属材料； 2 产品结构复杂化随着材料和加工工艺的日益发展，加工从一维、二维 拓展到三维，运动部件增多，使用功能增加； 3 加工方法复合化微细加工目前仍以使用物理和化学能量的特种加工为 主，主要使用化学腐蚀、光刻、高能粒剥蚀、放电等方法以及上述加工方法的复 合； l o 超声一电解复合微细加工应用基础研究 4 技术发展综合化徼细加工是高技术的合成，集光机电技术与多种能量 加工方法一体，包括了超精密加工技术、检测技术、控制技术、微运动机构设计 等先进技术，多学科交叉复合，发展极其迅速。 1 2 复合加工 1 2 1 概述 复合加工同微细加工都是现代制造领域研究的热点，充分融合了现代电子技 术、计算机技术、信息技术和精密制造技术为基础的高新技术是未来制造业加工 技术中极其重要的发展方向之一【2 1 1 3 6 1 。 随着尖端科学技术和国防工业的不断发展，需要高质量( 高的加工精度和低 的表面粗糙度等) 的半导体硅片，蓝宝石、陶瓷、石英玻璃等脆性材料的产品， 为此，需要对它们进行超精密加工。这些材料虽有广泛的用途，但其硬度高、熔 点高、脆性大，物理机械性能( 特别是韧性及强度) 与金属材料相比有很大差别。 另外，由于脆性材料在韧性和强度方面相互之间差别较大，所以，脆性材料的超 精密加工非常困难。它的加工既不同于一般的高脆性材料( 金刚石) 的纯断裂过程， 又不同于金属材料的塑性剪切过程。为了获得高质量的脆性材料产品，目前许多 工业发达国家都致力于脆性材料和难加工材料( 包括金属材料) 的超精密加工这 方面的研究。 复合加工技术就是在此背景下应运而生的- - n 先进制造技术】。该技术是应 用多种形式能量的综合作用来实现对工件材料的去除和加工，其中包括传统加工 和特种加工的复合、特种加工与特种加工的复合，实现不同加工技术的优势互补。 复合加工可以对高脆性材料经济、可靠地实现高的尺寸精度、形状精度和极 低的表面粗糙度，并能使表面和亚表面层的晶体结构组织的损伤减少到最低程度。 它具有常规加工技术无法比拟的优点，已成为飞船、飞机、电子、激光核聚变、 天文等领域的重要支撑与关键技术。 复合加工方法大多是在机械加工的同时，应用流体力学、化学、光学、电力、 磁力和声波等能量进行综合加工；也有不用常规的加工方法而仅仅依靠化学、光 学、电磁学或液动力等作用的复合加工。 目前，常用的复合加工方法主要有闭； 扬州大学硕士论文l l 1 化学机械复合加工 化学机械复合加工是一种超精密的精整加工方法，可以有效地加工硬质合 金、工程陶瓷、单晶蓝宝石和半导体晶片等，可以防止机械加工引起的表面脆性 裂纹和凹痕，避免磨粒耕犁引起的隆起以及擦划引起的划痕，可获得光滑无缺陷 的表面。 常用的化学机械复合加工技术有：( 1 ) 机械一化学抛光( c h 口) ；( 2 ) 化学机 械抛光。 2 磁场辅助研抛加工 通过在磁场作用下形成的磁流体使悬浮其中的非磁性磨粒在磁流体的液体动 力和作用下压向旋转的工件进行研磨和抛光，提高精整加工的质量和效率，可以 获得o o l 岬的无变质层的加工表面，并能研磨抛光表面形状复杂的工件。 常用的磁场辅助精整加工技术有：磁性浮动抛光和磁性磨料精整加工。 3 切削复合加工 切削复合加工主要以改善切屑的形成过程为目标，分为加热切削和超声振动 辅助切削两种。 加热切削通过对工件的局部瞬时加热，改变其物理力学性能和表层金相组织， 降低工件切削区材料的强度，提高其塑性，改善其切削加工性能。 超声振动辅助切削方法以超声振动的能量来减小刀具与工件之间的摩擦，并 提高加工区工件材料的塑性，可以改善切削过程并提高加工质量。 4 磨削复合加工 磨削复合加工主要用于获得高的形状精度和表面质量。可分为：( 1 ) 基于松散 磨料或游离磨料的复合加工；( 2 ) 电解在线修整砂轮磨削法( e l m ) ；( 3 ) 机械脉冲 放电磨削复合加工。 5 放电复合加工 电火花放电复合加工( e d c m ) 是以火花放电所产生的热能为主，与磨料机械 能、超声振动能和电解的化学能等一种或几种能量形式复合进行的加工，它可以 提高加工表面质量和加工效率。主要有电解一放电复合加工、磨削一放电复合加 工、超声放电复合加工、超声振动放电一磨削复合加工技术等。 1 2超声一电解复合微细加工应用基础研究 6 超声复合加工 超声复合加工是利用超声能量与其它加工方式复合，以改善原有加工效果的 加工方法。主要有超声车削、超声焊接、超声磨削、超声电镀、超声电火花复合 加工、超声电解复合抛光等等。如今，超声加工及其它加工方式的复合加工方法 得到不断发展和应用。 复合加工是对传统机械加工、电加工、化学加工和激光加工等方法的重要发 展和补充。至今，复合加工技术已取得了一定的发展和应用，但随着精密加工和 超精密加工技术的发展，特别是微细加工、纳米加工、微型机械的发展，使得特 种加工在复合加工领域有了更多的发展，但仍不能满足科研和尖端科学技术的需 要。各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件的微细加工要求，迫切需要 研究开发新的复合加工方法1 3 7 4 0 1 。 1 2 2 超声一电解复合加工 1 加工原理 超声一电解复合加工是利用超声作用和电解原理进复合加工的加工方法。如 图1 1 0 为超声一电解复合加工示意图【2 5 】，工件接直流电源正极，工具接阴极，其 加工的原理是，阳极的工件因电解作用，加工表面产生致密的电解产物，从而减 小了电解作用，甚至形成钝化膜，阻止电解加工进一步进行。此时，加工液中的 磨粒因超声波的作用而作高频的抛磨作用，破坏加工区域的电解产物，并在超声 振动及空化作用下由工作液带走，此时，工件表面金属再次显露出来，电解作用 继续进行，如此重复前面的加工过程。 翘声波讯 图1 1 0 超声一电解复合加工示意图 扬州大学硕士论文1 3 超声一电解复合加工可在大幅提高加工速度的同时，提高加工精度，目前， 国内对此类方法仅在相关教科书上有一些简要的加工原理及系统建构的简介，具 体的理论研究和工作开展得很少，该领域的研究还处于起步发展阶段，有待于进 一步深入的研究。 超声一电解复合加工存在的主要问题为：电流密度较大时加工杂散腐蚀现象 严重，采取超高频脉冲电源、混气加工或复合电解液等措施，虽可得到一定程度 改善，但还需要进一步深入研究。 2 超声一电解复合微细加工 如在超声一电解复合加工中使用微电流电解，同时将超声振动、脉冲电流引 入微电流电解加工中，综合利用微细磨粒抛磨、超声“空化”及电解液的冲击作 用，理论上存在可以有控制地去除工件表面的电解产物，改善加工区工作状态的 可能性，从而能大大提高电解加工去除材料的定域性，提高电解加工成形精度， 达到表面微精加工的目的。 超声一电解复合微细加工可保持电解加工高效率、阴极损耗小的优点，同时 超声振动、脉冲电流又可以改善电解加工过程，具有复合技术优势，能够满足微 细加工的要求，具有进一步研究和应用的前景。 1 3 课题来源及研究目的 课题来源：江苏省高校自然科学基金项目一基于微器件的超声电解复合微细 加工基础研究( 批准号：0 2 b 4 6 0 0 0 9 ) 及国家自然科学基金项目一电解复合同步 超声频振动实现微精加工关键问题研究( 批准号：5 0 6 7 5 1 9 2 ) 。 论文研究目标为： 1 将超声微细加工与电解微细加工技术有机复合，扬长避短，期望发挥复合 技术优势，为微器件的微细加工开发一种高效率、高精度、低成本的新工艺。 2 进行超声一电解复合微细加工试验，验证超声一电解复合微细加工系统的 可靠性，及其加工硬脆难加工材料的可行性和技术优势，为此微细加工技术在微 细加工领域的应用创造条件。 1 4超声一电解复合微细加工应用基础研究 1 4 本文的主要研究内容 本课题的主要研究内容为：充分利用现有的设备条件，构建超声一电解复合 微细加工试验装置，设计制作试验使用的变幅杆及微细阴极工具头，选择合适的 试验参数，进行超声一电解复合微细加工试验。具体研究内容包括如下几个方面： 1 对微细加工、复合加工的基础理论进行研究和探讨，在对超声微细加工与 电解微细加工装置特点分析的基础上，设计构建超声一电解复合微细加工试验装 置： 2 设计制作典型的超声变幅杆；利用平动、拷贝、套料、高速( 低速) 走丝线 切割等电火花微细放电加工方法制作不同截面形状的微细阴极； 3 在工艺系统完善的前提下，选择合理的试验参数，进行多种方式的超声复 合微细加工试验，利用电流传感器、数字存储示波器及p c 机进行加工过程中各种 参数的检测、分析，并进行加工状态的评估，调整优化试验参数； 4 分析讨论超声一电解复合加工对提高精度、效率、表面质量的改善效果以 及原因，解决加工试验中存在的问题，并进一步完善试验方案； 5 选择几种典型材料进行典型结构( 如孔、轴、台阶等) 的加工试验，分析 几种主要参数对加工工艺指标( 加工效率、精度、表面质量等) 的影响规律，指 导实际加工，为此工艺的应用奠定基础。 扬州大学硕士论文 1 5 第二章超声一电解复合微细加工机理探讨 2 1 超声加工 2 1 1 超声加工的原理与应用特点 1 超声加工原理 超声加工是利用超声波发生器产生的超声波能量经由换能器及变幅杆( 振幅 放大) 由工具端面作超声频振动，带动磨料悬浮液加工硬脆材料的一种特种加工 方法 4 0 1 。 超声加工的基本原理如图2 1 所示。超声加工时，在工具和工件之间加入水( 或 油等) 和磨料的混合悬浮液；磨料常采用氧化铝、碳化硼、金刚石粉等，液体常 用水或煤油等，使工具以适当的压力作用在工件上。超声换能器产生1 6 k h z 至 2 5 k h z 的超声频率作纵向振动，借助于变幅杆使振幅产生一定的放大，驱动工具 端面作超声振动，迫使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞 击、抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从 工件上被打击下来，每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达2 0 0 0 0 次( 决定于超声频率) 左右，所以总体显现有一定的加工速度。 图2 i 超声加工原理图 1 6超声一电解复合微细加工应用基础研究 与此同时，工作液受工具端面超声振动作用，产生高频、交变的液压正负冲 击波和“空化”，迫使工作液进入被加工材料的微细缝隙处，从而更加剧了机械破 坏作用。所谓“空化”作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件表面时， 加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当 工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新闭合，又引起较强的液压 冲击波，上述作用迅速、反复地施加在工具与工件之间微小间隙内的工作液里， 可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙 中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的磨粒及时得到更新。磨料悬浮液通 过不断更新，带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具逐渐深入到被加工材料 中，加工工具的形状便复现在工件上 4 0 - 4 2 j 。 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及超 声“空化”作用的综合结果，其中磨粒的机械撞击作用是占主导地位的，本质上， 材料去除的能量是机械能。 2 应用现状 几十年来，超声加工技术的发展迅速，在超声振动系统、深小孔加工、拉丝 模及型腔模具研磨抛光、超声复合加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在 难加工材料领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的经济效益。 我国超声加工技术的研究始于2 0 世纪5 0 年代末，到2 0 世纪末，超声加工技术 已有了迅速发展，在超声振动系统、深小孔加工、超声复合加工领域均有较广泛 的研究，尤其是在难加工材料领域解决了许多关键性问题。 前苏联在2 0 世纪6 0 年代就生产出带磨料的超声波钻孔机床；在美国，利用工 具旋转同时作轴向振动进行孔加工已取得了较好的效果；日本已经制成新u m t - 7 三坐标数控超声旋转加工机，功率4 5 0 w ，工作频率2 0 k h z ，可在玻璃上加工孔径 西1 6 m m 、深1 5 0 r a m 的深小孔，其圆度可达0 0 0 5 m m ，圆柱度为0 0 2 m m ；英国申请 了电火花超声复合穿孔装置的专利，该装置主要用于加工在导电基上有非导电层 的零件，如在金属基上涂有压电陶瓷层的零件 4 1 - 4 5 。 3 超声加工的特点 由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材料， 其受破坏的程度越大，越容易进行超声加工，其主要特点如下【3 3 】： 扬州大学硕士论文1 7 ( 1 ) 超声加工适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻 璃、陶瓷( 氧化铝、氮化硅等) 、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等； ( 2 ) 由于工具的运动轨迹通常为直线，工具可用相对容易加工的材料制造，以 便制作较复杂的形状，可以加工具有异型截面的形状、具有阶梯的通孔、盲孔等： 不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，在一般情况下，超声加工机床的结 构比较简单，操作、维修都很方便； ( 3 ) 超声加工去除材料是靠粒度极微小的磨料瞬时、局部的撞击作用以及超声 空化作用，所以工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小，不会引起 变形及烧伤，因而零件的表面粗糙度较好； ( 4 ) 可以与其它多种方法结合应用，如超声电火花加工，超声铣削等。 4 超声加工的局限性 ( 1 ) 超声加工面积较大时，超声加工效率有明显的降低；其次超声加工很难加 工韧性较大金属材料( 工具钢、硬质合金等) ；( 2 ) 超声加工圆柱形孔深度一般以 工具直径的5 倍为限，对于深径比较大的深小孔加工很困难；( 3 ) 超声加工工具在 磨料的抛磨下有损耗，同时，磨粒使工具与工件之间存在间隙，因此，精加工时 要考虑工具损耗及磨粒直径大小对加工精度的影响，工具设计中应给予合理补偿。 2 1 2 超声加工设备 超声加工设备又称超声加工装置，它们的功率大小和结构形状虽有所不同， 但其组成部分基本相同，一般包括超声发生器、超声振动系统、机床本体和磨料 工作液循环系统1 3