（机械制造及其自动化专业论文）超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 本文概述了微机电系统，介绍了微细制造技术及超声微细加工和电解微细 加工技术的现状：着重分析了超声电解复合微细加工用于m e m s 器件制造的理 论可能，研究了实施超声电解微细加工的基础条件。 本文创建了超声电解微细复合加工工艺试验系统。从变幅杆的设计制造， 到设计制作不同截面形状的工具头( 如直径为由l m m 的圆形工具头、边长为 l m m 的方形工具头和三角形工具头) ，对压电陶瓷、硬质合金y g 8 、硬质合金 y t l 5 进行了单一超声加工对比试验以及对硬质合金进行了超声电解复合加工 试验。试验过程中，分析了电解液参数( 成分、浓度、温度) 、电参数( 加工 电压、脉冲参数) 、超声振幅、频率、进给压力及磨料粒度等工艺因素对复合 加工过程稳定性、工件表面质量、加工效率的影响。通过协调配合电解与超声 的相互作用，成功地加工了多种试件，在加工速度、加工精度和加工表面质量 方面获得均较理想的效果，从而证实了超声电解复合加工制造m e m s 微小器件 的可行性和优越性。 论文最后对超声电解复合微细加工技术的后续研究提出了设想和展望。 关键词：微机电系统微细加工超声加工电解加工复合加工硬脆金属 磨料电解液 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h e b a s i c c o n c e p t a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) a r ep r e s e n t e d m e m st e c h n o l o g yi s ah o ts p o t o f s c i e n c ea n d i n d u s t r yi nt h e2 1 “c e n t u r y , a n dm i c r o - m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e sa r et h e k e yp r o b l e m so fm e m sd e v e l o p m e n t m e a n w h i l e ，t h ea c t u a l i t yo fm i c r o - u l t r a s o n i c m a c h i n i n g a n dm i c r o e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g i nc h i n aa n do v e r s e a sa r e p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r a l s o t h e p o s s i b i l i t y a n d p r o s p e r i t y o ft h ec o m b i n e d t e c h n o l o g yo fu s m ( u l t r a s o n i cm a c h i n i n g ) a n de c m ( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) f o rm a c h i n i n gm e m si n s t r u m e n t sa r ee m p h a s i z e d t h eb a s i cc o n d i t i o n so ft h e c o m b i n e d t e c h n o l o g yo f u s m a n de c ma r es t u d i e dt o o i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo f t h ec o m b i n e d t e c h n o l o g yi sb u i l t i nt h e e x p e r i m e n t ，v i b r a t i o nr o da n d t h et o o l so fd i f f e r e n ts e c t i o ns h a p e sa r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d ，s u c ha sr o u n d , s q u a r e ，a n dt r i a n g l e w i t ht h e s et o o l s ，t h es i n g l eu s m ， e c ma n dt h eu l t r a s o n i ce l e c t r o c h e m i c a lc o m b i n e dm a c h i n i n g e x p e r i m e n t s o n d i f f e r e n t m a t e r i a l s ( g l a s s ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，h o r n i n e s sa l l o y ) a r ec a r r i e do u t d u r i n gt h ep e r i o do fe x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o l y t ep a r a m e t e r s ( i n g r e d i e n t ， c o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e ) ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ( v o l t a g e ，p u l s ep a r a m e t e r ) ，s w i n g ， f r e q u e n c y , p r e s s u r ea n da b r a d a n tg r a n u l a r i t yo nt h ep r o c e s s s t a b i l i t y , q u a l i t ya n d e f f i c i e n c y a r e a n a l y z e d b y m e a n so ft h eh a r m o n i z a t i o no fu l t r a s o n i ca n d e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g ，m a n y h o l e sw i t hd i f f e r e n ts e c t i o n s h a p e s a r e m a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y b yc o m p a r i s o no ft h em a c h i n i n gr e s u l t s ，h i g h e rc u t t i n g s p e e d ，m a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yw h e nm a c h i n i n g t h eh a r da n db r i t t l e m e t a lb yt h ew a yo ft h ec o m b i n e dt e c h n o l o g yo fu s ma n de c ma r eg a i n e d t h u s t h e p o s s i b i l i t y a n da d v a n t a g eo ft h ec o m b i n e dt c d m o l o g yo fu l t r a s o n i ca n d e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gh a sb e e n p r o v e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h el a t e rs t u d i e so nt h ec o m b i n e dt e c h n o l o g yo fu s m a n de c ma r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：m e m s ( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ) ；m i c r o m a c h i n i n g ； u l t r a s o n i c m a c h i n i n g ； e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g ； c o m b i n e d m a c h i n i n g ；h a r d a n db r i t t l em e t a l ；e l e c t r o l y t e i i 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：僭，受瑟 日期：2 0 0 5 年3 月 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 微纳米( 岬r i m ) 技术在材料科学、微电子技术、计算机学科、精密机械 工程、生物及生命等高新技术领域的重大研究前景，已使其成为国内外科学界 关注与研究的焦点之一。微机电系统( m e m s ) 为微纳米技术的实用化提供技 术支持。科学发展使设备不断趋于微型化，在医疗生物工程、微型机器人、传 感器等工业中的微小机械有广泛应用前景，计算机技术、微电子技术及航空航 天等技术的进一步发展，也只有通过微型化和集成化来实现。因此，目前基于 m e m s 器件的微细加工技术已成为微机械领域的一个重要研究方向。 1 1 微机电系统概述 微机电系统( 或称微机械，又称微系统，m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ， m e m s ) 是集微型机械、微传感器、微能源、微致动器、微控制器、信号处理 器、智能控制器于一体的机电装置。微小的几何尺寸或操作尺寸、高度集成化、 智能化是m e m s 的显著特征。由于m e m s 的这些优点，它正受到国内外科技 界的广泛关注，并成为当今世界各国研究和投资的热点。微细加工技术则是 m e m s 发展的重要基础。 从尺寸角度，微机械可划分为l m m 1 0 m m 的微小机械，l g m 1 m m 的微机 械，l n m 1 9 r n 的纳米机械。相应地，微细加工技术也可分为微米级、亚微米级 和纳米级微细加工。器件所用材料有硅片、金属材料、压电材料、磁性材料、 超导材料、感光材料、形状记忆合金等。面向m e m s 的微细加工技术是在集成 电路工艺基础上发展形成的，并先后有了超精密机械加工、深度反应离子刻蚀、 l i g a ( 光刻、电铸、模塑成形) 及准l i g a ( 牺牲层光刻、电铸、模塑成形， 又称s l i g a ) 技术、分子装配技术等。加工能源包括电子柬、离子束、光子束 ( 紫外线、x 射线及激光束) 、等离子体、超声、微波、电( 放电) 、化学和电 化学能等。 依托大规模集成电路工艺基础的硅微细加工技术，主要通过光刻及化学刻 蚀得到微小的沟槽、筋板、孔洞等结构，但工艺仅限于硅材料。相对于硅材料 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 的微细加工，l i g a 技术可以对许多金属材料进行微细加工，尺寸可小至1 $ x m ， 精度达亚微米级，已使m e m s 领域产生重大进展，但l i g a 技术所需要的深层 x 射线辐射源价格昂贵，应用前景受到限制。准l i g a 技术成为另一研究热点， 但还待深入研究。线电极电火花磨削技术( w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g eg r i n d i n g ， w e d g ) 使微细电极的在线制作、安装定位得到较好解决，为微细电火花加工 ( m i c r o e d m ) 的迅速发展创造了条件，日本东京大学增泽隆久等人采用微细 电火花技术加工出直径由2 5 m 的微细轴和孔径中5 u m 的微细孔，可进行5 0 0 x 3 0 0 2 0 0 i _ t m 三维微细轮廓的数控电火花铣削加工。微细激光加工( m i c r o l b m ) 技术应用范围广泛、加工精度及效率高，便于计算机控制，是又一种很 有发展前景的微细制造工艺，加工孔径可达由3 p m ，刻线宽度可达0 1 岫。离 子束加工( m m ) 用于精密微量去除、离子刻蚀、离子镀膜等表面改性工艺中， 去除精度可达纳米级( o 0 0 1 p m ) ，镀膜精度可控制在1 斗m 0 0 1 岬。利用电化 学阴极沉积原理的精密微细电铸技术( e f ) 可制作形状复杂、精度很高的微细 结构，在微细制造领域获取了新的扩大应用，成为l i g a 技术的重要组成部分。 然而，上述加工方法在具有显著优点的同时，也各有一定局限。如：微细 电火花加工，表面层质量及加工效率受到加工机理的制约；激光加工是热加工， 热影响因素较多；电子束、离子束加工均需在真空中进行，设备成本高，应用 受到很多限制：精密微细电铸技术有废品率较高与效率较低的问题。因此，探 索m e m s 器件微细加工新工艺，仍是一个当今科技界感到很有应用价值且迫切 需要研究的课题。 1 2 微细制造技术及微细特种n i 技术的发展 微细加工，原指加工尺度约在微米级范匿的加工方法。在微机械研究领域 中，微细加工则是微米级精细加工、亚微米级微细加工、纳米级微细加工的通 称。广义上的微细加工，其方式十分丰富，几乎涉及现代特种加工、微型精密 切削加工等各种方式，微机械制造过程又往往是多种加工方法的组合。从基本 加工类型看，微细加工可大致分为四类：分离加工将材料的菜一部分分离 出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、切削、破碎等：接合加工同种或 不同材料的附和加工或相互结合加工方式，如蒸镀、淀积、生长等；变形加工 使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等：材 2 南京航空航天大学硕士学位论文 料处理或改性和热处理或表面改性等。微细加工技术曾广泛用于大规模集成电 路的加工制作，正是借助于微细加工技术才使得众多的微电子器件及相关技术 和产业蓬勃兴起。目前，微细加工技术己逐濒被赋予更广泛的内容和更高的要 求，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。 随着微型机械基础理论和应用范围的日趋成熟和日趋扩大，对微型机械的 加工技术也提出更高要求：( 1 ) 具有较强的加工能力，可以制作灵活多样的各 种高深宽比的微机械结构，能实现三维或准三维的设计与加工。这是制作结构 复杂、功能完备的微型机械的基本要求。在此方面，l i g a 和准l i g a 技术有 独到优势，能制作出构形精良的微构件，因而将在微型机械领域中发挥越来越 重要的作用；( 2 ) 工艺简捷，设备成熟，可以高效率和低成本地进行批量生产。 现已开发的微型机械制造技术和工艺主要依赖于微细加工技术和光刻、蚀刻等 技术，不仅制造难度大、工艺复杂，而且设备投资大、专用性强，在某种程度 上限制了微型机械的发展。因此开发工艺简捷、设备投资少、通用性强、能高 效率和低成本进行批量生产的加工技术和工艺是微细制造技术的必由之路；( 3 ) 与集成电路的相容性好，可以在硅片上同时制作机械部件以及信号处理与控制 电路。这是非常重要，也是非常基本的技术要求。微型机械高度集成化和智能 化是其独特的优点，也是其发展的必然趋势。因此，使微型机械的加工技术与 集成电路有良好的相容性是其发展的必备条件：( 4 ) 便于器件封装，最好能实 现片上封装。微型机械的结构尺寸很小、强度较低，尤其是单面加工的器件， 由于是在很薄的基体上批量加工的，结构强度更低。因此，在器件加工完成后， 将器件进行分割或封装时就会遇到因强度不足容易引起结构破坏或失效的严重 问题。所以必须大力发展安全可靠的封装技术；( 5 ) 以硅为主，但能同时采用 多种具有其它特性的结构材料。单晶硅材料的强度特性虽能满足微型机械的使 用要求，但它对加工和使用的要求甚高。如果内部缺陷过多、应力集中过大都 将大幅度削弱硅的强度特性，甚至使硅断裂。而且有些微型机械结构是不能用 硅材料制作的。因此，研究和开发利用其他特性材料的加工技术也是微型机械 加工技术的研究重点之一。 现代制造技术具有两大发展趋势，一是制造系统的自动化( 包括自动化、 柔性化、集成化、智能化等) ；二是精密微细加工技术的开发与应用。精密微细 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 加工技术是以精密工程、微细工程和微纳米技术为代表，寻求达到制造技术可 能实现的最高精度和尺寸极限的加工技术。精密微细加工技术水平是衡量一个 国家制造业整体水平的重要标志之一，它不仅决定机械产品的加工精度和表面 质量，直接影响产品的国际竞争力，而且可反映尖端技术和国防工业水平。一 般来说，精密加工技术是指加工精度在l 肚m 0 1 9 m 、表面粗糙度r a 在o 1 肛m o 0 2 p r o 之间的加工技术；超精密加工技术是指加工精度高于o 1 岫、表面粗糙 度r a 小于o 0 l 岬的加工技术；微细加工技术则是指微小尺寸零件的加工技术。 精密加工和微细加工同属现代制造业的前沿技术，两者有着密切联系。微细加 工既属于精密加工范畴，但又有自身特点，两者相互渗透、相互补充。近年来， 各种新技术( 如微电子技术、计算机技术、自动控制技术、特种加工技术等) 在精密微细加工中得到广泛应用，使精密微细加工技术产生了飞跃式发展。 特种加工是除传统切削加工之外的各种新型加工方法的统称。与切削加工 相比，特种加工具有以下特点： ( 1 ) 主要不是依靠机械能而是通过其它能量方式( 如电、化学、光、声、热 等) 去除金属材料： ( 2 ) i 具硬度可以低于被加工材料的硬度： f 3 ) 加工过程 - r 具与被加工件之间不存在明显的机械切削力。 由于特种加工具有上述特点，因此总体而言，采用特种加工方法可以加工 任何硬度、韧性、脆性的金属或非金属材料。尤其适合加工复杂、微细表面和 低刚度零件：采用某些特种加工方法还可实现精密和超精密加工、镜面光整加 工及微纳米级加工。由于特种加工的特殊优势，它理所当然地在微细制造领域 占据了重要地位。 目前，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻 技术和l i o a 技术上，并且取得了相当大的实用进展。但是，这些技术只能用 来加工结构简单的二维或准三维微机械，尚不适于致动器的制作。如将这类微 机械作为致动器，只能靠静电力驱动，驱动力太小。另外，这些加工方式的设 备普遍昂贵，一次性投入较大，只适合于大规模批量生产。对于复杂的三维微 机械结构，采用以上技术就难以实现或根本无法实现，小规模的微机械生产也 不宜采用以上方法，这就限制了其应用范围。而特种加工技术在微小型三维立 体结构、致动器的制作上有独到之处，且批量制作可再通过模具加工、电铸、 注塑等方法实现。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 _ 3 微细超声加工及微细电解加工现状 与光刻加t 相比，微细超声加工既可加工出深宽比大的三维结构，又能以 较小的投入进行生产，这决定了超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料 加工方面的优势。微细超声加工除了加工对象尺寸微小外，与传统超声加工有 着相同的原理和工艺特征。日本东京大学增泽隆久等人用超声激振的工作方式 在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为由5 岫的微孔，具体的微细超声加工研 究一般分为两步，先用线电极或块电极电火花磨削工艺制备工具，再用该工具 加工工件。国外还有资料报道，对于微细超声加工。压电或磁致伸缩产生的振 幅已能满足微细加工的要求，因而去除量非常微小时可不再需要变幅杆。 微细电解加工是利用金属阳极电化学溶解原理去除材料的加工技术，加工 机理使得电解加工具有微细加工的理论可能。有研究人员通过降低加工电压、 提高脉冲频率和电解液浓度，成功地将电解加工间隙控制在1 0 岬以下。厦门 大学田昭武教授等提出的约束刻蚀剂层技术( c o n f i n e de t c h a n tl a y e rt e c h n i q u e ， 简称c e l t ) ，可用于三维超微( 微纳米) 图形复制。c e l l 、的最大特点是能在 半导体及金属等多种材料上实现立体微结构的加工和复制，德国r o l f s c h u s t e r 和g e r t l 等教授提出了一种基于c e l t 思想的双电层约束刻蚀加工超微立体图 形的电化学微加工法，加工用的电解槽安装在压电陶瓷驱动的具有x 、y 、z 三个自由度的微定位平台上，通过微定位平台的空闻运动，在硅片上加工出超 微三维立体图形。常规电解加工因多个工艺条件所限不得不采用偏大的加工间 隙，是电解加工精度受到限制的重要函素之一。如果加工间隙能大幅度减小， 加工精度就会显著提高。由法拉第定律和欧姆定律，导出脉冲电解加工中平衡 加工间隙b ： a b = k d q , ：( u - 6 e ) ( vp )( 1 - 1 ) 式中：k ，质量电化学当量： d ，脉冲电源占空比系数： r t ，电流效率： x ，电解液的电导率； u ，加工电压； 6 e ，电极电位差； v ，微电极进给速度： 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 p ，阳极被溶解的金属密度。 从式( 1 1 ) 可知，可用以降低加工间隙的途径有：降低加工电压；降低电解 液浓度；使用高频、窄脉宽脉冲电源。使用高频、窄脉宽脉冲电源是使以离子 状态蚀除材料的电解加工工艺成为微细加工手段的重要手段之一。从加工机理 上讲，高频、窄脉宽脉冲电源在电解加工过程中会使间隙中呈现特殊的物理、 化学特性，其电流能导致集中蚀除能力的加强和散蚀能力的减弱，使得电解加 工在尺寸精度、形状精度、表面质量、加工效率、加工过程稳定性方面有很大 提高。通过合理调整脉宽和脉间，在很短的脉冲加工时间内反应产物将很少， 极间电解液在脉冲间歇时问内极易得到更新和状态恢复，从而使加工精度和加 工更小尺寸工件的能力有很大的提高。日本学者c h i k a m o f i 从减小间隙入手进 行了微细电解加工试验，通过采用脉冲电源、降低加工电压和降低电解液浓度， 成功地将加工间隙控制在l o g a n 以下。 i 4 超声电解复合微细加工用于m e m s 器件制造的可行性分析 超声加工、电解加工工艺的单一应用已经有较长的时间，并已形成了比较 成熟的实用加工工艺手段，在很多领域得到广泛应用，积累了很多实践经验。 超声加工、电解加工在实际生产中具有很多优点，但是根据它们的加工机理， 在具体应用时，针对不同的加工对象，在某种程度上也都存在一定的缺点。例 如，超声加工某些硬脆会属材料，加工精度、表面粗糙度都很理想，但加工效 率偏低，有时几乎到了丧失应用价值的地步：电解加工金属材料虽然加工效率、 表面粗糙度都很好，但加工精度及稳定性一般均难以控制和保证。因此，俄罗 斯、德国等国家的科研人员开展了有关超声加工和电解加工复合工艺方法的研 究，取得一定的实用性进展，且已具有一些工业应用对象，俄罗斯并已经形成 了超声电解复合加工机床的系列产品。 目前，我国仅在有关教科书上对超声电解复合加工方法有一些简要的原理 介绍，具体的研究工作也开展得很少，实用成果则完全未见报道，该领域的研 究基本处于空白状态，有待于开展必要的研究。南京航空航天大学为了加强特 种加工实验室的基本建设，在超声电解复合加工技术领域曾开展过基础性研究， 获得了较粗浅的感性认识，为在微细加工制造领域引入超声电解复合工艺开展 必要的初步探讨提供了有益的经验。 南京航空航天大学硕士学位论文 首先，需要对超声电解复合微细加工用于m e m s 器件制造的可行性进行分 析。复合加工是指利用多种能量组合进行材料去除的工艺方法，目的是提高加 工效率或获得更高的尺寸精度、形状精度和表面完整性。如对于陶瓷、玻璃和 半导体等高脆性材料，复合加工经济、可靠地体现了很高的成形加工精度和极 低的表面粗糙度( 有资料介绍最佳可达1 0 m 左右) ，并使表面和亚表层的晶体 结构组织损伤减少至最低程度。复合加工方法，大多是在实施机械加工的同时， 应用流体、化学、光学、电力、磁力或声波能量进行综合加工。如电解电火花 机械复合加工，就是以电解的电化学能为主，和电弧放电能、机械能等几种能 量相复合进行加工的。 电解加工是在电场作用下通过“离子”去除来实现加工的工艺，在机理上 存在通过有效控制实现精密加工，甚至是n m 级加工的研究空间。因此，如何 发掘电解加工机理优势，并将其应用于i v i e m s 器件的微细加工中，是一个很有 研究前景的课题。较大的加工间隙是提高电解加工精度受到限制的重要原因之 一，如果能大幅度减小加工间隙，加工精度将会显著提高，利用电解进行微细 加工的可能性也将增大。有研究人员通过降低加工电压和电解液浓度，成功地 将加工间隙控制在1 0 p r o 以下，再加上采用微动进给和金属微管电极，在镍板 上加工出了由0 1 7 m m 的小孔；另外，电解加工也用在微细轴类零件的光整加 工中。采用类似微细线电极电火花磨削的运动方式，用运动的金属丝作为阴极， 在阳极轴和阴极丝之间喷淋电解液，使轴表面产生电化学腐蚀，在直径数十微 米小轴的抛光中取得了满意的工艺效果。不过，目前微细电解加工所涉及的尺 寸范围还远大于硅微机械加工及l i g a 技术所能达到的微小尺寸。 作为微细电解加工，材料需要去除量微小，加工精度要求又很高，一种应 对思路是以控制输入能量来控制加工去除量和保证精度，于是电解作用必须在 低电位、微电流密度下进行，并且不能采用活性大且杂散腐蚀严重的n a c i 电 解液。这样，用单一电解方式加工时，工件表面的钝化膜将难以破坏，电解作 用不能持续进行，使单一电解方式在微细加工中的应用受到限制。要实现微细 电解加工，就必须解决好钝化膜去除及从加工区及时清除产物的问题。若引入 超声加工，磨粒在与电解液为介质的悬浮液中分散良好，可以均匀地去除工件 指定表面的钝化膜，从而可使电流效率提高，促进电化学反应顺利进行。同时， 电解液内的超声“空化”作用及振动冲击波十分有利于改善加工过程，这已在 超声与机械加工、电火花加工及常规电解复合工艺的应用中得到证明。另外， 7 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 再采用脉冲电流，更有利于改善及稳定电解加工的间隙状态，可显著提高电解 去除的定域性，进而提高加工精度及表面质量。 基于上述设想，将超声振动、脉冲电流同时引入微电流电解加工中，综合 利用微细磨粒抛磨、超声“空化”及电解液的冲击作用，可能有控制地去除工 件表面的钝化膜，改善加工区工作状态。若能再采取措施使脉冲电流与超声振 动频率( 可高于2 0 圈也) 相互配合，脉冲加电时( 脉冲宽度可达1 0 us 3 0 us ) 工件与工具相互接近，脉冲闯隙区则工具退离。在复合加工过程中，采用钝化 性电解液，并适当调整电参数，使金属表面发生微量电解蚀除后被生成的钝化 膜所覆盖，以阻止钝化膜下的金属被连续蚀除。工具在超声发生器的驱动下作 微幅高频振动，为磨粒的刮抛提供动能。高速运动的磨粒破坏金属表面形成的 钝化膜，使金属表面活化，促进电解加工过程进一步进行。在整个加工过程中， 工件表面始终处于钝化活化钝化不断交替变化作用下，逐渐有选择地 去除，从而达到表面微精光整加工的目的。 因此，将超声、脉冲电流、电解加工技术的优点集于体，将有望解决电 解加工在微细加工领域( 确切地说，目前还是在微小加工领域) 应用存在的关 键问题，在保持电解加工效率高、表面质量好的优势同时，利用超声、脉冲电 流对电解过程的改善，提高加工精度及表面质量。因此，从机理上来说，这种 复合加工可能适合m e m s 器件的微细加工。 1 5 本论文课题研究的目的和任务安排 课题来源：本论文课题来源于中国博士后科学基金和江苏省教育厅自然科 学基金，课题名称是“制造m e m s 器件的超声一电解复合微细加工基础研究”。 论文研究目的是：( 1 ) 将超声振动、脉冲电流、电解技术有机复合，扬长 避短，期望发挥各自技术优势，为m e m s 器件的微细加工开发一种高效、高精 度、低成本的新方法进行基础试验。( 2 ) 认识微细电化学溶解规律。发挥其“离 子”去除机理优势，在工艺上寻求实现“微量定域去除及定域微量去除”的措 施，稳定控制及提高微细加工精度，为开拓电解在微细加工领域的应用创造条 件。 任务安排：首先在机理研究基础上，研制可用于m e m s 器件微细加工的超 声电解复合加工装置，进行典型材料平面加工机理试验，研究分析加工中 南京航空航天大学硕士学位论文 电解液参数( 成分、浓度、温度) ，电参数( 加电电压、脉冲参数) ，超声振幅 ( a ) 、频率( f ) 、进给压力及磨料粒度对加工过程的稳定性、加工精度、表面 质量、去除效率的影响；通过试验，进行参数选择，协调配合超声与电解的相 互作用；然后进行不同材料及加工要求模拟m e m s 器件加工试验：根据试验情 况对加工装置进行修正完善。研究采用圈1 1 所示的技术路线。 图1 1 试验技术路线 由于条件限制，本课题没有傲平面及沟槽的加工试验。本课题试验研究的 微机械的范围定为i m m 3 m m 内的微小对象试验拟制作不同截面形状的工具 头如直径为o l 哪的圆形工具头、边长为i m m 的方形工具头和三角形工具 头，利用这些工具头在不同材料上进行单一超声加工试验及超声电解复合加工 试验。试验过程中，分析电解液参数( 成分、浓度、温度) 、电参数( 加工电压、 脉冲参数) 、超声振幅a 、频率f 、压力及磨料粒度对加工过程的稳定性、加工 速度、表面质量、去除效率的影响。协调配合电解与超声的相互作用，完成加 工微小对象的试验，并比较不同工艺的效果，从而证实超声电解复合微细加工 用于微器件加工的可行性和优越性。 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 第二章超声加工 超声加工也称超声波加工。电火花加工、电解加工一般都只能加工金属、 部分半导体等导电材料，对不导电的非金属材料不是很适合，然而超声加工不 仅能加工硬脆金属材料( 如硬质合金、淬火钢) ，而且更适合加工玻璃、陶瓷、 半导体锗和硅片等非金属材料。 2 1 超声加工的基本原理和技术特点 2 1 1 超声波的特性及在介质中的传播 2 1 1 1 超声波的特性 超声波能够传递很强的能量。超声波能量对其传播方向上的物体施加声压， 产生一定的作用压力。能量的大小通常用能量密度来衡量，所谓能量密度，就 是通过垂直于传播方向的单位面积上的能量，用符号j 来表示，单位w c i n 2 j = pc ( ( ) a ) 。2 ( 2 1 ) 式中，p 一弹性介质的密度： c 一弹性介质中的波速： a 振动的振幅： 。一圆频率。 超声波的振动频率f 很高，而且能量密度高，可以达到1 0 0 w l c m 2 。超声波 在液体和固体中传播时，由于介质密度和振动频率都比空气中传播声波时高很 多倍，因此在相同振幅时，液体、固体中的超声波强度、功率、能景密度要比 空气中的声波高千万倍。 当超声波在液体介质中传播时，将以极高的频率压迫液体质点遵循超 声波传播方向振动，将在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域，由于液体基 本上不可压缩，由此产生压力正、负交变的液压冲击和空化现象。又由于这一 过程的时间极短，液体空胶闭合压力可高达几十个大气压，并产生巨大的液压 南京航空航天大学硕士学位论文 冲击力，若其交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上，足以引起固体物质的 分散、破碎。而对于硬脆材料( 包括金属材料和非金属材料) ，由于结合强度一 般较低，抗冲击性能很差，这种情况更易于发生，破坏效果就更为强烈，这就 是为什么超声加工更宜于加工硬脆材料的根本原因。 超声波通过不同介质时，在两类介质界面上会发生波速突变，易产生波的 反射和折射现象。能量反射的大小，决定于两种介质的波阻抗( 密度和波速的 乘积pc 称为波阻抗) ，介质的波阻抗相差越大，超声波通过界面时能量的反射 率越高。当超声波从液体或固体传递到空气或者正好与此相反的情况下，反射 率几乎接近1 0 0 。此外，空气具有可压缩性，阻碍了超声波的传播。在应用 超声加工时应特别加以注意，为了改善超声波在相临介质中的传递条件，如果 界面可能产生变化时，应避免在空气中造成过大的能量损耗。 超声波在一定条件下，会产生波的干涉和共振现象，图2 1 为超声波在弹 性杆中传播时各质点振动的情况。 ，木 i ，1 一、 乏意褪芰弋面 il ，一- - i , , , t、 眇 i ，电 ，十、 、 叶一。 - 吕 弋 譬歹1 ，、 一p 一i 一， 图2 1 弹性杆内各质点振动情况 当超声波从杆的一端向另一端传播时，在杆的端部将发生波的反射。所以 在有限的弹性体中，实际存在着同周期、同振幅、反方向的两个波，它们会合 时就会产生波的干涉。当杆长符合某一规律时，杆上有些点在波动过程中位置 始终不变，振幅一直为零( 波节) 而另一些点振幄最大，振幅为原振幅的两倍 ( 波腹) 。 在图2 1 中，两个波所造成的b 点的合成位移为如 a f = 2 a c o s ( 2 r l “ ) s i n ( t ) ( 1 - 1 ) 式中，x b 点到入射端的距离： 一振动的波长； 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 t 一振动的周期； a 一振动的振幅。 由上式可知： 当萨七害时，口r 最大，6 为波腹； 沪( 2 斛1 ) 鲁时，嘶为零，b 为波节。 式中：k - - 0 ，i ，2 ，3 ，。 为了使弹性杆处于大振幅共振状态，应将弹性杆设计成半波长的整数倍， 固定弹性杆的支持点。应选在振动过程中的波节处，这一点在波的整个传递过 程中不会产生振动。 2 1 1 2 超声波在介质中的传播 超声波和声波一样，可以在气体、液体和固体介质中传播。由于超声波的 频率高，波长短，能量大，所以在传播时反射、折射、共振及损耗等现象更显 著。在不同的介质中，超声波的传播速度也有所不同，例如：c1 1 = 3 3 1 m s ， c = 1 4 3 0 m s ，c & = 5 8 5 0 m s ，cu r = 5 0 s o m s 。它与波长凡和频率之间的关系可 用式2 3 表示。 c = 一 2 1 2 超声加工的基本原理 ( 2 - 3 ) 超声加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的 一种特种加工方法，超声加工的基本原理如图2 2 所示。 嘎由 ：遴 妙 1 2 1 - - 工具 2 一工件 3 磨料悬浮液 4 、5 - - 变幅杆及加工工具 6 一换能器 7 一超声发生器 图2 , 2 超声加工原理图 南京航空航天大学硕士学位论文 超声加工时，在工具1 和工件2 之间加入水( 或油等) 和磨料混合的悬浮 液3 ，并使工具以适当的压力f 轻轻压在工件上。超声换能器6 产生高达1 6 k h z 以上的超声频率作纵向振动，由于弹性杆( 弹性杆使振幅产生一定的放大变化， 通常称为变幅杆) 的作用，振幅被放大到0 0 5 r a m - 0 1 m m 左右，驱动工具端面 作超声振动，追使工作液中悬浮磨料的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、 抛磨被加工工件表面，把被加工工件表面的材料粉碎成很细的微小颗粒，从工 件上被打击下来。虽然每一次打击下来的材料很少，但每秒打击的次数高达 1 6 0 0 0 次( 与超声频率有关) 以上，所以仍有一定的加工速度。 与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正 负冲击波和“空化”作用，迫使工作液“钻”入被加工材料的微细缝隙处，从 而更加剧了机械破坏作用。所谓“空化”作用，是指当工具端面以很大的加速 度离开工件表面时，加工间隙内形成较大的负压和局部真空，使得工作液内瞬 间形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡又重新 闭合，又引起较强的液压冲击波，上述作用迅速地、反复地旖加在工具与工件 之间微小间隙内的工作液里，可以大大强化加工过程。此外，正负交变的液压 冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，带动磨料运动，使部分变钝了的 磨粒及时得到更新。 由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用以及 超声空化作用的综合结果，其中，磨粒的机械撞击作用是占主导地位的。本质 上，材料去除的能量是机械能。 由于超声加工基于局部撞击作用，所以当受到撞击作用时，越是硬脆的材 料，受破坏的程度越大，越容易进行超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性 材料，由于它对撞击能量的吸收、缓冲作用而难以实施超声加工，或者说加工 效果很不理想。所以，这一性质常利用在工具材料选择上，要求它既能撞击磨 粒，又不至于使自身受到很大的破坏，一般选择塑性较好的材料，通常采用4 5 钢或弹簧钢等材料作为工具材料较合适。 2 1 3 超声加工的基本特点 1 超声a n t 适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如 玻璃、陶瓷( 氧化铝、氮化硅等) 、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石 等材料。在理论上，对于导电的硬脆金属材料如淬火钢、硬质合金等，也能进 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 行加工，但加工效率较低。 2 由于工具的运动轨迹通常为直线，工具可用相对较软的材料制造且可以 制成较复杂的形状，可以加工具有异型截面的形状、具有阶梯的通孔、盲孔等； 不需要使工具和工件作比较复杂的相对运动，在一般情况下，超声加工机床的 结构比较简单，操作、维修都很方便。 3 由于去除加工材料是靠粒度极微小的磨料瞬时、局部的撞击作用以及超 声空化作用。所以工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热很小( 即使 产生很小的切削热也会被磨料悬浮液及时带走) ，不会引起变形及烧伤，因而零 件的表面粗糙度较好，一般可达r i 0 1 ) p m ，加工精度达到( o o l 0 0 2 ) n 舡n ， 而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的零件。 2 1 4 超声加工的基本工艺规律 2 i 4 1 超声加工速度及其影响因素 加工速度又称材料去除率。是指单位时闯内去除材料的多少。单位可用 g m i n 或n u n 3 m i n 表示，或者用单位时间在进给方向上的进给量来表示，其单 1 位为r a m r a i n 。超声加工的加工速度比较低，一般为1 5 m m m i n 。但加工玻璃 的最高速度可达2 0 0 0 4 0 0 0 m m 。m i n 。 影响加工速度的主要因素有：工具振动频率、振幅、工具和工件之间的静 压力、磨料的种类和粒度、悬浮液的浓度、供给及循环方式、工具与工件材料、 加工面积和深度等。 1 磨粒直径的影响 在磨粒尺寸对加工速度关系曲线中有一极限值，即使很粗的磨粒粉末也会 产生加工速率的下降。然而最佳的磨粒尺寸可用工具振动的振幅来控制，在磨 粒尺寸与振幅大小类似时，就达到了最佳条件。磨料颗粒尺寸对表面粗糙度的 影响很大。通常孔的底面比侧面要光洁，理由可能是射液柬把磨粒向下吸入切 削区域时，在侧面上留下了痕迹。磨料的种类、硬度、粒度等，对超声加工速 度均有影响。磨料硬度越高，加工速度越快。但要考虑价格成本，合理选用( 见 表2 1 ) 。磨料粒度越粗。加工速度越快，但加工精度和表面质量会变差。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 1不同材料加工时的磨料和工作液选择 工件磨料工作液 硬质合金、淬火钢碳化硼、碳化硅水、煤油、汽油、酒精、机 金刚石、宝石金刚石磨料油、甘油等磨料对水的质 玻璃、石英、半导体材料电刚玉( a 1 2 0 3 ) 量比一般为o s l 磨粒的大小，决定了超声加工中型腔轮廓的精度。由于磨料沿着孔的侧面 向工件的底面流动，所以加工出的孔径要比工具大些。为了获得精确和良好的 表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一种尺寸等级的磨料，推荐等级如下： i 级小于实际尺寸的工具，高的频率，粗的磨料粒度； 2 级小于实际尺寸的工具，商的频率，较细的磨料粒度； 3 级与实际尺寸一样大小的工具，低的频率，很细的磨料粒度。 2 工具的振幅和频率的影响 许多学者对这一问题进行了深入的研究，但结果并不相同。一般认为，随 振幅的增大使加工速度线性增加：在加工玻璃类硬脆材料时，最初应选择较小 的振幅，加工一段时间后再逐渐增大振幅，这样能够防止工作表面出现微裂纹。 振动频率提高，在一定范围内也可以提高加工速度。但随频率及振幅提高，变 幅杆和工具会承受较大的交变应力，从而会使它们产生疲劳，寿命缩短：同时 表面粗糙度值也将提高。另一方面，振幅及频率提高，会使变幅杆与工具及变 幅杆与换能器之间的能量损耗加大，故在超声加工中，一般振幅选为 o 0 1 r a m , - 0 1 m m ，频率在1 6 k h z - 2 5 k h z 之间。根据研究要求，实际加工中应将 频率调至机头的共振频率，以获得最大的工作振幅提高其加工效率，如图2 3 所示。 卜 图2 3 加工速度与频率的关系 可以看出，在加工过程中需要将频率调至共振频率，以获得最大振幅和加 超声电解复合加工在微器件制作中的基础研究 工速度。 3 施加静载荷的影响 进给压力指工具对工件的静压力。超声加工时，工