納秒脈沖電流微細(xì)電解加工技術(shù)研究.pdf

1、隨著21世紀(jì)的科技發(fā)展，高新技術(shù)產(chǎn)品日趨向功能集成化、超精密化和外形小型化方向發(fā)展。面向精密微機(jī)電器件的微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)成為各國科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。它決定了機(jī)械產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量，正在成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)整體水平的重要標(biāo)志之一。電解加工（ECM）利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，將工件材料以離子形式去除，這種加工方式使其在微細(xì)制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)撃?，而且具有加工表面質(zhì)量好、無工具損耗、無接觸應(yīng)力、與零件材料硬度無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)

2、。 發(fā)展微細(xì)電解加工技術(shù)，必須解決分布電場產(chǎn)生的雜散腐蝕問題，增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)的定域性，保證加工的穩(wěn)定性，才能顯著提高加工精度，使其滿足微細(xì)加工的要求。本文針對納秒脈沖的微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)展開研究，分析了加工的機(jī)理，通過試驗(yàn)解決了加工工藝方面的主要技術(shù)問題。 本文以實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工為主要目的，主要進(jìn)行了以下的研究工作： 1.根據(jù)電極反應(yīng)各階段的變化，提出了利用電極暫態(tài)過程研究納秒脈沖微細(xì)電化學(xué)加工機(jī)理的方法

3、。在納秒脈沖條件下，電極反應(yīng)始終處于暫態(tài)過程中，電化學(xué)極化為電極反應(yīng)的決定因素。通過分析電極/溶液界面的電極反應(yīng)過程，得到了電化學(xué)極化的電極等效電路；根據(jù)法拉第定律和電化學(xué)極化的巴特勒-伏爾摩方程，建立了納秒脈沖微細(xì)電解加工的理論模型。 2.構(gòu)建了微細(xì)電化學(xué)加工的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用虛擬儀器軟件LabVIEW設(shè)計(jì)了專用控制程序，使加工系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制的微量進(jìn)給加工運(yùn)動，并實(shí)時(shí)檢測加工過程的狀態(tài)及加工效果。加工系統(tǒng)中采用適合微米級電

4、解加工的電解液軸向流動循環(huán)方式，保證了微細(xì)電化學(xué)加工的穩(wěn)定進(jìn)行。 3.闡明了加工電源對加工精度和加工穩(wěn)定性的重要作用，根據(jù)微米級電化學(xué)加工對脈沖電源的特殊要求，利用石英晶體振蕩器、數(shù)字集成電路以及電阻、電容等元器件研制了由脈沖發(fā)生電路、計(jì)數(shù)電路、置數(shù)電路、整形電路以及觸發(fā)電路等構(gòu)成的納秒脈沖電化學(xué)加工電源，得到了符合加工要求的輸出脈沖波形，為納秒脈沖微細(xì)電化學(xué)加工提供了研究基礎(chǔ)。 4.針對微細(xì)電解加工的特點(diǎn)，闡述了底面間

5、隙和側(cè)面間隙之間的關(guān)系，并研究了它們對加工精度和定域性的影響。利用所構(gòu)建的微細(xì)電化學(xué)加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工具電極和工件微細(xì)結(jié)構(gòu)的連續(xù)加工，進(jìn)行了微孔、微槽、微細(xì)直寫加工，以及成形電極的微細(xì)加工試驗(yàn)，根據(jù)所建立的加工過程理論模型，研究了不同工藝參數(shù)對加工效果的影響作用，揭示了納秒脈沖微細(xì)電化學(xué)加工提高加工定域性的機(jī)理。 5.根據(jù)不同參數(shù)的對比試驗(yàn)結(jié)果，得出了加工工藝規(guī)律：隨著脈沖寬度的增加，電極過電位提高，工件上發(fā)生溶解蝕除的部分?jǐn)U大

6、，定域性降低；而脈沖寬度的縮短會使電流密度減小，定域性增強(qiáng)，但加工的穩(wěn)定性降低。脈沖占空比減小，加工效率較低，但加工精度較高；隨電解液濃度的提高，電化學(xué)加工區(qū)域增大，定域性降低。電化學(xué)直寫加工時(shí)，加工間隙越小，電流密度越高，加工效率也越高，進(jìn)給速度越快，加工線寬也越窄。 本文進(jìn)行的納秒脈沖微細(xì)電化學(xué)加工研究，是特種微細(xì)加工技術(shù)的拓展，為特殊性能材料的微細(xì)加工提供了新的加工途徑，將其應(yīng)用于高性能微器件的制作，必將對微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一