微细电解加工用阵列电极的侧壁绝缘研究

论文摘要

电解加工（Electrochemical Machining,ECM）是利用阳极溶解的原理实现金属成型的。这种微溶解的材料去除方式在微细制造领域有着潜在的应用前景,但是需要解决杂散腐蚀问题以提高定域蚀除能力。电极的侧壁绝缘能够有效抑制杂散电场,显著提高电解加工精度。本文针对微细阵列型孔的高精度电解加工,研究高深宽比微细阵列电极的侧壁绝缘方法。结合微细电解加工用阵列电极对侧壁绝缘膜的要求,对国内外微细电极侧壁绝缘方法和常用的薄膜制备工艺进行了理论、实验分析,提出了采用环氧树脂绝缘材料和旋涂工艺的微细阵列电极侧壁绝缘方案,利用电极高速旋转产生的离心力形成环氧树脂薄膜实现侧壁绝缘。并对方案的可行性进行了实验验证。设计并制作了分别适用于单电极和阵列电极的旋涂工艺专用夹具,进行了工艺参数优化、模拟电解加工条件下的绝缘性测试和微孔的电解加工。试验结果表明,反甩胶方式（电极端部为甩胶起点）能够得到端部厚度更均匀的侧壁绝缘膜,且在电解加工过程中不易被破坏;在环氧树脂液中添加适当比例的KH-550硅烷偶联剂则能显著提高绝缘膜的结合强度和机械性能。采用优化的工艺参数,如环氧树脂液成分配比、旋涂速度和旋涂时间等,经过5次涂覆,绝缘膜厚度为58μm。在微细单孔、阵列型孔的电解加工中,相比于未作侧壁绝缘处理的工具电极,采用上述工艺制备的侧壁绝缘电极能够基本消除入口边缘圆弧过渡区,显著减小微孔直径或边长、锥度,提高截面形状的复制精度,侧面间隙可被稳定控制在20μm左右,圆锥半角小于3°,对于异型孔,截面尖角处的圆角半径约15μm。综合比较加工间隙电场分布的数值模拟结果,极间电压、极间电流波形以及微孔加工结果,理论分析和实验结果均显示电极的侧壁绝缘可以有效约束电场,显著提高微细电解加工精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微细电解加工相关技术的研究与发展
• 1.2.1 绝缘掩膜处理工件
• 1.2.2 钝性（非线性）电解液
• 1.2.3 超短脉冲加工电流
• 1.2.4 侧壁绝缘工具电极
• 1.2.5 微细阵列型孔加工工艺路线
• 1.3 微细电极侧壁绝缘方法及其研究现状
• 1.3.1 CVD 技术
• 1.3.2 浸渍提拉绝缘树脂
• 1.3.3 滴涂瓷釉
• 1.4 研究内容
• 第2章 微细阵列电极的侧壁绝缘方案及其可行性验证
• 2.1 微细阵列电极
• 2.1.1 工艺路线
• 2.1.2 制备结果
• 2.2 侧壁绝缘方案
• 2.2.1 方法分析评价
• 2.2.2 方案设计
• 2.3 方案可行性验证
• 2.3.1 实验原理
• 2.3.2 结果与分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 旋涂法的工艺优化
• 3.1 旋涂工艺专用夹具
• 3.1.1 设计要求
• 3.1.2 微细单电极夹具
• 3.1.3 微细阵列电极夹具
• 3.2 旋涂工艺优化
• 3.2.1 各因素正交试验
• 3.2.2 甩胶时间
• 3.2.3 涂膜次数
• 3.3 电极的侧壁绝缘及绝缘性、耐久性测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 采用侧壁绝缘电极的微孔电解加工实验
• 4.1 微孔加工实验用平台及加工流程简介
• 4.1.1 装置本体及数控系统
• 4.1.2 微孔加工控制及流程
• 4.2 侧壁绝缘单电极的微孔加工实验
• 4.3 侧壁绝缘阵列电极的微孔加工实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 侧壁绝缘工艺的改进及微细型孔加工实验
• 5.1 侧壁绝缘工艺的改进
• 5.1.1 甩胶方式
• 5.1.2 环氧树脂液配方、固化工艺
• 5.1.3 涂膜次数
• 5.1.4 侧壁绝缘性验证
• 5.2 微细单孔电解加工实验
• 5.2.1 单孔加工
• 5.2.2 3×3 阵列孔加工
• 5.2.3 深孔加工
• 5.3 微细阵列型孔电解加工实验
• 5.4 电极侧壁绝缘对微细电解加工精度影响的分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 研究总结
• 6.2 对本研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果