纳秒脉冲电流微细电解加工技术研究

论文摘要

随着21世纪的科技发展,高新技术产品日趋向功能集成化、超精密化和外形小型化方向发展。面向精密微机电器件的微细加工技术已经成为各国科研机构的研究热点。它决定了机械产品的加工精度和表面质量,正在成为衡量一个国家制造业整体水平的重要标志之一。电解加工（Electrochemical machining,ECM）利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理,将工件材料以离子形式去除,这种加工方式使其在微细制造领域有着很大的发展潜能,而且具有加工表面质量好、无工具损耗、无接触应力、与零件材料硬度无关等优点。发展微细电解加工技术,必须解决分布电场产生的杂散腐蚀问题,增强电化学反应的定域性,保证加工的稳定性,才能显著提高加工精度,使其满足微细加工的要求。本文针对纳秒脉冲的微细电化学加工技术展开研究,分析了加工的机理,通过试验解决了加工工艺方面的主要技术问题。本文以实现微细结构的电化学加工为主要目的,主要进行了以下的研究工作:1.根据电极反应各阶段的变化,提出了利用电极暂态过程研究纳秒脉冲微细电化学加工机理的方法。在纳秒脉冲条件下,电极反应始终处于暂态过程中,电化学极化为电极反应的决定因素。通过分析电极/溶液界面的电极反应过程,得到了电化学极化的电极等效电路;根据法拉第定律和电化学极化的巴特勒-伏尔摩方程,建立了纳秒脉冲微细电解加工的理论模型。2.构建了微细电化学加工的试验系统,利用虚拟仪器软件LabVIEW设计了专用控制程序,使加工系统能够实现精确控制的微量进给加工运动,并实时检测加工过程的状态及加工效果。加工系统中采用适合微米级电解加工的电解液轴向流动循环方式,保证了微细电化学加工的稳定进行。3.阐明了加工电源对加工精度和加工稳定性的重要作用,根据微米级电化学加工对脉冲电源的特殊要求,利用石英晶体振荡器、数字集成电路以及电阻、电容等元器件研制了由脉冲发生电路、计数电路、置数电路、整形电路以及触发电路等构成的纳秒脉冲电化学加工电源,得到了符合加工要求的输出脉冲波形,为纳秒脉冲微细电化学加工提供了研究基础。4.针对微细电解加工的特点,阐述了底面间隙和侧面间隙之间的关系,并研究了它们对加工精度和定域性的影响。利用所构建的微细电化学加工系统,实现了工具电极和工件微细结构的连续加工,进行了微孔、微槽、微细直写加工,以及成形电极的微细加工试验,根据所建立的加工过程理论模型,研究了不同工艺参数对加工效果的影响作用,揭示了纳秒脉冲微细电化学加工提高加工定域性的机理。5.根据不同参数的对比试验结果,得出了加工工艺规律:随着脉冲宽度的增加,电极过电位提高,工件上发生溶解蚀除的部分扩大,定域性降低;而脉冲宽度的缩短会使电流密度减小,定域性增强,但加工的稳定性降低。脉冲占空比减小,加工效率较低,但加工精度较高;随电解液浓度的提高,电化学加工区域增大,定域性降低。电化学直写加工时,加工间隙越小,电流密度越高,加工效率也越高,进给速度越快,加工线宽也越窄。本文进行的纳秒脉冲微细电化学加工研究,是特种微细加工技术的拓展,为特殊性能材料的微细加工提供了新的加工途径,将其应用于高性能微器件的制作,必将对微机电系统的进一步发展起到有力的推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微细加工技术及其应用
• 1.2 微细加工技术的种类及发展
• 1.2.1 硅微细加工技术
• 1.2.2 超精密机械微细加工技术
• 1.2.3 LIGA 和准LIGA 技术
• 1.2.4 微细电火花加工技术
• 1.2.5 高能束流微细加工技术
• 1.3 微细电化学加工技术
• 1.3.1 微细电铸技术
• 1.3.2 EFAB 技术
• 1.3.3 CELT 技术
• 1.3.4 高频脉冲微细电解加工
• 1.3.5 超短脉冲微细电解加工
• 1.3.6 其他微细电解加工技术
• 1.4 本文研究意义以及主要研究内容
• 1.5 本文研究主要创新点
• 第二章 纳秒脉冲微细电化学加工机理
• 2.1 电解加工技术的原理
• 2.2 微细电解加工的特点
• 2.3 电化学暂态加工过程及理论模型
• 2.3.1 电极反应过程
• 2.3.2 电极暂态过程的特点
• 2.3.3 电化学极化方程
• 2.3.4 电极暂态过程的电极电位
• 2.3.5 电化学暂态加工的理论模型
• 2.4 纳秒脉冲实现微细电化学加工的机理
• 2.4.1 脉冲参数对电化学加工的影响
• 2.4.2 电解液参数对电化学加工的影响
• 2.4.3 纳秒脉冲电化学加工的机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 微细电化学加工系统
• 3.1 微细电化学加工系统的总体组成
• 3.2 微细电化学加工机床
• 3.3 加工试验系统的控制部分
• 3.4 加工试验系统的检测部分
• 3.5 电解液系统
• 3.6 加工试验的控制软件
• 3.7 本章小结
• 第四章 纳秒脉冲电源的制作及应用
• 4.1 电解加工电源的发展及其对加工的影响作用
• 4.1.1 低频宽脉冲电解加工
• 4.1.2 高频窄脉冲电解加工
• 4.1.3 高频群脉冲电解加工
• 4.1.4 纳秒脉冲微细电解加工
• 4.2 纳秒脉冲电化学加工电源的研制
• 4.2.1 脉冲参数的定义
• 4.2.2 纳秒脉冲电源的设计思路及总体构成
• 4.2.3 基准脉冲电路
• 4.2.4 脉冲参数设置电路
• 4.2.5 整形与控制电路的研制
• 4.3 本章小结
• 第五章 微细电化学加工试验
• 5.1 微细电化学加工实验的相关研究
• 5.1.1 微细电解加工的加工间隙及定域性分析
• 5.1.2 工具电极和工件之间的加工对刀
• 5.2 微细电解加工工具电极的制作
• 5.2.1 微细工具电极的制作方法
• 5.2.2 微细工具电极的制作原理
• 5.2.3 微细工具电极的加工试验
• 5.3 微细孔的电化学加工试验
• 5.3.1 工具电极对加工效果的影响
• 5.3.2 加工电源对加工效果的影响
• 5.3.3 电解液流动方式对微孔加工的影响
• 5.3.4 纳秒脉冲参数对加工精度的影响
• 5.3.5 减小微孔加工锥度的研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 微细结构的电化学加工及工艺研究
• 6.1 电化学加工微细结构的控制方法
• 6.1.1 加工状态的过程检测
• 6.1.2 加工过程的控制程序
• 6.2 微槽的纳秒脉冲微细电化学加工
• 6.2.1 脉冲宽度对加工的影响
• 6.2.2 占空比对加工的影响
• 6.2.3 电压幅值对加工的影响
• 6.2.4 电解液浓度对加工的影响
• 6.2.5 进给运动路径对加工的影响
• 6.3 微型腔的纳秒脉冲微细电化学加工
• 6.3.1 间隙电场分布对微型腔加工的影响
• 6.3.2 进给深度和进给速度对加工的影响
• 6.4 纳秒脉冲微细电化学直写加工
• 6.5 成型电极的微细电化学加工
• 6.6 不同工件材料的微细电化学加工
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 对本研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及研究成果
• 附录