超纯水微细电解加工的基础研究

论文摘要

电解加工是一种利用阳极溶解原理并借助于成型的阴极,将工件加工成型的工艺方法,其以离子状态去除材料的方式在加工机理上存在微细、精密加工,甚至是纳米级加工可能性,因此,电解加工技术在微细制造领域有着很大的发展潜力。但是在传统电解加工中,通常采用具有腐蚀性电解质水溶液（如中性盐、酸、碱）作电解液,对加工零件及环境可能产生腐蚀和污染,这在精密、微细元件的加工中更要特别注意防止。为了解决这些问题,日本有学者提出以超纯水为电解液的构想。常温、常压条件下,超纯水中OH-、H+浓度只有10-7mol/L,在电场强度为4×104V/m的条件下,电流密度只能达到10-5A/cm2数量级,很难用于实际电解加工。而采用强酸性阳离子交换膜催化水解离,在同样电场强度下,超纯水中有大量水分子解离,使电流密度可达1A/cm2以上。而电流密度达到1～10A/cm2范围内,相应电解加工去除速度达到1～10μm/min数量级,已经进入实用微细电解加工速度范围,显示了其在微细、精密加工领域良好的应用前景。本文在分析超纯水微细电解加工的理论和水解离机理的基础上,得到了实现超纯水微细电解加工的必要条件,建立了水解离模型,并对此进行了分析,采用“空穴”传导理论解释了水解离的过程,为超纯水电解加工技术的后续研究工作奠定了理论基础。通过对离子交换树脂、离子交换膜、双极膜三种类型离子交换材料的结构、性能及促进水解离的方式进行了分析,根据超纯水微细电解加工的特点,选择阳离子交换膜作为促进水解离的离子交换材料,并为下一步设计超纯水微细电解加工试验装置提供了依据。还以工程应用为目标,进行了超纯水微细电解加工试验装置的设计和制作,特别对试验装置的关键部分进行了系统的分析和设计,并对不同试验装置系统的使用进行了说明。选择了压电陶瓷微驱动器和普通的步进电机驱动的多轴数控系统作为微进给驱动系统,确保试验装置满足加工的要求。最后,进行了超纯水微细电解加工的可行性及工艺试验研究。通过测定ηω—i关系曲线、三角/方形孔的加工及字母“PW-ECM”的加工,验证了其在2D/3D几何形状加工的可行性。并且针对工艺试验中出现的问题,采用脉冲电流、超声波辅助的方式进行了超纯水微细电解加工的研究。试验结果表明,采用脉冲电流不仅提高了超纯水电解加工的加工精度,且通过脉间的断电间歇来实现加工间隙内电解液的周期性更新,使间隙中的电解产物得到及时排除,保证了加工的稳定性。另外,在加工区加上超声振动,利用电解液的振动冲击及“负压空化”效应来消除附着在工件表面的钝化膜,使加工过程连续进行,同时超声振动还可改善加工区状态,解决了电解产物排出问题。通过以上理论分析和试验研究,表明了以超纯水为电解液的微细电解加工是可行的,并且超纯水电解加工为传统的电解加工方法提供了新的思路,有望为“绿色”微细加工开拓出新的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微细电解加工技术及其发展概况
• 1.2.1 脉冲微细电解加工技术
• 1.2.2 电液束微细电解加工技术
• 1.2.3 基于扫描探针显微术的微细电解加工技术
• 1.2.4 掩模微细电解加工技术
• 1.2.5 微细电解复合加工技术
• 1.3 水解离技术及其研究状况
• 1.3.1 膜分离技术的发展
• 1.3.2 水解离技术的应用
• 1.3.3 水解离技术的研究状况
• 1.4 本课题的研究计划
• 1.4.1 课题研究意义
• 1.4.2 课题来源与计划研究内容
• 第二章 超纯水微细电解加工的理论基础
• 2.1 超纯水微细电解加工基础
• 2.1.1 电解加工原理
• 2.1.2 微细电解加工的电化学基础
• 2.1.3 微细电解加工的条件
• 2.2 超纯水微细电解加工的电解液特性
• 2.2.1 电解加工中电解液的作用及其基本要求
• 2.2.2 超纯水作为电解液的可行性
• 2.2.3 超纯水作为电解液的性能
• 2.3 超纯水微细电解加工的水解离理论
• 2.3.1 水解离模型的建立
• 2.3.2 水解离理论分析
• 2.3.3 离子交换膜的选择透过性理论对水解离的解释
• 2.4 本章小结
• 第三章 超纯水微细电解加工的水解离试验研究
• 3.1 离子交换树脂催化水解离试验研究
• 3.1.1 离子交换树脂的结构与性能指标
• 3.1.2 离子交换树脂的处理
• 3.1.3 离子交换树脂的再生
• 3.1.4 离子交换树脂催化水解离试验
• 3.1.5 水解离影响因素分析
• 3.1.6 试验结论
• 3.2 离子交换膜催化水解离试验研究
• 3.2.1 离子交换膜概述
• 3.2.2 离子交换膜的主要技术指标
• 3.2.3 离子交换膜催化水解离试验研究
• 3.2.4 离子交换膜催化水解离的影响因素
• 3.3 双极膜催化水解离的研究现状
• 3.4 离子交换材料的选择原则
• 3.5 本章小结
• 第四章 超纯水微细电解加工试验装置的研制
• 4.1 超纯水微细电解加工的特点
• 4.1.1 微细电解加工的特点
• 4.1.2 超纯水电解加工的特点
• 4.2 试验装置的系统设计
• 4.3 试验装置设计中的关键问题
• 4.3.1 电解槽的设计与制造
• 4.3.2 离子交换材料放置空间设计
• 4.3.3 阴、阳极安装及夹紧设计
• 4.3.4 其它部分的设计
• 4.4 试验装置的使用说明
• 4.4.1 阳离子交换树脂催化水解离的试验装置
• 4.4.2 阳离子交换膜催化水解离的试验装置
• 4.5 微进给系统实现方案的确定
• 4.5.1 压电陶瓷微进给系统
• 4.5.2 数控系统及其微进给编程的实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 超纯水微细电解加工的工艺试验研究
• 5.1 超纯水微细电解加工可行性试验
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试验条件
• 5.1.3 阴极加工
• 5.1.4 试验过程
• 5.1.5 试验结果及分析
• 5.1.6 可行性试验结论
• 5.2 超纯水微细电解加工的工艺试验
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 ηω—i 曲线的测定
• 5.2.3 三角/方形微小孔的试验加工
• 5.2.4 2D/3D 超纯水微细电解加工试验
• 5.2.5 试验中出现的问题
• 5.3 脉冲电流超纯水微细电解加工试验研究
• 5.3.1 脉冲电流电解加工的原理
• 5.3.2 脉冲电流超纯水微细电解加工
• 5.4 超声波辅助超纯水微细电解加工试验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及研究成果