（机械制造及其自动化专业论文）空气中微细放电沉积与去除可逆加工技术及实验研究.pdf

哈尔滨工业人学丁学硕士学位论文 摘要 电火花加工技术对难加工材料及复杂型面加工具有不可替代的优势，由 于能获得较高的加工精度和表面质量已经成为制造技术中不可缺少的加工手 段。微细电火花加工作为微细加工领域非常重要的一种加工技术，由于其加 工过程中一般没有宏观切削力作用。属于非接触式加工。加工单位小，可控 性好，在微小尺度零件的加工中通过选择合理的电参数，可以在空气介质中 将电极材料沉积在工件上，同时仅仅改变电极极性即可实现去除可逆加工。 这对于传统加工方法是一大突破，大大丰富了电火花加工技术的内涵。通过 这种方法，不仅可以加工复杂的具有凹面特征的三维微细型腔面，也可以沉 积出具有凸面特征的三维形状。本文的研究工作主要包括以下几个方面： 首先综述了微细加工领域的材料去除加工技术和材料沉积加工方法，然 后通过选择合理的电参数，在空气介质中进一步探索了常见金属材料铜作为 电极的放电沉积基本原理和基本工艺规律。主要对影响放电沉积加工的电极 极性、工作介质、电极间的能量分布、电极材料的热学常数等进行分析。发 现实现空气中微细放电沉积加工应采用小电流、窄脉宽和大脉冲间隔的电规 准参数。其次采用常见金属材料铜作为工具电极，工件材料为钢，进一步探 讨了在空气介质中利用机床两轴联动功能并制定合理沉积策略及电极路径规 划进行电火花沉积加工实现二维微细结构的造型方法。同时充分发挥放电加 工中阴、阳两极蚀除量受放电极性和放电参数影响极大的特点，在同一机床 上，探索放电沉积与去除一体化可逆加工的新方法，实现对所生成微细结构 的尺寸形状控制。最后对沉积材料的显微硬度和组织结构以及沉积物的成分 进行测试和分析，发现沉积物的显微硬度较原电极材料有较大提高，且利用 能谱分析和x 射线衍射分析进一步确认了沉积物材料的物相成分与元素的 具体存在形式。 关键词微细放电沉积；电极运动路径规划；二维沉积结构；可逆加工 堕筌鎏三兰銮兰三兰璧圭耋兰篓三 a b s t r a c t 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 ( e d m ) i saw e l l e s t a b l i s h e dm a c h i n i n g o p t i o nf o rm a n u f a c t u r i n gg e o m e t r i c a l l yc o m p l e xo rh a r dm a t e r i a lp a r t st h a ta r e e x t r e m e l yd i f f i c u l t t o m a c h i n eb yc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gp r o c e s s e s d u et ot h e h i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t yt h a ti tc a l lg i v e ，e d mi sp o t e n t i a l l ya r t i m p o r t a n tp r o c e s sf o rt h ef a b r i c a t i o n m i c r o - e d mi so n eo fe x t r e m e l yi m p o r t a n t p r o c e s si nt h ef i e l do fm i c r o - m a n u f a c t u r i n g b e c a u s em i c r o e d mi san o n - c o n t a c tm a c h i n i n gt e c h n i q u e ，a l s ot h ev e r ys m a l lp r o c e s sf o r c e sa n dg o o d r e p e a t a b i l i t yo ft h ep r o c e s sr e s u l t sh a v em a d em i c r o e d mt h eb e s tm e a n sf o r a c h i e v i n gh i g h a s p e c t - r a t i om i c r o f e a t u r e s t h r o u g hs e l e c t i n gt h er e a s o n i n g p a r a m e t e r s ，e l e c t r o d em a t e r i a l sc a nb ef a b r i c a t e do i lt h ew o r kp i e c e ，a n da l s ot h e r e v e r s i b l em a c h i n i n gc a nb er e a l i z e dj u s to n l y b yc h a n g i n gt h ep o l a r i t yo f e l e c t r o d ew h i c hi sag r e a tb r e a k t h r o u g ht ot h et r a d i t i o n a lm a c h i n i n gt e c h n i q u e s ， a n dw h i l et h et e c h n i q u ee n l a r g e st h ei n t e n t i o no fe d m b yt h i s w a yt h e g e o m e t r i c a l l yc o m p l e xm i c r o d i m e n s i o n a lc a v i t yw i t hc o n c a v ef e a t u r e sc a l lb e f a b r i c a t e da n dt h es a m ea sc a v i t yw i t hc o n v e xf e a t u r e sw h i l eu s i n ge d m d e p o s i t i o n ( e d d ) m e t h o d t h er e s e a r c hm a i n l yi n c l u d e sf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l yt h ep a p e rs u m m e du pt h em i c r o m a t e r i a lr e m o v a lm e t h o d sa n d m a t e r i a ld e p o s i t i o nt e c h n i q u e s t h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dl a w s o fm i c r o - e l e c t r i c a ld i s c h a r g ed e p o s i t i o nm a c h i n i n ga r es t u d i e dw h e nu s i n gc o p p e ra st h e e l e c t r o d e p o l a r i t y ，w o r k i n gf l u i d ，e l e c t r o d et h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e ra n de n e r g y d i s t r i b u t i o nb e t w e e ne l e c t r o d e st h a ta f f e c tt h er e s u l to fm i c r o e d da r ed i s c u s s e d s m a l lc u r r e n t ，n a r r o wp u l s ew i d t ha n dl o n gp u l s ei n t e r v a li sn e c e s s a r y s e c o n d l y ， f u r t h e rr e s e a r c hi sg o i n gt h r o u g hw h e nu s i n gc o p p e ra st h ea n o d ea n ds t e e la st h e c a t h o d e a c c o r d i n gt ot h er e a s o n a b l ed e p o s i t i o ns t r a t e g ya n de l e c t r o d et r a c k e s t a b l i s h e d ，t h ec o m p l e xf a b r i c a t i o nw i t hm i c r of e a t u r e sc a l lb er e a l i z e dt h r o u g h t h ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) f u n c t i o na n dm a c h i n et o o l sa x i sc o n t r 0 1 m e a n w h i i e -t h ew e a ro fa n o d ea n dc a 嘲o d ei s e x t r e m e l yd i f f e r e n td u r i n g e l e c t r i c a lm a c h i n i n ge s p e c i a l l yu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ep o l a r i t ya n dp a r a m e t e r s s oi fw eu t i l i z et h e s ec h a r a c t e r i s t i c s w ec a nf o r man e wf a b r i c a t i o nm e t h o di n t h es a m em a c h i n et 0 0 1 t h ed i m e n s i o no fm i c r o s t r u c t u r ec a t b ef r e e l yc o n t r o l l e d 【1 堕玺鎏三些查兰王兰璺圭耋堡墼兰 b vt h i sn e wm e t h o d e v e n t u a l l y ，t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so f d e p o s i t i o nm a t e r i a l sa r et e s t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h en u m b e r o fs t i f f n e s sd e p o s i t i o nm a t e r i a l si sl a r g e rt h a nt h a to fs t a t eo ft h eo r i g i n a l a n d a l s ou s i n gt h es p e c t r o s c o p ya n a l y s i sa n dx - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sm e t h o d ，t h e e l e m e n ta n dt h es t a t eo fs u b s t a n c ee x i s t e di nt h ed e p o s i t i o nm a t e r i a l sa r ef u r t h e r c o n f i r m e d k e y w o r d s m i c r o e d md e p o s i t i o nm a c h i n i n g ，e l e c t r o d et r a c kl a y o u t ，m i c r o - s t r u c t u r e ，r e v e r s i b l em a c h i n i n g i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 微细特种加工技术 第1 章绪论 产品的微型化是现代生产所追求的目标之一，而微细加工是实现产品零部 件微型化的最基本技术，它已成为涉及机械、电子、化学、材料等多种学科的 现代高新技术【1 i 。粗略地讲，微细加工技术可以理解为加工尺度在微米级以下 的、针对于微小尺寸零件或薄膜图形的一种加工制造方法。微细加工的两个基 本特征就是所处理的对象尺寸微小和加工尺度极小。另外，微细加工对加工环 境、制造设备、选用材料、测量方法和仪器等有其特殊要求。从m i 尺度看， 它可分为微米缀微细加工( m i c r o f a b r i e a t i o n ) 、亚微米级微细加工( s u b - m i e r o f a b r i c a t i o n ) 和纳米级微细j j l s e ( n a n o f a b r i c a t i o n ) 。微细加工经常是多种徼细 加工方式的综合【2 j 。 从基本加工类型看，微细加工可大致分四类；分离加工、接合加工、变形 加工、材料处理或表面改性等。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。微细加工技术已在特种新型器件、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日益重要的作用，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咧。 目前，在微细加工领域中，将同步辐射深度x 射线刻蚀、电铸成型及塑铸等 技术有机结合的l i g a ( 德文单词l i t h o g r a p h i c ，g a l v a n o g o r m u n g ，a b f o r m u n g 的缩写) 技术，由于能够制造出高宽比大于5 0 0 、厚度近1 0 0 0 p m 、结构侧壁平 行度偏差在亚微米级的3 维立体结构而倍受世人瞩目| 4j 。然而要实现l i g a 工 艺就必须使用昂贵的同步辐射源，同时，从原理上讲l i g a 技术很难用于斜面、 自由曲面的微细3 维加工【5 】，严格意义来讲l i g a 技术属于2 5 维微细加工技 术同时其昂贵的设备投资也令人却步。以下从材料的去除与沉积加工的角 度，简介几种目前常用的微细特种加工方法。 1 1 1 材料去除加工技术 材料去除微细特种加工方法主要包括准分子激光加工、离子束加工、电子 束加工、超声加工、电解加工和电火花加工等。 i i i 1 准分子激光微细加工准分子激光加工是一种光化学加工，常常被称 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 为冷加工，是激光加工中的新成员，能完成激光热加工( 主要指c 0 2 和y a g 等 红外激光加工) 所不能完成的一些工作，在微细加工以及脆性材料和高分子材料 加工等方面具有激光热加工无法比拟的优越性，具有广阔的应用前景。其特点 是：( 1 ) 加工质量好。对被加工区域影响小，从基体上去除材料时，基体几乎不受 影响。( 2 ) 由于准分子激光的波长短，加工时主要不是通过热机制，因而分辨率 高、精度高( 分辨率可达微米，在加工深度方向的控制以亚微米为单位) 。而且 去除量的重复性好，所以加工精度高、尺寸准确。( 3 ) 准分子激光加工通常采用 掩模系统，用宽光束进行面加工，加工形状可自由设定。在去除量小，加工面积 小，所需功率或能量不很大的场合，准分子激光加工的优越性更为突出嘲。 筮幽幽 图i - 1 准分子激光技术加工的微小结构t ” f i g i - 1m i c r o s t r u c t u r ec r e a t e db ye x e i m e rl a s e rm i e m m a e h i n i n l g p l 1 。l 。1 。2 电子束和离子束微细加工电子束加工是利用电子束的高能量密度进 行打孔、切割、焊接、光刻等工作，它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，电子束加工己广泛应用于航空航天、电子、 化工等行业。与其它加工方法相比，电子束加工有以下特点：( 1 ) 由于为非接触 式加工，工件不受机械力作用，因此加工范围广泛，对脆性、韧性、导体、非 导体、半导体材料及易变形零件等都可进行加工；( 2 ) 电子束能实现极其微细的 聚焦，其束径可达o 0 1 哪 s j ，因此加工面积可以很小。同时，最小束径的电子 柬长度可达其束径的几十倍，故适于加工深孔；( 3 ) 由于电子束的能量密度高。 因此加工速度快、加工效率高；( 4 ) 可通过磁场或电场对电子束的强度、位置、 聚焦等进行直接控制，易于实现自动化加工；( 5 ) 由于电子束加工在真空中进 行，因此污染较小，加工表面不易氧化。目前，电子束加工孔的最小孔径可达 m 3 p m 【9 j ；电子束刻线的最小线宽可达o 1 i m a ，定位精度为o 1 l a m 1 0 1 ；利用电子 柬在磁场中偏转的原理，使电子束在工件内部偏转，还可加工出微细弯孔。 离子束加工是在真空条件下将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子 柬，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面以实现各种加工。离子束加工是微 细加工和精密加工中一种最有发展前途的加工方法，其加工尺度可达分子、原 子量级，是现代纳米加工技术的基础工艺之。离子束加工具有如下特点：( 1 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 加工精度和表面质量高。离子束利用微观力效应进行加工，被加工表面层不产 生热量，不会引起机械应力和机械损伤。离子束加工的去除精度可达纳米级，离 子镀膜精度可控制在亚微米级，离子注入的深度和浓度也可实现极精确的控 制；( 2 ) 可加工材料范围广泛。由于离子柬加工是利用力效应原理，因此对脆性 材料、半导体材料、高分子材料等均可加工。由于加工在真空环境下进行，故 尤其适于j n i 易氧化的金属、合金和半导体材料：( 3 ) j n - r 方法丰富。离子束加 工可实现去除、镀膜、注入、曝光等多种类型的加工，与此对应出现了如成 形、刻蚀、减薄、复印等多种具体加工方法，在集成电路制作中占有极其重要 的地位；f 4 ) 离子束j n - r 控制性能好，应用范围广，易于实现自动化】。 1 1 1 3 超声波加工与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相 比，超声加工既不依赖于材料的导电性且在加工过程中又没有热物理作用，这 决定了超声加工技术在硬脆材料尤其是在非金属硬脆陶瓷材料加工方面具有广 阔应用前景。随着压电材料及电力电子技术的发展，微细超声加工技术成为当 前超声加工研究领域的热点。在硬脆陶瓷材料的微细超声加工方面，目前研究 主要热点是针对微细孔和微三维结构的加工上。1 9 9 6 年，日本东京大学增泽隆 久教授等人在超声加工机床上，利用w e d g 在线加工出微细工具，并成功地利 用超声加工技术在石英玻璃上加工出了直径为0 1 5j _ t m 的微孔，1 9 9 8 年又成功地 加工出了直径为0 5 r m a 的微孔，如图1 2 所示，这是目前微细孔超声加工的最高 水平。由于超声加工中的工具形状简单且加工原理相对简便，因此配以适当的 数控系统，借鉴数控铣削的方法，国外许多学者正在开展三维轮廓微细旋转超声 加工的研究。由于半导体硬脆材料( 如s i 等) 在m e m s 中的成功应用，加之超 声加工对此类材料的适应性，微细超声加工技术有望成为m e m s 技术的有力补 充。 图1 - 2 超声加工的微孔 f i g 1 ，2m i c r oh o l eb yu l t r a s o n i cm a c h i n i n g 1 1 1 4 电解加工电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 的制造技术，它具有许多独特的优点，如无工具损耗、与材料硬度无关、生产 率高、表面质量好、可加工三维复杂形状等。电解加工现已成为航空航天制造 业中一种关键技术，被广泛地应用在发动机叶片等零部件的生产中。电解加工 在兵器、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了许多应用3 1 。由于材料 的去除是以离子的形态进行的。这种微去除方式使得电解加工具有微细加工的 可能。电解加工在徼细加工领域已初露端倪，但有许多技术问题必须加以解 决，例如工具结构、电解液流动、杂散腐蚀。虽然有些介绍的研究已获得了很 好的结果，但是它们所涉及的尺寸范围要远大于硅片技术、l i g a 等微细加工 技术可达到的微小尺寸。 1 1 1 5 微细电火花去除加工由于微细电火花加工具有低应力、无毛刺和可 加工高硬度材料等优点而在微细加工领域被广泛应用。电火花加工已成为零件 精微加工的有效手段之一【l “。在国外，微细电火花加工在微细加工领域中所占 比重逐年增加，其对微细小孔尤其对微三维结构的加工能力是其它微细加工技 术所不能比拟的。当然，采用微细电火花方法j j n - r 数十微米的孔时，必须制造 出比孔还要细的电极。1 9 8 4 年东京大学生产技术研究所的增泽隆久等人发明的 线电极电火花磨削( 简称w e d g ) 技术的逐步成熟与应用，使微细电火花加工 技术进入实用化阶段，其研究逐步拓展到了三维微缨型腔的加工中i l5 1 。在微细 孔加工方面，增泽隆久教授已加工出小至直径为0 5 1 a r n 的孔，代表了这一领域 的世界前沿【l6 j 。1 9 9 6 年，日本三菱电机的真柄卓司、汤泽隆等人利用微细电 火花加工技术成功地制作出了由齿顶圆直径为0 1 2 m m 的大齿轮、齿顶圆直径 为0 0 2 m m 的小齿轮和直径为0 0 1 m m 的内心轴构成的、最深的加工尺寸为 2 7 0 p m 的齿轮铸模7 】。以微细电火花加工为主要技术手段，1 9 9 7 年7 月，增 泽隆久、余祖元等人利用简单形状的微细电极，制作出了尺寸仅为 0 2 m m x 0 3 m m x 0 5 m m 大小的微型汽车模具并用此制作了微型汽车模型【1 8 l ，如 图1 3 所示。三菱电机加工出5 0 0 叫a 的齿轮型腔i l ”，比利时鲁汉天主教大学 加工出直径为o l m m 的微小涡轮【2 0 1 。1 9 9 7 年，同本松下公司制作出了分度圆 直径为0 3 0 0 i m a 、齿高5 0 1 m a 的微型齿轮及宽5 p m 、长1 5 0 p m 的微槽【2 ”。1 9 9 9 年，日本庆应义塾大学谷村尚等人利用微细电火花加工技术加工出了直径为 0 1 5 0 m n 、尖端部直径为0 2 5 t t m 的扫描探针 2 2 】，并用其完成了三维表面的轮 廓测量【2 ”。美国内布拉斯加一林肯大学加工出数百微米的微小泵腔和 3 0 0 1 m a x 3 0 0 p m 的组合曲面零件j 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 材料沉积技术 图1 3 微细电火花加j l = 实例照片1 q f i g i 3e x a m p l eo f m i c r o e d m 材料沉积特种加工技术主要包括激光辅助化学气相沉积( l c v d ) 、集成固 化聚合物立体光刻( i h ) 、定域电化学沉积( l o c a l i z e de l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o n ) 和电火花沉积等。 1 1 2 1激光辅助化学气相沉积( l c v d ) l c v d 技术将激光激励过程引入 到化学气相沉积过程中，近年来世界上许多国家都对此进行了广泛的开发研 究，其发展也非常迅速。l c v d 较普通c v d 主要有低温化、低损伤、加工精 细化以及选择生长等方面的优点。因此激光诱导化学沉积技术在薄膜制备、电 子学、集成电路的制造等领域都具有广阔的应用前景 2 6 j 。 l c v d 技术能直接制作出简单三维微小结构，图1 - 4 是利用l c v d 制作的 微小弹簧，其线径小于1 0 p m ，外径小于3 5 0 i n n 。 a ) 三座标系统和旋转角度计b ) 硼微小弹簧加1 j 实例 图1 - 4 l c v d 技术加r 1 ：的弹簧1 2 7 1 f i g 1 - 4s p r i n gb yl c v d f 2 7 1 如果使用两个光源，可以实现复杂三维微小结构的一步式生长加工。图1 5 中的微小结构线径约为2 0 l - t m 。 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 a ) 三维l c v d 加工原理”三维氧化铝微小结构 图1 - 5 使用两个光源的l c v d 三维微小结构加工p f i g 1 5t h r e e - d i m e n s i o n a lm i c r o s t r u c t u r ef a b r i c a t e db yl c v du s i n gt w o b e a ms e t u p s 【2 8 】 1 1 2 2 集成固化聚合物立体光刻为实现微结构的真三维加工，日本i k u t a 教授于1 9 9 2 年开发了一种新的微加工工艺i h ( i n t e g r a t c dh a r d e np o l y m e r s t e r e ol i t h o g r a p h y ) 集成固化聚合物立体光刻技术，并在其后近l o 年的时 间里相继开发出了基于m a s s i h 、s u p e r - i h 、h y b r i d i h 和m u l t i p o l y m e ri h 等 一系列适合m e m s 发展需要的新工艺，并使用这些工艺加工出了相应的微三 维结构1 。 微细立体光刻技术是一种新型微细加工技术，它属于光造型技术，可以将激 光技术、c a d c a m 技术、材料科学及微细加工技术融为一体，直接加工出微 型立体结构，并可结合微细电铸技术将适用范围扩展到金属或非金属1 3 0 j 。 i h 立体光刻工艺是从宏观的立体光刻技术发展而来的，光刻的对象是液 态紫外抗蚀剂，该抗蚀剂能够在紫外光的照射下产生固化现象。图i - 6 为使用 s u p e r - i h 方法加工出的三维可动微器件微环旋转体。 图1 - 6 微环旋转体川 f i g 1 6m i c r oq u o i t sm a d eb ys u p e ri hp r o c e s s p 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 i 2 3 定域电化学沉积电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一 个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法。因此，它应是未来微、 纳米级加工最重要的方法之一。只要精细地控制电流密度和电化学发生区域， 就能实现微细电化学溶解或微细电化学沉积，即可达到对金属表面进行“去 除”或“生长”的目的。现在电化学加工已在许多微型机械方面得到应用，如 制造微型传感器、微型齿轮泵、微型电机、电极探针、微型喷嘴等都离不丌微 细电化学加工工艺i j z j 。 利用定域电化学沉积加工出来的微小结构的直径已经小于1 0 微米，使用 多晶镍材料沉积速度可以达到每秒几个微米。 a ) 镍柱( 直径l o l u n )b ) 镍弹簧 图1 7 定域电化学沉积出的微细结构【3 3 】 f i g 1 7m i c r o s t r u c t u r cm a d eb yl o c a le l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n ”1 1 1 2 4 微细电火花沉积加工随着电火花加工技术的不断发展，电火花加工 技术所应用到的领域在不断的扩大，一些新的电火花加工技术也不断的出现。 日本的毛利尚武教授和斋藤长男教授提出了在煤油中用放电进行表面改性的概 念，开始了液中放电表面改性处理的研究【3 小。他们使用直径为0 1 0 0 阻n 的钨电 极在煤油中利用电火花放电沉积的一百多微米的凸起，沉积的最高区域硬度为 1 3 1 0 h v ，相对于钨丝硬度，沉积材料的硬度有较大提高1 3 l 。 哈尔滨工业大学特种加工研究所也开展了t i 压粉体作电极的会属表面陶 瓷层液中放电沉积技术的研究，成功地在金属表面沉积了2 5 p m 左右的t i c 陶 瓷层，经测试表明处理过的表面其硬度最小值也达到了机体硬度的5 倍以上。 在相同的磨损实验条件下，用液中放电沉积方法处理过的表面磨损失重量是未 处理表面的1 7 左右，是p v d 方法处理表面的l 3 左右p 。 日本名古屋工业大学的o r ir i c a r d oi t i r o 、早川t 伸哉等人进一步发展了液 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 中放电沉积技术，研制了一种利用微细电火花加工来制作复杂三维微型结构的 新的沉积方法。他们用线电极磨削的方法制作了微细电极，用钢或铝合金作工 件，在空气或氮气中进行电火花加工。通过对工件和工具电极的瞬时温度分析 预测电火花沉积加工的放电条件，在工件表面沉积形成直径o o 1 4 m m 、高 2 2 r a m 的微小柱体 3 6 - 3 8 。 图1 8 是在空气中电火花沉积的微细圆柱。图1 9 是在空气中电火花沉积 之后其他参数不变，仅将加工极性变为电极接脉冲电源的负极，电极错开一个 半径进行电火花去除加工所得的样件。 闰1 8 微细放电沉积实例p 6 1图l - 9 沉积加工后去除加l ；1 3 6 f i g 1 8e x a m p l e o f m i c r od e p o s i l i o n l 删f i g 1 9r e m o v i n ga f t e rd e p o s i t i o n f 3 6 】 哈尔滨工业大学特种加工与机电控制研究所也展开了基于气中的微细电火 花沉积加工。通过预测与选择合理的加工电参数，成功地进行了常见金属材料 铜、钢、钨的单圆柱沉积加工实验，成功地得到了一系列的微细圆柱。图1 1 0 为采用钢、钨、铜作为工具电极沉积在钢材料的加工实例图片。 a ) 钢圆柱沉积体( s t e e l ) b ) 钨圆柱沉积体( t u n g s t e n )c ) 铜圆拄沉积体( c o p p e r ) 图i 1 0 微细放电沉积实例5 5 1 f i 9 1 1 0e x a m p l e so f m i e r od e p o s i t i o ns t r u c t u r e s l 5 目 哈尔滨_ t 业大学丁学硕士学位论文 在实现一维放电沉积加工基础之上，一些科研机构纷纷开展了针对二维微 细结构的放电沉积加工研究。将电极沿z 轴方向进给的同时，也沿x 轴方向 或y 轴方向进给，实现两轴联动的放电沉积加工。二维微细结构的加工较为复 杂，实现条件要求苛刻，对机床设备的质量( 运动速度、运动精度、脉冲电 源) 要求较高。 此外利用放电原理实现纳米级的去除和沉积加工以及利用单脉冲放电方式 形成微细探针尖等技术已经引起了国内外学者的高度重视，日本东京大学、丰 田工业大学、三菱电机公司、哈尔滨工业大学等均开始着手进行此方面的研究 工作，所制作的微细探针尖端部分已接近1 0 0 r i m p 9 - “。这些加工实例的最小去 除单位都已经接近纳米级。但就目前的最新资料看，这些研究还是分别玎展 微、纳米级放电去除和放电沉积，尚未将两种加工方法进行有机的结合。 1 2 课题的研究目的和意义 微型化、精细化、智能化和集成化是未来微型工作系统发展的重要方向。 微型工作系统，如微型飞机、微型卫星、微型机器人等必将在未来生产和生活 中发挥重要的作用。这些微型化机器的制造问题对现代制造技术提出了新的挑 战。事实上，组成微型机械零部件的材料、形状等都极为复杂，因此研究在微 纳米尺度上的、具有三维加工能力的、能够处理性能优异的各类金属材料( 特 别是一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲 击、耐疲劳等性能的高合金材料) 的微细加工方法，已经成为微型系统研制的 关键技术 4 6 4 3j 。 微细电火花加工靠放电时的电热作用去除或增加材料来达到加工的目的， 在加工过程中几乎没有宏观切削力作用，属于非接触加工，材料的可加工性主 要取决于材料的导电性及热学特性，与其力学性能( 硬度、强度等) 无关，因 此特别适合难切削材料的加工。微细电火花加工在处理各种性能优异的金属材 料加工三维复杂形状方面优于m e m s 方法，因此在微小尺度零件的加工中有 着不可代替的优越性1 4 4 j 。 通过微细放电加工方法可以实现纳米级的去除加工；经过合理选择加工条 件和加工参数也可以通过放电将金属材料沉积在工件上。通过这种方法，不仅 可以加工复杂的具有凹面特征的三维微细型腔面，也可以沉积出具有出面特征 的三维形状。在微细加工范畴内，在同一台设备上既可进行电火花沉积加工， 又可以进行去除加工的方法，是对传统电火花加工方法的一大突破，本文中称 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 之为可逆加工。 加工中如果通过在线检测的方法发现零件有部分缺陷，可以进行沉积生长 加工，通过局部沉积金属材料来弥补这一缺陷；同样道理，如果发现某一局部 存在欠加工，则可将其进行局部蚀除。因此对该技术进行更深入的研究，将有 助于机械零件的精密与无废品制造，同时对微三维结构的实现具有重要意义。 1 3 课题的主要研究内容 微细电火花沉积与去除可逆加工技术是电火花加工领域的又一新的研究方 向，极大地丰富了电火花加工的内涵，对其关键性技术进行系统而深入地研究 具有重要的现实意义。本文将就微细放电沉积与去除可逆加工技术的以下问题 进行研究： ( 1 ) 以传统的电火花理论为基础，从电火花加工中影响材料放电蚀除的 主要因素入手，对实现空气中微细放电沉积与去除可逆加工的相关因素进行探 讨，主要对电极极性、工作介质、电极间的能量分布( 脉冲宽度、脉冲间隙、 峰值电流、间隙电压) 、电极材料的热学常数等进行分析，总结出放电沉积与 去除可逆加工技术的基本原理和基本工艺规律。 ( 2 ) 采用常见金属材料铜作为工具电极，工件材料为钢，根据制定的二 维沉积策略和电极路径规划，利用具有数控系统的机床两轴联动功能在空气介 质中进行二维微细结构沉积及去除实验，总结出合理的实现放电沉积加工的电 加工参数和工艺规律，并尝试复杂结构的沉积加工。 ( 3 ) 对沉积材料的化学成分、组织结构、显微硬度等进行检测分析，并 对形成各种性质的原因给出适当解释，探讨对于被加工件使用性能的影响。 第2 章空气中微细电火花沉积加工的基本理论 电火花加工过程中，材料被放电蚀除的机理是十分复杂的综合性问题。而 空气中微细放电沉积加工又与这一过程是紧密相关的，本章将以影响微细电火 花沉积加工的主要因素为研究对象，对这些因素分别加以研究，寻求可实现放 电沉积的基本条件。 2 1 电火花力n - rf l c j 基本理论 电火花加工又称放电加工( 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 简称e d m ) ，在 2 0 世纪4 0 年代开始研究并逐步应用子生产。因放电过程中可见到火花，故称 之为电火花加工。 2 1 1 电火花加工的基本原理 电火花加工的原理是基于工具和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电 时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预 定的加工要求。研究结果表明，电火花蚀除的主要原因是：电火花放电时火花 通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、 气化而被蚀除掉，形成放电凹坑，达到去除的目的。为了达到这一目的，传统 上认为必须具备以下条件例。 ( 1 ) 必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙， 这一问隙随加工条件而定，通常约为几微米至几百微米； ( 2 ) 火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时问后，需停歇 一段时间，放电延续时间一般为( 1 1 0 0 0 9 s ) ： ( 3 ) 火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。例如煤油、 皂化液、去离子水等。 2 1 2 电火花加工的机理分析 火花放电时，庖极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的 物理过程即是所谓电火花加工的机理。从大量实验资料柬看，每次电火花腐蚀 的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的过程1 9 1 。这一过程大致可分为以下4 个连续的阶段： ( 1 ) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道； ( 2 ) 介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀； ( 3 ) 电极材料的抛出； ( 4 ) 极间介质的消电离。 2 - 2 空气中微细放电沉积j n t 的基本理论 电火花加工过程中，材料被放电蚀除是一个多种因素同时作用、十分复杂 的过程。而空气中微细放电沉积加工又与这一过程相逆，所以作者将从传统的 电火花加工中影响材料放电蚀除的主要因素入手，最终总结出能够实现这一新 加工方法的基本规律。 2 2 1 电火花沉积) j a - r 的工作介质的选择 传统的电火花加工通常在液体介质中进行，工作液的作用是：形成火花击 穿放电通道，并在放电结束后迅速恢复间隙的绝缘状态；对放电通道产生压缩 作用；帮助电蚀产物的抛出和排除：对工件、工具的冷却作用；因而对电蚀量 也有较大影响。介质的绝缘性使低于击穿电压的脉冲电压不起作用不能击穿 时，最多只能产生电荷累积。由于这种作用，使放电脉冲的实际效果与理想脉 冲等价，而且相当于修正了脉冲波形，增加了消电离时间 4 8 1 。介电性能好、密 度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产 物的抛出效应，但密度大不利于电蚀产物的排除，影响放电。目前电火花成型 加工主要采用煤油作为工作液，粗加工时的脉冲能量大、爆炸排屑能力强，往 往选用介电性能好、粘度较大的机油，而且机油的燃点较高，大能量加工时着 火燃烧的可能性较小；而在中、精加工时放电间隙比较小，排屑比较困难，故 一般均选用流动性好、粘度小、渗透性好的煤油作为工作液 4 6 1 。为了避免油液 加工中加工液的气化、膨胀部分的去除效果，微细放电沉积加工选择在空气中 进行。在空气中进行放电沉积加工，工具电极的材料在放电能量的作用下熔 化、气化，在重力和电场力的作用下被带到工件上冷却形成沉积物，只有少部 分熔融物排出，从而有利于沉积物的形成。 电火花加工中用煤油之类的碳氢化合物作工作液时，在放电过程中将发生 热分解，而产生大量的碳，还能和金属结合形成金属碳化物的颗粒，即胶团。 中性的胶团在电场作用下可能与其可动层脱离，而成为带电荷的碳胶粒。电火 哈尔滨工业大学丁学硕十学位论立 花加工中的碳胶粒一般带负电荷，因此。在电场作用下会向正极移动，并吸附 在正极表面，进而在正极表面生成一层碳黑膜。该层黑膜可在一定程度上阻止 正极表面的蚀除( 损耗) ，这对于传统的去除加工是有利的。但在微细电火花 沉积过程中，这种现象却是极为不利的。因此，为避免液体介质电火花加工中 正极表面覆着碳而改变材料性能以及加工液的气化、膨胀部分的去除效果，电 火花沉积加工选择在空气中进行较为合理。同时，在空气中进行加工，还可以 避免油类工作液的刺激性气昧、易燃、在加工中高温分解产生的有害烟气等缺 点。 2 2 2 空气中微细电火花沉积加工的极性选择 在传统的电火花加工中，无论是正极还是负极，都会同时受到不同程度的 电蚀。即使电极和工件是相同材料电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极 性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。如果两极材料不同，则极性 效应更加复杂。在生产中，通常把工件接脉冲电源的正极时，称“正极性”加 工；反之，工件接脉冲电源的负极时，称“负极性”加工。 产生极性效应的原因很复杂，对这问题的一般解释是：在电火花放电过 程中，j 下、负电极表面分别受到带负电的电子和带正电的离子的轰击和瞬时热 源的作用，不同的加工条件下两极表面分配到的能量不一样。因而熔化和气化 抛出的电蚀量也不一样。这是因为电子的质量和惯性均小，容易获得很高的加 速度和速度，在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极，把能量传递给 阳极表面，使电极材料迅速熔化和气化：而正离子则由于质量和惯性较大，启 动和加速较慢，在击穿放电的初始阶段，大量的正离子来不及到达负极表面， 一个脉冲放电过程就已经结束，到达负极表面并传递能量的只有一小部分离子 卧8 1 。 在电火花放电加工过程中，采用负极性加工时，工具电极的损耗主要是出 于火花放电前几百纳秒出现的电子流对工具电极表面的轰击造成的。工具电极 损耗量随脉冲持续时间增大而减小，极间出现的电子流对工具表面的冲击是造 成工具电极损耗的主要原因【5 0 j 。 在微细放电沉积加工中，其指导思想是想把电极上的金属材料通过稳定的 火花放电沉积到工件上，在工件上形成一个三维立体结构。这就必须使电极的 蚀除速度大于工件的蚀除速度。这种加工方法与传统的电火花去除加工正好相 逆。通过对传统电火花极性效应的研究，作者认为要想实现这一新的加工方 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 法，应使工具电极的极性为正。因为在进行微细加工中，使用的是窄脉冲，这 样在加工时电子的轰击作用相对于离子的轰击作用占主导作用f 极的蚀除速 度大于负极的蚀除速度。在放电去除加工中，使电极的极性为负，去除加工便 可实现。 2 2 3 极间蘸量分布及加工参数的确定 一般情况下可以认为电火花加工中单个脉冲的蚀除量正比于单个脉冲的放 电能量，单个脉冲放电能量只如公式( 2 1 ) 所示。 只= 【u ( t ) i ( t ) d t = 只+ + 0 ( 2 - 1 ) 式中只放电功率( j ) ； f 。一单个脉冲实际放电时间( s ) ； “f 卜放电间隙中随时问而变化的电压( v ) ： f (