（机械制造及其自动化专业论文）脉冲微细电解加工技术研究.pdf

摘要 摘要 电解加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，e c m ) 是一种利用金属阳极电化学溶 解原理将零件加工成型的特种加工方法。它将工件材料以离子形式去除，具有工 具无损耗、加工材料范围广、加工表面质量好等优点。发展微细电解；a n - r 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，提高加工精 度，使其满足微细加工的要求。 本文通过对脉冲微细电解加工等效电路的分析，得出了电解加工极化过程中 电极电位与充电时间的关系；根据电化学极化的巴特勒伏尔摩方程和法拉第定 律，建立了脉冲微细电解加工电流密度和加工速度的理论模型；并从理论上分析 了采用纳秒脉冲电源能够实现微细电解加工的可行性以及电解液对脉冲微细电 解加工的影响。制作了纳秒脉冲电源，采用功率放大电路直接将波形发生器的脉 冲波放大，并过滤负脉冲波，可以得到最高频率5 m h z 、最小稳定输出脉宽l o o n s 的脉冲方波。该电源输出电压0 - - - 1 0 v ，占空比0 1 0 5 连续可调，能满足微细 电解加工的要求。 采用电化学腐蚀法在线制作微细电极，解决了该方法制作电极产生倒锥的问 题，并成功制作出直径1 6 1 t m ，长度5 0 m 的均匀圆柱电极；使用钻头作为电极， 则可加工出微细螺旋电极，并成功制作出直径8 0 阻，长度3 m m 的螺旋电极。根 据线电极电火花磨削( w e d g ) 制作微细轴的原理，提出了线电极电解加工微细电 极的方法，并成功制作出直径5 2 1 m a ，长度8 0 0 “m 的均匀圆柱电极。 采用纳秒级脉冲电源进行微细电解加工实验。研究电源参数( 加工峰值电压、 脉宽、占空比) 和电解液( 电解液成分、浓度) 对加工间隙、孔的锥度及加工表 面质量的影响。通过实验可以得出：采用低加工电压、窄脉宽、小占空比及低浓 度钝性电解液可以有效地减小加工间隙，增强电化学反应的定域性，提高加工精 度，实现微细加工。使用螺旋电极和圆柱电极分别进行孔和槽的加工实验，由于 螺旋电极的螺旋结构有利于排出加工中的电解产物，更新间隙内的电解液，在加 工速度和加工间隙方面明显优于圆柱电极。对减小孔加工的锥度也进行了实验研 究，通过加工完成后延长加工时间及使用螺旋电极加工的措施，孔的锥度得到了 广东- 业大学工学硕士学位论文 显著地改善，但却无法消除。利用针筒电极成型反拷加工出直径为0 5 6 m m 的圆 台，且形状精度很好；采用电解铣削加工出1 9 0 1 9 0 肛m 凸台及最小宽度为1 4 岬， 长l m m 的悬臂梁，实现了微小结构的加工。 关键词：微结构，微细电极，微细电解加工，纳秒脉冲电源 i i a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) i sas p e c i a l p r o c e s so fu t i l i z i n gm e t a l e l e c t r o c h e m i s t r yd i s s o l u t i o np r i n c i p l et of o r mp a r t s ，w i t ht h er e m o v a lo ft h ew o r k p i e c ei o nb yi o n i tc a i lo f f e rs e v e r a la d v a n t a g e si n c l u d i n gh i g he f f i c i e n c y , h i 曲 s u r f a c eq u a l i t ya n d 、 ，i d er a n g em a c h i n i n gm a t e r i a l t h e r ea l et h r e ep r o b l e m st ob e s o l v e db e t t e rt od e v e l o pm i c r o - e c mt e c h n o l o g y , s t r a yc o r r o s i o no fd i s t r i b u t i n g e l e c t r i cf i e l d ，c o n t r o lt oe l e c t r o c h e m i c a ll o c a t i o na n dm a c h i n i n gp r e c i s i o n i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s i sb a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp u l s em i c r o - e c m s h o w st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o d ep o t e n t i a la n dc h a r g i n gt i m ei nt h e p o l a r i z a t i o np r o c e s so fe c m a c c o r d i n gt o t h e b u l t e r - v o l m e r e q u a t i o na n d f a r a d a y sl a w , t h et h e o r e t i c a lm o d e lo fc u r r e n td e n s i t ya n dp r o c e s s i n gs p e e di s e s t a b l i s h e d a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sa c c o m p l i s h e dt om a k eo u to ft h ef e a s i b i l i t y o fu t i l i z i n gn a n o s e c o n dp u l s ep o w e rt oa c h i e v em i c r o e c m ，a sw e l la st h ei m p a c to f t h ee l e c t r o l y t eu p o nm i c r o - e c m n a n o s e c o n dp u l s ep o w e rs u p p l ya r ed e s i g n e da n d m a d e t h ep u l s ew a v ef r o mw a v e f o r mg e n e r a t o ri sb l o w n u pb yp o w e ra m p l i f i c a t i o n c i r c u i t ，a f t e rn e g a t i v ep u l s ec a r r i e rw a v e sf i l t r a t e d ，s q u a r ew a v ep u l s es h o r t e n e dt o lo o n sa n du pt o5 m h zi sg a i n e d t h eo u t p u tv o l t a g ec a ns a t i s f ym i c r o - e c mf o rt h e v a l i dv a l u ef r o m0t o10 va n dd u t y f a c t o ra d j u s t m e n tf r o m0 1t o0 5 a d o p t i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o c h e m i c a le t c h i n g ，s y m m e t r i c a lc o l u m ne l e c t r o d e w i t h16 i t mi nd i a m e t e ra n d5 0 0 i t mi nl e n g t hi sm a n u f a c t u r e do nl i n e ，a n ds o l v et h e p r o b l e mo f b a c kw i m b l e r e p l a c i n ge l e c t r o d ew i t ha i g u i l l e ，m i c r oh e l i xe l e c t r o d ew i t h 8 0 “mi nd i a m e t e ra n d3m i l li nl e n g t hi sm a n u f a c t u r e d b a s e do nt h ew e d g p r i n c i p l eo fm a n u f a c t u r i n gm i c r oa x i s ，s y m m e t r i c a lc o l u m ne l e c t r o d e 研t h5 2 t mi n d i a m e t e ra n d8 0 0 p mi nl e n g t hi sa l s om a d e ，a n da sar e s u l t ，m e t h o do fw i r e e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gt i n ye l e c t r o d ei sp u tf o r w a r d t h ee l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n ge x p e r i m e n t ，谢mn a n o s e c o n dp u l s ep o w e r s u p p l y , a i m st or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fp o w e rs u p p l yp a r a m e t e r s ( p e a kv o l t a g ev a l u e ， i i i 广东t 业大学工学硕士学位论文 p u l s ed u r a t i o n a n dd u t y f a c t o ro fm a c h i n i n gv o l t a g e ) a n de l e c t r o l y t e ( c o m p o n e n t ， c o n c e n t r a t i o n ) o nm a c h i n i n gc l e a r a n c e ，t a p e ro fh o l ea n dq u a l i t yo fm a c h i n i n gs u r f a c e u n d e rt h ec o n d i t i o n so fl o wv o l t a g e ，n a r r o wp u l s ed u r a t i o n ，s m a l ld u t yr a t i oa n dl o w c o n c e n t r a t i o np a s s i v a t i o ne l e c t r o l y t e ，e x p e r i m e n ts h o w st h a t i tc a l le f f e c t i v e l y d i m i n i s hm a c h i n i n gc l e a r a n c e ，b o o s tu pt h el o c a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n ， e n h a n c et h em a c h i n i n gp r e c i s i o n ，a n da tl a s tr e a l i z em i c r om a c h i n i n g t h ee x p e r i m e n t a b o u th o l ea n ds l o tb yu s i n gh e l i xe l e c t r o d ea n dc o l u m ne l e c t r o d er e s p e c t i v e l y i n d i c a t e st h a tt h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h el a t t e ro b v i o u s l ya tm a c h i n i n gr a p i d i t ya n d c l e a r a n c ef o rr e a s o n so fh e l i xs t r u c t u r eo fh e l i xe l e c t r o d ep r o p i t i o u st oe x p e lo u t c o m e d u r i n gm a c h i n i n ga n dr e n e we l e c t r o l y t e w i t h i nc l e a r a n c e t h r o u g hp r o l o n g i n g m a c h i n i n g t i m ea n dc h o o s i n gh e l i xe l e c t r o d e ，t h et a p e ro fh o l ei s i m p r o v e d r e m a r k a b l yb u tc a n tb ee l i m i n a t e d t h er o u n dp l a t f o r mw i t h0 5 6r n l t li nd i a m e t e ri s d e v e l o p e db ys y r i n g ee l e c t r o d em o l d i n g ，h i g hp r e c i s i o ni ns h a p e m a k i n gu s eo f e l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n g t h e19 0 xl9 0 mc o n v e xp l a t f o r ma n dt h ea n c o n 丽t h14 i _ t m i nw i d t ha n dlm mi nl e n g t ha r ea l s od e v e l o p e d ，a n dm i c r os t r u c t u r em a c h i n i n gi s r e a l i z e d k e y w o r d s ：m i c r os t r u c t u r e ，m i c r oe l e c t r o d e ，e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g ， n a n o s e c o n dp u l s ep o w e rs u p p l y i v 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 6 指导老师签字：彳渺7 劾 n 论文作者签字：韩予彳 2 0 0 8 年4 月1 5 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 早在1 8 3 4 年，法拉第就发现了金属阳极溶解的基本定律，为电解加工奠定 了理论基础。但直到2 0 世纪2 0 年代，g u s s e f f 才提出将金属阳极溶解的原理用 于零件制造的设想；而限于当时的技术条件，直到1 9 5 6 年，美国在芝加哥工业 博览会上展出第一台电解加工机床，使电解加工在航空航天领域中成为一种主要 的加工技术，应用于大零件的成型加工、精加工、去毛刺以及电解铣削加工等。 由于电解加工具有工具电极无磨损、无宏观切削力及毛刺、高表面加工质量以及 能够加工复杂的形状，而且与材料的硬度无关等优点，近年来已经引起工业界的 巨大兴趣，尤其是微细电解加工( e m m ：e l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g ) 技 术在微零件、微结构中的应用研究。电解加工是工件阳极溶解以离子方式去除材 料的，采用钝性电解液，阳极溶解具有定域性，加工所得到的工件形状几乎就是 工具电极的镜象，因此可用于微零件的加工b - 2 。 小型化、微型化是2 1 世纪产品发展的主要趋势。微小零件、微小装置在半 导体工业、生物技术、微电子工业、远程通讯、医疗行业以及航空航天中得到了 越来越广泛的应用。目前采用的微细零件加工技术，如l i g a 技术等，对设备有 很高的要求，成本高昂，只适用于大批量生产【3 卅。而另外一些微细零件加工技 术，如微细电火花加工技术，多用于微细孔、简单微细型腔等的加工，由于加工 过程存在工具损耗，尚未能加工形状较为复杂的零件，而且材料去除多为微团去 除，微团平均尺寸较大( 最小为微米级) ，限制了其向更微细加工方向的发展【5 1 。 随着脉冲电源技术的不断发展，出现了纳秒级甚至皮秒级的高频、窄脉宽脉冲电 源，大大增强了微细电解加工的定域性，使得加工精度显著提高。而且微细电解 加工可以用简单形状的微细工具电极实现对复杂微细零件的铣削式电解加工，将 为微细复杂零件的制造提供一个新的途径。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 微细加工技术的种类及发展 近年来，随着越来越多的微细结构出现在工业应用中，微细加工技术的研究 也得到越来越广泛的重视，研究范围也涉及到各种现代加工方式。目前，微细加 工技术主要包括超精密机械微细加工、l i g a 和l i g a li k e 技术、高能束流微细 加工技术、微细电火花技术及微细电化学技术等。 1 2 1 超精密机械微细加工 超精密机械加工技术是用机械手段改变材料形状或逐层去除材料，实现精密 微细加工，如单晶金刚石刀具的车削与铣削、微细麻花钻的微钻孔技术和精微磨 削技术等。超精密机械加工的主要特点在于可实现复杂三维形体的加工，己成功 地制作出尺寸1 0 1 0 0 岬的微小三维构件。图卜1 ( a ) 、( b ) 为德国k a r l s r u h e 研究中心f z k 研究所用微铣削的方法在铜材和不锈钢材上分别加工出宽度小于 5 0 岬和i 0 0 岬的微槽。日本金泽大学研究了一套微细车削系统，用扫描隧道 显微镜上的金刚石探尖作为车刀，在直径为0 3 m m 的黄铜丝毛坯上加工出直径 为l o i _ t m 的外圆柱面，还加工出直径为1 2 0 雎m 、螺距1 2 5 岬的丝杠。四川大学 张明君教授采用金刚石刀具在精密数控车床上加工直径为7 岬的紫铜材料微细 轴，还加工出长度1 5 0 1 a m 、内径3 6 6 p m 、齿高6 7 岬及螺距1 0 眦螺纹，如图 1 - 1 ( c ) 所示 6 - s 。但该技术的加工效率普遍较低，可达深宽比也较小。 ( a )( b )( c ) 图1 1 超精密机械加工的微结构微零件 f i g 1 1m i c r os t r u c t u r ea n dp a r tm a c h i n e db yu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n g 1 2 2l ig a 禾口lig a - iik e 技术 第一章绪论 l i g a 技术是8 0 年代初由德国 k a r l s m h e 核研究中心发明并取得专利的 辐射曝光 一种高深宽比微细结构加工技术，它组 曝兜光源 磐些些坐掩膜 - 薯冒1 墨皇广1 翻= = 皇_ 兽一1 吧腿 一 b 基出曲西由扩光刻胶 合了光刻、微电铸、微注塑技术，通过 辊影亥胃蚀盈匿j 王呸三k 整叛 光刻形成具有特征图案的树脂胶层，将电铸成形圈墨盈匿e ；r 沉秘金属 上面覆盖有树脂胶层的导电材料衬底作 玉胶脱膜b s 曼士互r 微结构 为微电铸阴极芯模进行金属电化学沉 积，然后将金属沉积物和感光胶层分离， 图1 - 2l i g a 工艺流程 f i g 1 2t e c h n o l o ( , i cp r o c e s so fi ，i g a 得到的金属结构就是所需的微细零件。 。1 其工艺流程如图1 - 2 所示【9 】。 与其它微细加工方法相比，l i g a 技术具有如下特点 i o 川】：( 1 ) 可制造较大高宽 比的结构；( 2 ) 取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；( 3 ) 可制作任 意截面形状图形结构，加工精度高；( 4 ) 可重复复制，符合工业上大批量生产要 求，制造成本相对较低等。但其缺点是x 射线曝光及x 射线掩膜板等的加工费用 昂贵、成本很高，使其应用受到了限制；还有工艺过程复杂，加工时间较长，影 响加工精度和质量的因素多等缺陷。为克服l i g a 工艺技术的缺陷，出现了一类 应用低成本光刻光源或掩模制造工艺而制造性能与l i g a 技术相当的新的加工 技术，通称为准l i g a 技术或l i g a 1 i k e 技术。如用紫外光源曝光的u v - l i g a 技术、准分子激光光源的l a s e r - l i g a 技术和用微细电火花加工技术制作掩模的 m i c r o e d m - - l i g a 技术等：j 制。这些技术与l i g a 技术相比，降低了制造成本， 但所加工微结构的深宽比也有所下降。图卜3 是l i g a 技术制造的一些微结构，( a ) 是宽宽5 0g m 高1 5 0 0g m 的线圈，( b ) 是高度方向变化三次的叠状结构，( c ) 是 微夹头结构。 图1 3l i g a 技术制造的微结构 f i g 1 - 3m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db yl i g a 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 高能束流微细加工技术 高能束流( h e d b ，h i g he n e r g yd e n s i t yb e a m ) 加工技术是利用高能量密度的 束流( 离子束、电子束、激光束等) 对工件材料进行特种加工的技术。 离子束微细加工( i b m ，i o nb e a mm a c h i n i n g ) 则是利用离子源产生的离子， 在真空中经加速聚焦而形成高速、高能的束状离子流( 能量密度达1 0 5 w c m 2 ) ， 使之轰击到工件表面上，从而对工件进行加工 i s 】。离子束加工方法主要有离子蚀 刻、溅射镀膜、离子镀和离子注入等。最近，美国学者w i l s o n 等人用a r + 、k r + 离子束对石英玻璃、微晶玻璃等进行了表面精加工，在直径为0 3 m 的工件上得 到了面形精度为1 7 0 n m ，表面粗糙度r m s 值为0 6 n m 的超光滑表面【1 6 】。离子束微 细加工是特种加工方法中最精密、最微细的方法，而且加工表面质量好。但是这 种加工方法需要有一套复杂的离子束产生设备，价格昂贵，还存在生产率低，加 工过程不易控制等缺陷，从而影响了离子束加工的广泛应用。 电子束微细加工( e b m ，e l e c t r ob e a mm a c h i n i n g ) 是在真空条件下，利用电 子枪中产生的电子经加速、聚焦，形成高能量大密度( 1 0 6 - - 一1 0 9 w c m 2 ) 的极细 束流，以极高的速度轰击工件被加工部位。由于其能量大部分转换为热能而导致 该部位的材料在极短的时间( 几分之一微秒) 内达到几千摄氏度以上的高温，从 而利用熔化或蒸发实现微细加工。电子束可以加工出深径比1 0 ：1 至2 0 ：1 的微孔， 而且可以钻斜孔或弯孔；利用扫描电子束曝光蚀刻技术能够制作线宽小于 0 5 岫，集成度达2 5 6 k 以上超大规模集成电路；还可以对精微零件进行局部的、 能量分布可控的热处理。但电子束微细加工必须在真空中进行，而且属于热加 工，工件的被加工部位会产生热影响区，使其应用受到一定的限制。 激光微细加工( l b m ，l a s e rb e a mm a c h i n i n g ) 也是一种重要的高能束流微 细加工方法。激光具有亮度高、方向性强和单色性好的特点，聚焦后能形成直径 为几微米的光斑，焦点处的功率密度可达到1 0 7 - - 一1 0 1 1 w c m 2 ，温度高达上万度0 s 。 激光加工最早用在孔的加工，能加工直径为0 5 - - 8 m m 的孔，它还特别适用于切 割陶瓷材料和复合材料，具有切缝窄( 0 1 - 一0 2 m m ) ，切割厚度大和切割速度高 的特点。将激光束用于微细加工的技术近年来取得了快速的发展，如：准分子掩 模与直写加工、飞秒激光加工以及激光固化成形纳米加工技术等，它们的加工原 理都是利用热量熔化、汽化材料，因此不可避免的存在热影响区，而且激光器设 4 第一章绪论 各投资及维护的成本较大。 1 2 4 微细电火花技术 电火花加工( e l e c t r od i s c h a r g em a c h i n i n g ) 是利用工件和工具电极之间的脉 冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料局部熔化和汽化，从而达到蚀除加工的 目的。电火花加工材料选择广泛且为非接触式加工，在微加工中具有独特的工艺 优势 1 9 1 。 实现微细电火花加工的关键在于微小工具电极的在线制作、微小能量放电电 源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测与系统控制以及加工工艺方法等。 微细电火花加工具有加工间隙小( 数微米至十数微米) 、电蚀产物排出困难、工 具电极损耗严重、加工稳定性不易控制、电源利用率较低、伺服进给灵敏度和精 度要求高等特点，使其在进行微孔、微缝等微结构加工时，对脉冲电源、工具电 极制备、伺服进给及控制系统、加工机床、工作液循环系统等的要求很高，特别 对于高深宽比、复杂形状的三维微结构和器件的加工，还需要作大量的研究和探 索工作【2 0 2 。一些发达国家如日本、美国、比利时等对此开展了大量的研究工作， 取得一定的研究成果，并积累了相当丰富的经验。目前已加工出直径2 5v m 的 微细轴、5g m 的微细孔、5 p m 宽、1 5 0 9 m 长的微槽和直径为0 3 m m 、模数为0 1 m m 的微型齿轮；以微细电火花3 n - c 为主要手段制造出长0 5 m m 、宽0 2 r a m 、深0 2 m m 的微型汽车模具，并用其制作出了微型汽车模型 2 2 - 2 6 。韩国汉城国立大学b oh y u n k i m 等人使用电火花反拷技术制作出双盘型电极，端部直径4 5um ，颈部直径 2 0um ，还制作出由2 5 根电极组成的微细群电极。哈尔滨工业大学的赵万生教 授等利用微细电火花的分层铣削原理，加工出了l m m x 0 3 m m x 0 1 8 m m 的三维微 脸谱雕塑眦引，如图卜4 所示。 i = 薹薹童 i ，獭_ 忍忽筮嬲蕊曩墨芝盘露霭墨露密自l 豹 卜 。 ， i ：兰堕兰 ( a )( b )( c ) 图1 4 微细电火花加工的微结构 f i g 1 4m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db ym i c r o e d m 5 广东工业大学_ t 学硕士学位论文 1 3 微细电解加工技术国内外现状 1 3 1 掩膜微细电解加工 掩膜微细电解加工，是将光刻技术与电化学加工技术相结合的一种微细电化 学加工方法，能加工出微米甚至亚微米级的复杂形状。可用于精密光栅、超大规 模集成电路、印刷电路等多种金属薄壁零件和微机电系统( m e m s ) 零件的制造， 是半导体工业、微电子工业和微机械领域的重要制造技术。其原理是在工件表面 涂敷一层光刻胶，经过光刻显影后，工件上形成具有一定图案的裸露表面，然后 通过束流电解加工或浸液电解加工，选择性地溶解未被光刻胶保护的裸露部分， 最终加工出所需形状的工件【2 9 】。 由于金属溶解是各向同性的，金属在径向溶解的同时也横向被溶解，为了提 高加工速度和加工精度，开展了双面掩膜法微细电解加工的研究，在工件两面都 覆盖一层图案完全相同的掩模，从两边同时进行溶解。图卜5 是单面和双面掩模 电解加工的微孔，可以看出，单面掩膜法加工的微器件，侧面具有锥度；双面掩 模加工的孔侧壁垂直度非常好，且表面质量很好m - 。 ( a )( b ) 图i - 5 掩膜微细电解加工的微孔 f i g 1 5m i c r oh o l e sm a c h i n e db ym a s ke l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g 1 3 2 约束刻蚀剂层方法 厦门大学田昭武教授研究组于1 9 9 2 年提出 了约束刻蚀剂层技术( c o n f i n e de t c h a n tl a y e r t e c h n i q u e ，简称c e l t ) 。该技术将传统的各向 同性的湿法化学刻蚀变为具有距离敏感性的化 学刻蚀，能在不同的材料( 半导体、金属和绝缘 材料) 上实现复杂三维微图形的复制加工。其基 图1 - 6c e l t 加工的微槽 f i g 1 - 6s l o t sm a c h i n e db yc e l t 第一章绪论 本原理是：通过电化学或光电化学反应在具有高分辨率的复杂三维微图形的模板 表面产生刻蚀剂，刚生成的刻蚀剂在向外扩散过程中迅速与溶液中的捕捉剂发生 均相反应，将刻蚀剂紧紧地约束在模板表面轮廓附近的很小区域，当模板逐步靠 近待加工材料的表面时，被约束的刻蚀剂就能和待加工基底的表面发生化学反 应，从而加工出与模板互补的三维微图形。c e l t 具有距离敏感性，加工精度能 达到亚微米至纳米级，而且加工出的图形表面具有连续性，可加工出球面、锥形 等复杂的三维结构【，。3 2 1 。其不足之处是“刻蚀剂约束剂”的匹配要视被加工 材料的特性而作调整，各种材料的刻蚀体系的选择虽有理论可循，但仍然是一项 艰巨的工作。图卜6 是c e l t 技术加工出的微槽结构。 1 。3 3 基于扫描探针显微术的微细电解加工技术 随着扫描隧道显微镜( s t m ) 与原子力显微镜( a f m ) 的出现，基于扫描探针显 微术的微细电解加工技术近年来受到广泛关注，其中主要有基于扫描电化学显微 镜( s e c m ) 和基于扫描隧道显微镜( s t m ) 两种1 3 3 , 3 4 】，加工过程如图卜7 所示。 s t m 尖端 聚体霰潮 ( a ) s e c m 加工示意图( b ) s t m 加工微观示意图 图卜7 两种扫描探针技术的加工示意图 f i g 1 7s k e t c ho ft w ok i n d so fs c a n n i n gp r o b et e c h n o l o g y 扫描探针显微加工作为一种微细加工技术，加工尺度达到微米级以下，加工 精度高达纳米量级，显示出其在微、纳米a n n - 领域的潜能。但目前扫描探针显微 加工技术存在加工效率低、可重复性差、可加工材料非常有限等缺点限制了其应 用到实际微纳米器件的加工【3 5 1 。图卜8 ( a ) 是利用微细电解通过扫描加工方法获 得的加工形状，悬臂长3 6 m m ，宽1 5 0 1 x m ，工具直径为3 0 0 9 m ，加工间隙在1 0 1 5 9 m 之间；图卜8 ( b ) 为美国科学家在单晶的表面用4 8 个铁原子围成一个 1 4 3 n m 的圆圈，相邻两个铁原子的距离仅为1 n l n 3 6 3 7 。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( a ) s e c m 加工的悬臂结构( b ) s t m 加工的微三维模型 图卜8 扫描探针技术加工的微结构 f i g 。1 8m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db ys c a n n i n gp r o b et e c h n o l o g y 1 3 4 微细电解线切割加工技术 韩国汉城国立大学k i mbh 等人借鉴电火花线切割的加工方式，提出微细电 解线切割加工技术 3 8 】，它是微细电解加工技术和线切割加工思想的完美结合，具 有低成本、高效率的特点。微细电解线切割加工不但拥有微细电解加工的所有优 点，而且还有以下特点：可实现普通微细电解加工很难加工出的高深宽比结构 加工状态可以用较简单的数学模型来描述，间隙的实时控制比普通微细电解加 工更容易【3 9 】。图卜9 ( a ) 是k i mbh 采用l o g m 直径的铂丝为工具以电解线切割 的方式加工出的微槽；( b ) 是南京航空航天大学采用1 0 t m 直径的钨丝为工具以 电解线切割的方式加工出的五角星 3 8 , 4 0 l 。 ( a )( b ) 图卜9 微细电解线切割加工的微结构 f i g 1 - 9m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db yw i r ee l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g 1 3 5 脉冲微细电解加工技术 电解加工利用电化学阳极溶解的方式去除材料，理论上可以达到离子级的加 工精度，且具有工具无损耗、生产效率高、加工表面质量好以及材料选择性灵活 第一章绪论 等优点。但由于在阳极工件的表面只要接触到电解液、有电流通过，都会发生溶 解反应，造成杂散腐蚀。因此，将其应用于微细加工领域，必须解决杂散腐蚀的 问题，提高电化学反应的定域蚀除能力。研究发现当所使用的电源脉宽较小、频 率较高时，加工工件的精度和表面质量得到明显改善。采用脉冲电解时，间隙内 产生与脉冲电流同步的脉冲压力波，其频率和强度随着脉冲频率的提高而增强， 从而加强了对电解液流场的搅拌作用，使得间隙内的流场分布趋于均匀，并改善 间隙内散热条件，使最小稳定加工间隙大为减小，同时电流效率电流密度曲 线的斜率变大，加工过程的非线性效应得到增强，工件溶解蚀除的定域性增强， 从而提高了加工精度制。 德国f r i t z h a b e r 研究所的r s c h u s t e r ，v k i r c h n e r 等人首先采用纳秒级的超 短脉冲电流进行电化学微细加工，成功得到了数微米尺寸的微细零件，加工精度 可达几百纳米，充分发挥了脉冲电流微细电解加工的潜力。图1 - 1 0 ( a ) 是其采 用幅值为2 v 、脉宽为6 0 0 p s 、频率为2 0 0 m h z 的脉冲电源在镍片上加工出深为1 9 m 的三角沟槽；图卜1 0 ( b ) 是在0 2 mh c l 电解液中，用直径2 p m 钨丝电极，3 n s 脉宽加工出的微螺旋结构，深度为5 肛m 。随后美国、韩国、同本、印度等国也进 行了相关的研究，并取得了一系列的研究成果。图1 - 1 0 ( c ) 是韩国b h k i m 等人采用幅值为6 v ，脉宽为6 0 n s ，周期为l g s 的脉冲电源在3 0 4s s 不锈钢上加 工出直径为6 0 t m 微半球结构 4 s - a s 。 ( a )( b )( c ) 图1 1 0 脉冲微细电解加工的微结构 f i g 1 10m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db yp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g 国内脉冲电解加工研究早在上世纪八十年代初已经开始，在众多研究单位 中，哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、北京理工大学等高校分别对脉冲微细 电解加工的不同问题进行研究。其中，哈尔滨工业大学自行研制了多功能微细加 工机床，该机床具有三轴联动工作台及高速旋转主轴，并研制出最小脉宽为2 0 n s 9 广东t 业大学工学硕士学位论文 的高频脉冲电源。图卜1 1 ( a ) 是采用电解液质量浓度为1 0g l 的n a n 0 3 溶液， 加工电压为5 5v 、脉宽与脉间都为4 0 1 a s 的脉冲电源，在厚度为3 0 0 p m 不锈钢 ( s u s3 0 4 ) 上通过电解铣削加工的宽约为6 0 9 m 的曲梁 4 9 t 5 0 1 。南京航空航天大学对 脉冲微细电解加工机理进行了探索，并利用纳秒级脉冲电源进行试验研究，在 5 0 9 m 厚镍片上加工出槽宽为3 0 9 m 十字槽，如图卜1 1 ( b ) 所示阳引。北京理工大 学则在群脉冲电解加工研究中取得一系列的研究成果 5 4 t 5 5 。 ( a ) 微曲梁结构( b ) 十字微槽 图1 1 1 脉冲微细电解加工的微结构 f i g 1 - 1 1m i c r os t r u c t u r e sm a c h i n e db yp u l s ee l e c t r o c h e m i c a lm i c r o m a c h i n i n g 1 4 课题研究概况 1 4 1 课题来源 本论文的课题来源于广州市科技计划项目( 编号：2 0 0 4 2 3 d 0 0 5 1 ) “三维微 细展成电解加工技术与装备的开发研究”和广东省科技计划项目( 编号： 2 0 0 5 8 1 0 2 0 1 0 1 6 ) “三维微细零件微结构加工装备开发与关键技术研究”两个项 目。 1 4 2 研究的目的和意义 随着科学技术及微机电系统( m e m s ) 的不断发展，零件尺寸要求越来越向微 小型化方向发展。微细电解d h - r ：作为微细加工技术之一，在微机电系统制造及微 细加工的研究中越来越受到重视与关注，特别是微轴、微孔、微细异型孔、微细 槽、群孔、群缝等的加工。 微细电解加工技术是基于金属电化学溶解原理，其加工尺寸可以达到微米 第一章绪论 级，且加工过程中工具与工件不发生直接接触，无工具损耗；工件上不会产生加 工应力、变形以及热影响区。但是由于电化学反应的杂散腐蚀问题，定域加工能 力差，制约了其在微细加工领域的应用，因此，增强电解加工定域性的研究一直 都备受重视。在电解加工中采用纳秒级的脉冲电源，由于电流持续时间非常短， 电极极化还未达到稳定状态就进入了脉冲间歇，电化学反应始终处于暂态过程 中，能够显著减小工具电极和工件之间的加工间隙，抑制杂散腐蚀，从而实现微 米、亚微米级的微细电解加工。采用纳秒级脉冲电源进行微细电解加工实验，研 究纳秒级脉冲电源参数对微细电解加工质量的影响，对于微细电解加工的发展与 应用具有重要的意义。 1 4 3 研究的内容 本课题将建立脉冲微细电解加工理论模型，制作纳秒脉冲电源，并在现有的 三维微细电解加工机床上进行实验研究，主要内容为： 1 通过对脉冲微细电解加工等效电路的分析，建立加工理论模型，并制作纳秒 级脉冲电源，使其满足脉冲微细电解加工的要求； 2 在线制作满足微细电解加工要求的高精度工具电极，采用两种方法在线制作 电极，并使用所制作的电极进行微孔、微槽及其他微结构的加工。 3 采用纳秒级脉冲电源进行实验，研究电源参数、电极形状及不同浓度、不同 组分的电解液对孔( 槽) 加工精度及锥度的影响，并对改善锥度的措施进行 实验研究。 广东工业大学t 学硕十学位论文 第二章脉冲微细电解加工原理 2 1 电解加工技术原理 电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图2 - 1 所示，工件、工具分别接 脉冲的电源的阳极、阴极，两个电极之间有一定的加工间隙，中间充满电解液。 当接通电源时，在电源、工件、电解液和工具之间形成回路，有电流通过电解液 从工件阳极流向工具阴极，电解液中的阴、阳离子分别向阳极、阴极移动，从而 在金属和溶液界面上进行有电子参与的电化学反应，在工具阴极处发生还原反 应，产生氢气，在工件阳极处发生氧化反应，对金属进行腐蚀加工。 图2 - 1 电解加工示意图 f i g 2 1p r i n c i p l eo f e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 电解加工是通过对金属阳极产生电化学溶解来去除材料的，从原理上来说是 离子去除，因此可达到微细加工的目的。在加工中，只要控制电流的大小和电流 通过的时间，就可以控制工件的去除速度和去除量，又由于电解过程中没有宏观 作用力产生，因而具备实现微细电解加工的基本条件【5 6 】。虽然电解加工理论上可 以达到离子级的加工精度，而且具有工具电极无损耗、加工材料范围广及加工质 量好等很多优点，但是在以前它很少被用于微细加工领域，主要原因在于电化学 反应产生的杂散腐蚀。在电解加工过程中，对于接触到电解液冲刷的阳极表面， 1 2 第二章脉冲微细电解加工原理 只要有电流通过，就会发生溶解反应。这些反应区域不仅包括加工区，也包括周 围的非加工区，这种现象称为杂散腐蚀，并导致电解加工的定域性较差，所加工 零件精度低。因此，将电解加工技术应用于微细加工领域，必须解决杂散腐蚀的 问题，提高定域蚀除能力。目前，采用高频脉冲电源及钝性电解液，可以降低杂 散腐蚀作用，有效地增强电解加工的定域性，显著地提高加工质量，满足微细加