[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】脉冲电化学微细加工研究-中文翻译

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )外 文 资 料 翻 译 系： 机 械 工 程 系 专 业： 机 械 工 程 系 及 自 动 化 姓 名： 林 波 学 号： 060104256 外文出处： Journal of Manufacturing Processes 附 件 ： 1.外 文 资 料 翻 译 译 文 ；2.外 文 原 文 。 指导教师评语： 译文能够较准确地表达出原文内容，专业术语翻译较准确，语句基本通顺，但个别专业术语还需进行修改，对译文还需要进一步认真整理，消除不符合汉语习惯的一些用法和句法。 签名： 年 月 日 (用外文写)注： 请将该封面与附件装订成册。 脉冲电化学 微细 加工 研究 波兰 华沙理工大学 J. Kozak 美国林肯大学 特 种 加 工 研 究 中 心 K.P. Rajurkar Y. Makkar 摘要 ： 对于许多工业和消费产品来说，复杂和精确 的 微 电子元器 件 的 需求量急速增加。 电化学加工 (ECM)工艺有实现 微电子元器表面 所需的无 微裂纹 和 无残余应力要求 的潜力。 然而 ,为了减少电极间隙 (改善精度 )和提高局部电化学溶解 (减小 特征 尺寸 )，那么就有必要改进现有电化学加工 ECM 工艺 。 本文 研究 一种新的能够产生复杂 的 维 及可能达到三维高精度 微电子元器件 的脉冲电化学 细微 加工 (ECMM)工21艺 。 基于该工艺的原理 建立相应 的数学模型，并且已经通过最近设计和制造的 ECMM系统的实验验证 。 研究了加工电压和进给速度对该工艺性能的影响 。所提及的方法的应用，在加工复杂的带直线边缘狭槽的 160um 和 180um 的 槽宽 已有所介绍 。 关键词： 电 化 学 加 工 ； 脉 冲 电 化 学 微 细 加 工 ； 微 细 加 工 ； 微型 元件 制造 引 言 到 2005 年 时 ， 世 界 上 所 有 的 工 业 和 消 费 产 品 对 于 微 型 部 件 和 微 型 产 品 的 市 场 需求 将 可 能 达 到 600 美 元 ( Alting 及 其 他 人 2003;Eversheim 及 其 他 人 1997)。 现 在 许多现有的精密工程技术正在被改进并尝试制造出更精密的微电子元器 。 同 时 ,具 有 所需 精 确 度 的 微 型 部 件 的 新 工 艺 正 在 研 究 之 中 (Kirchmer 及 其 他 人2001;Kozak,Rajurkar 和 Wei 1994;Shuster 及 其 他 人 2000)。 诸 如 平 版 印 刷 术 ,各 种的 蚀 刻 技 术 以 及 薄 膜 沉 淀 的 工 艺 技 术 正 在 被 人 们 使 用 ， 主 要 是 用 来 生 产 二 维 的 微 型元 件 ( Friedrich 及 其 他 人 1997;Jerman 和 Terry 1997)。 然 而 ,直 到 最 近 才 有 人 试 图 研究 生 产 三 维 微 型 元 件 的 工 艺 。 除 了 诸 如 微 型 制 弯 以 及 磨 铣 的 传 统 加 工 方 法 以 外 ， 人们 正 将 注 意 力 集 中 到 非 传 统 的 加 工 方 法 上 ， 例 如 微 细 电 火 花 (EDM)以 及 微 细 电 化 学(ECM)以 及 激 光 加 工 ， 这 主 要 是 由 于 他 们 所 独 有 的 特 性 (Datta 以 及 Romankiw 1989;datta、 shinoy， 和 romankiw 1993;datta1998;masuzawa2000） 。 只 要 材 料 能 够导 电 （ 不 论 硬 度 ） ,ECM 能 够 很 快 加 工 出 无 应 力 ， 无 缝 的 光 滑 表 面 ， 这 种 性 能 使 得这 种 方 法 成 为 细 微 加 工 最 好 的 选 择 。 电 解 (ECM)方 法 基 于 可 控 制 的 阳 极 溶 解 工 艺 ，将 工 件 作 为 阳 极 ， 工 具 作 为 阴 极 。 ECM 工 艺 中 ， 通 常 在 具 有 小 间 隙 的 电 极 (通 常0.20.8 毫 米 )之 间 使 用 低 电 压 （ 830 V） ， 产 生 10100A/cm2左 右 的 高 电 流 密 度 ,同时 金 属 去 除 率 在 0.1mm3/min 到 10mm3/min 之 间 。 电 解 液 (一 般 是 NaCl 或 NaNO3水溶 液 )在 加 工 间 隙 流 过 ， 速 度 为 1050m/s， 这 样 使 电 化 学 溶 液 能 够 高 速 冲 去 反 应 产 物（ 通 常 是 气 体 和 氢 氧 合 物 ） ， 同 时 冲 去 电 流 通 路 和 电 化 学 反 应 产 生 的 热 量 。 然 而 ,要 将 ECM 工 艺 很 好 的 应 用 到 微 细 加 工 中 去 ， 就 必 须 研 究 出 一 种 改 进 的ECM 系 统 ， 这 种 系 统 可 以 尽 可 能 的 提 供 小 的 加 工 间 隙 ， 以 及 提 高 定 域 性 和 可 控 的电 化 学 溶 解 （ 以 满 足 所 需 的 微 型 特 征 ） 。 最 新 研 究 一 种 电 化 学 微 细 加 工（ ECMM） 工 艺 是 使 用 一 种 普 遍 的 数 控 设 备 电 极 （ 例 如 圆 柱 状 ） ， 而 不 是 设 计 和制 造 出 特 定 大 小 与 形 状 的 工 具 。 虽 然 Kirchmer（ 2001） 和 Shuster 及 其 他 人 (2000)曾 经 对 这 种 系 统 的 实 际 可 行 性 进 行 过 描 述 ， 但 是 并 没 有 提 到 微 细 加 工 数 学 模 型 和加 工 参 数 对 性 能 的 影 响 研 究 。 本 文 将 介 绍 这 样 的 微 ECM系 统 ， 和 有 关 数 学 模 型 ，实 验 性 鉴 定 和 结 果 。 ECMM 工 艺 和 模 型 提 到 的 数 控 ECMM(NCECMM)工 艺 使 用 通 用 的 平 面 线 的 工 具 电 极 ， 这 种 电 极 与 微型 铣 刀 的 移 动 方 式 相 似 ,使 用 计 算 机 控 制 的 纳 米 传 动 装 置 沿 着 三 个 轴 移 动 。 所 提 到 的NC - ECMM 方 法 具 有 很 多 的 优 点 ,比 如 可 以 消 除 工 具 设 计 工 序 ， 这 种 工 序 通 常 是 复杂 、 耗 时 和 昂 贵 的 。 此 外 ， 使 用 这 种 方 法 ， 可 以 消 除 电 解 液 流 动 的 较 长 的 路 径 ， 因此 维 持 较 小 的 电 极 加 工 间 隙 ,这 对 于 精 确 的 微 型 的 机 械 加 工 来 说 是 非 常 有 必 要 的 。 通 过 特 定 设 计 的 电 路 ， 可 以 得 到 几 微 米 的 缝 隙 ， 这 个 电 路 包 含 两 个 淹 没 在 电解 液 之 中 的 电 极 ， 导 致 在 电 极 表 面 产 生 电 化 学 双 层 (DL)DL 如 同 平 行 板 电 容 器 ,在脉 冲 开 启 期 间 可 以 获 得 电 荷 在 脉 冲 关 断 期 间 可 以 放 电 。 DL 的 这 种 现 象 产 生 了 一 种特 殊 电 路 ,这 种 电 路 包 含 DL 本 身 ,一 个 可 变 的 直 流 电 源 ,和 一 个 脉 冲 功 率 源 。 通过 这 个 电 路 ， 可 以 为 加 工 室 提 供 高 频 率 脉 冲 电 压 以 增 强 直 流 电 压 。 由 于 电 化 学 反 应 按指 数 规 律 取 决 于 DL 的 电 位 降 ,反 应 被 限 制 在 两 极 的 区 域 ， 这 些 区 域 接 近 于 电 极 表面 。 然 而 ,在 脉 冲 关 闭 时 间 发 生 的 DL放 电 被 直 流 电 压 抵 消 ,从 而 阻 止 极 性 反 转 ， 由 此阻 止 设 备 的 溶 解 。 与 脉 冲 ECM 类 似 ， ECMM 工 序 使 用 脉 冲 发 生 器 ， 穿 过 二 个 电 极 提 供 工 作 电 压 脉冲 ， 一 般 是 以 脉 冲 链 的 形 式 ， 这 种 脉 冲 链 包 含 单 一 的 脉 冲 或 脉 冲 组 (图 )。 提 到 的ECMM 方 法 导 致 电 化 学 溶 解 液 向 亚 微 米 区 域 的 局 部 化 ， 这 个 过 程 使 用 了 极 短 的 (微秒 )电 压 脉 冲 (Kirchmer 以 及 其 他 人 2001)。 溶 解 作 用 局 部 化 ， 同 时 NC 传 动 装 置 沿 切割 深 度 方 向 获 得 稳 定 和 非 常 精 确 的 反 馈 能 力 (十 亿 分 之 一 米 等 级 左 右 )， 似 乎 有 助 于 在 工件 和 设 备 电 极 之 间 维 持 微 细 ， 稳 定 的 加 工 间 隙 。 阳 极 电 化 学 溶 解 发 生 在 脉 冲 放 电 期 间 ， 对 于 脉 冲 ECM 工 序 来 说 ， tp 从0.005 到 5ms 不 等 ， 对 于 使 用 极 短 电 压 脉 冲 的 ECMM 工 艺 来 说 从 5ns 到 5000 ns不 等 （ 图 1） 。 在 脉 冲 关 断 时 间 期 间 ， 电 解 液 从 两 极 间 可 以 冲 走 溶 解 作 用 的 产 物 (淤 泥 ,气 泡 ,和 热 度 )to = Ttp， 其 中 T是 循 环 时 间 。 现 有 的 关 于 脉 冲 ECM 的 努 力 的 研 究 ， 显 示出 在 空 间 的 可 控 性 ， 加 工 成 形 精 确 度 ,和 工 具 设 计 的 简 化 方 面 有 着 相 当 大 的 改 善(Kozak Rajurkar,和 Wei1994)。 脉 冲 ECM 的 这 些 性 能 特 征 ,同 时 连 同 上 述 用 于 电 化 学 溶 解 局 部 化 的 特 殊 专 用电 路 一 起 使 提 到 的 ECMM 方 法 成 为 制 造 精 确 和 复 杂 三 维 的 微 型 元 件 的 非 常 理 想 的选 择 。 制 作 ECMM 工 艺 模 型 的 目 的 是 预 测 特 定 加 工 条 件 下 工 件 的 加 工 成 形 情 况 。 要 想 构 想 出 这 种 数 字 模 型 ， 通 常 的 情 况 是 将 对 用 电 化 学 方 法 加 工 成 形 的 工 件使 用 电 线 设 备 电 极 。 假 定 坐 标 系 属 于 工 件 中 ， 工 件 在 加 工 期 间 是 固 定 的 。 在 给 定 的 时 间 点 上 的 工 件 表 面 图 表 （ 图 表 2） 表 达 为 ： z = Z（ x， y， z） 图 1ECMM 工 序 的 理 论 方 案 以 下 是 辅 助 性 假 设 ， 这 些 假 设 在 ECMM 工 序 的 数 学 模 型 已 经 研 究 出 。 二 个 电 极 之 间 的 电 解 液 流 动 速 率 足 够 高 以致可以忽略电解液电导率的改变 工 件 材 料 各向同性 。 反 应 产 物 不 会 影 响 电 解 液 的 性 质 。 工 件 (阳 极 )表 面 均 匀 地 被 电 解 液 覆 盖 加 工 间 隙 的 电 场 是 稳 定 的 。 在 加 工 间 隙 上 的 电 势 分 布 ， 也 就 是 电 极 极 化 是 不 变 的 ， 并 且 作 为 平 均 值 。 要 预 测 最 终 形 成 的 形 状 ， 就 要 要 求 进 行 移 动 边 界 模 拟 ， 需 要 确 定 每 个 时 候 工 件表 面 的 溶 解 速 度 。 根 据 电 化 学 加 工 成 形 理 论 ,工 件 Z ( x, y, t) (Kozak1967)的 形 状 演 变 可 以 按 照 如下 : （ 1） 221yxiAKvtZ其 中 Kv 是 电 气 化 学 机 械 加 工 性 的 系 数 iA 是 阳 极 表 面 的 电 流 密 度 。 在 开 始 阶段 ,在 t = 0 时 ， 最 初 的 工 件 表 面 的 空 间 由 以 下 公 式 给 出 : z = Z0（ x, y) （ 2） 在 浓 度 梯 度 可 以 忽 视 的 区 域 中 ， 微 分 形 式 的 欧 姆 定 理 说 明 电 解 液 中 的 电 流 密 度i如 下 : （ 3） uK其 中 是 电 势 梯 度 ， K 是 电 解 液 的 电 传 导 率 。 图 2ECMM 模 型 方 案 ( TE工 具 电 极 , WP工 件 ) 以 电 解 液 的 电 中 性 为 基 础 ,电 场 是 没 有 来 源 的 是 静 止 的 。 因 此 ,在 电 解 液 中 的电 势 能 的 分 布 状 态 u 可 以 描 述 如 下 ： div(K ) = 0 (div =分 散 度 ） （ 4） 假 设 产 生 的 热 量 的 气 体 不 会 影 响 电 极 间 隙 中 的 电 解 液 电 导 率 。 公 式 (4)可 以 转 变为 拉 普 拉 斯 公 式 , 如 同 下 述 : （ 5） 022zuyx电 极 系 统 状 态 给 出 公 式 (1)(5)的 界 限 条 件 。 假 设 理 想 导 电 电 极 ,与 电 压 U的 外部 电 源 相 连 接 ,其 界 限 条 件 如 下 : U = Ec (t) 阴 极 (工 具 电 极 ) u = U(t) Ea (t) 阳 极 (工 件 ) 绝 缘 体 0n最 后 一 个 条 件 指 出 电 流 不 会 流 过 绝 缘 体 的 事 实 。 阳 极 电 能 Ea和 阴 极 电 能 Ec取 决 于 电 流 密 度 ， 由 各 电 极 时 能 的 密 集 度 和 活 性 总 和 所 决 定 。 方 程 式 (1)(5)给 出 了 电 极 的 相 对 运 动 。 需 要 选 择 短 时 间 的 间 隔 t, 这 样 在 这 个 间 隔 。 期 间 ， 计 算 电 场 和 阳 极 电 流 密度 接 触 面 可 以 被 认 为 是 固 定 的 。 在 解 决 了 已 知 界 限 的 问 题 后 ， 在 下 一 个 瞬 间 出 现 的 新 界 限 里 ， 这 个 问 题 重复 被 解 决 ， 由 t+ t 给 出 。 在 已 知 的 时 间 t 时 ,可 以 进 一 步 地 改 进 偏 微 分 公 式 (1)来 表 现 出 零 件 在 加 工 期间 出 现 的 轮 廓 变 化 ， (图 2)， 这 种 变 化 分 别 在 两 个 区 域 ， 一 个 是 加 工 间 隙 正 面 ，另 一 个 是 加 工 间 隙 的 侧 面 。 加 工 间 隙 正 面 的 微 分 形 式 方 程 式 可 做 如 下 表 述 ： （ 6） 1)()(122zxEUKvVdxzf同 样 ， 加 工 间 隙 侧 面 的 方 程 式 表 述 如 下 : （ 7） 1)()(22RyxEUKvVdxyf其 中 Vf 是 工 具 电 极 的 进 给 速 度 , 是负载系数 , R 是 设 备 电 极 半 径 , E 是 压 降 ,K是 电 解 液 电 导 率 。 为 了 检 验 理 论 上 的 使 用 公 式 (6)和 (7)得 出 的 理 论 结 果 ,进 行 以 下 的 实 验 性 研 究 。 实 验 装 置 与 过 程 ECMM 实 验 装 置 的 设 计 如 图 3 所 示 。 设 计 和 研 究 的 ECMM 系 统 规 格 如 表 格1所 列 表 1 系 统 规 格 驱 动 系 统 电 动 机 型 式 直 流 电 最 大 行 进 量 15 毫 米 分 辨 度 7 纳 米 轴 数 3 最 大 速 度 1.4 mm / sec 操 作 系 统 Windows 2000 操 作 软 件 Win Move 电 源 操 作 方 式 脉 冲 或 直 流 电 输 出 电 流 0 1 A 输 出 电 压 0 15 V 脉 冲 频 率 10 Hz 1000 KHz 负 荷 周 期 20% 80% 图 3 ECMM 工 艺 示 意 图 该 系 统 主 要 包 含 一 三 轴 NC 驱 动 平 面 ,一 个 高 频 率 的 脉 冲 功 率 源 ,一 个 可 变 的直 流 电 源 一 个 20X 倍 率 显 微 镜 和 一 个 示 波 器 驱 动 平 面 通 过 一 个 微 传 送 电 机 提 供 沿 各个 轴 的 运 转 ， 可 以 通 过 安 装 在 电 脑 上 的 控 制 器 依 次 控 制 轴 。 因 此 ,通 过 在 控 制 器 上 的Windows 软 件 的 编 写 程 序 ， 驱 动 平 面 可 以 完 成 任 何 复 杂 的 三 维 运 转 ， 从 而 加 工 得 到所 需 要 的 工 件 。 示 波 器 与 电 化 学 加 工 池 的 电 源 补 给 线 并 联 ， 用 来 观 察 电 流 的 波 形 。 30x 倍 率 显 微 镜 (具 有 二 个 测 量 附 属 装 置 ， 二 维 测 量 最 小 读 数 1m)被 用 来 测 量微 腔 的 长 度 和 宽 度 。 为 了 测 量 微 腔 的 深 度 ,使 用 了 一 台 最 小 读 数 为 0.002 毫 米 的 装 有针 形 探 头 的 Mitutoyo 测 微 仪 。 类 似 于 传 统 的 ECM 工 序 , ECMM 工 序 特 性 主 要 取 决 于 电 极 之 间 的 电 势差 、 电 极 间 距 和 工 具 电 极 进 给 速 率 。 然 而 ECMM 工 艺 涉 及 到 脉 冲 功 率 源 的 使 用 ， 因 此 起 动 时 的 脉 冲 参 数 、 工 作周 期 和 脉 冲 频 率 此 外 影 响 了 进 程 性 能 。 在 这 一 研 究 阶 段 ， 脉 冲 频 率 、 脉 冲 电压 、 工 作 周 期 和 设 备 电 极 进 给 速 率 的 影 响 已 经 有 所 研 究 。 现 在 测 量 的 是 微 加 工 的性 能 。 图 4a中 显 示 的 是 两 个 测 量 的 尺 寸 沿 宽 (Sx)方 向 的 加 工 间 隙 侧 面 和 沿 长 度设备电极加工齿缝(Sy)方 向 的 加 工 间 隙 侧 面 。 图 4b 显 示 加 工 间 隙 正 面 (在 稳 态 的 ECM 操 作 时 ， 工 件 表面 和 工 具 电 极 之 间 的 距 离 ） 。 (a) 沿宽度和沿长度方向的 家工间隙 侧面 (b) 工具 的正面 加工间隙 图 4 最 初 ,直 径 280m 的 工 具 电 极 (由 微 型 电 火 花 线 切 割 制 成 )被 用 在 不 锈 钢 (SS - 440)上 加 工 2 毫 米 长 度 的 夹 缝 。 使 用 的 电 解 液 是 10% NaNO3 溶 质 的 溶 液 。 最 初的 电 极 间 隙 保 持 在 20m。 设 置 好 控 制 参 数 之 后 ， 即 电 压 、 脉 冲 频 率 、 负 载 系 数 和 进 给 速 度 后 ， 开 始进 行 试 验 ， 在 电 解 液 环 境 中 重 复 地 逐 层 的 移 动 材 料 ， 按 照 所 需 要 的 轮 廓 ， 相 对于 固 定 的 工 具 电 极 移 动 工 件 ， 类 似 于 使 用 微 型 铣 刀 时 的 工 序 。 在 每 次 迭 代 结 束时 ,与 切 割 深 度 方 向 相 反 ， 相 对 于 工 具 电 极 微 进 给 工 件 。 由 于 ECMM 是 一 个 自动 调 整 的 工 艺 ,在 一 定 的 迭 代 次 数 之 后 ， 加 工 工 艺 到 达 一 个 平 衡 状 态 ， 此 时 向 下进 给 速 度 和 每 个 重 复 过 程 时 的 加 工 速 率 相 等 。 经 过 试 验 测 定 ， 从 20m 的 起 始 家工 间 隙 开 始 ， 对 于 任 何 按 照 之 前 所 规 定 的 控 制 参 数 值 来 说 ， 大 约 重 复 80120 次 之后 ， 达 到 平 衡 状 态 ， 条 件 是 进 给 速 度 维 持 在 0 和 1m 之 间 。 遵 循 完 全 的 阶 乘 试 验 设 计 四 因 素 方 案 ， 进 行 大 范 围 的 试 验 研 究 ， 每 次 处理 过 程 重 复 三 次 ， 每 个 的 等 级 为 二 级 。 性 能 测 量 (加 工 间 隙 侧 面 和 正 面 )的ANOVA 方 差 分 析 结 果 (包 括 二 阶 交 互 作 用 )表 明 ， R2 值 较 高 （ 95.76%） ,这 说 明四 个 因 子 在 获 得 较 小 的 加 工 间 隙 过 程 中 起 到 了 重 要 的 作 用 。 然 而 ,上 述 加 工 间 隙 在 频 率 等 级 1 兆 赫 时 保 持 较 小 ， 没 有 发 现 频 率 与 其 他的 因 素 产 生 相 互 多 大 影 响 。 所 以 在 频 率 级 1 兆 赫 时 ， 进 行 了 进 一 步 的 研 究 ， 发 现 电 压 和 进 给 速 度 的 作用 最 大 。 图 5和 6显 示 二 个 因 素 （ 在 1 兆 赫 频 率 级 时 ） 的 影 响 。 图 5电 压 对 加 工 间 隙 侧 面 和 正 面 的 影 响 图 6进 给 速 度 对 加 工 间 隙 侧 面 和 正 面 的 影 响 试 验 结 果 根 据 图 4a 和 4b 显 示 的 几 何 结 构 ， 对 加 工 间 隙 侧 面 和 正 面 进 行 计 算 ， 并 且 通 过使 用 之 前 所 说 的 测 量 系 统 来 测 量 窄 缝 宽 度 。 图 5 显 示 电 压 对 加 工 间 隙 侧 面 (Sx)和 加 工 间 隙 正 面 (Sf)的 影 响 所 得 到 的 试 验 结果 。 图 形 显 示 ， 随 着 电 压 的 增 加 ， 加 工 间 隙 侧 面 和 加 工 间 隙 正 面 都 有 所 增 加 。 在12 伏 特 时 观 察 到 加 工 间 隙 突 然 增 加 ,这 说 明 有 必 要 将 外 加 电 压 保 持 在 10 伏 特 以下 。 显 微 镜 观 察 显 示 加 工 的 空 隙 界 限 在 较 低 的 电 压 时 变 的 尖 锐 。 从 图 6 中 可 以 看 出 ， 加 工 间 隙 侧 面 和 正 面 随 着 进 给 速 率 的 增 加 而 减 少 。 然 而 ,当进 给 速 率 超 过 63 mm/ min 时 ， 观 察 到 加 工 齿 缝 的 边 缘 锐 利 程 度 减 小 。 因 此 对 于 所有 的 随 后 的 分 析 来 说 ， 工 具 电 极 给 进 速 率 已 保 持 在 21 到 63 mm/min 之 间 。 理 论 模 型 的 验 证 在 发 展 理 论 模 型 的 过 程 中 所 作 的 假 设 ,例 如 在 加 工 间 隙 中 的 初 次 分 配 电 势 是 直线 的 ， 电 极 极 化 强 度 是 不 变 的 作 为 平 均 值 的 ， 以 及 另 一 个 假 设 对 于 工 序 的 第 一 阶概 算 来 说 都 是 有 效 的 。 此 外 在 研 究 阶 段 ， 数 学 模 型 数 据 、 电 位 值 (E=3V)以 及 Kv (1.2mm3/A min)都 已 经 经 过 假 设 。 但 是 在 实 验 过 程 中 ， 这 些 值 可 能 是 不 同 的 ， 在 整个 工 序 过 程 中 可 能 无 法 保 持 恒 定 。 另 外 ,只 是 取 得 了 单 一 的 工 具 电 极 经 过 多 时 的 模 拟结 果 。 而 试 验 结 果 ， 是 经 过 某 一 个 工 作 领 域 的 多 次 的 试 验 结 果 。 所 以 ， 要 平 衡 多 次加 工 间 隙 及 理 论 模 拟 的 假 定 数 据 ,对 于 输 入 参 数 (电 压 )下 ， 加 工 间 隙 侧 面 以 及 加 工 间隙 正 面 的 相 对 变 化 进 行 了 研 究 。 被 用 来 鉴 定 理 论 模 型 的 策 略 是 ， 将 加 工 间 隙 侧 面 (或正 面 )增 加 的 百 分 比 同 电 压 增 加 的 百 分 比 进 行 比 较 。 在 这 一 方 面 ， 将 最 小 等 级 的 电压 作 为 基 础 电 压 等 级 ， 相 应 的 加 工 间 隙 侧 面 值 作 为 基 准 数 。 图 7 和 8 现 实 以 基 准面 为 参 考 ， 随 电 压 百 分 比 增 加 ， 加 工 间 隙 侧 面 以 及 加 工 间 隙 正 面 的 百 分 比 增 加 情况 。 图 7 显 示 加 工 间 隙 正 面 Sf在 理 论 计 算 和 试 验 结 果 上 相 差 很 小 。 该 图 显 示 在 外 加电 压 增 加 时 ， 加 工 间 隙 正 面 是 成 直 线 的 100%增 加 。 加 工 间 隙 侧 面 的 理 论 估 计 值 和 试 验 结 果 之 间 限 于 很 小 范 围 的 电 压 值 ， 这 一 电 压值 在 基 础 电 压 值 (12V)上 发 生 100%的 增 加 。 再 高 电 压 下 ， 实 验 加 工 间 隙 侧 面 几 乎 是理 论 模 型 预 测 下 的 2.5 倍 。 8V 时 相 差 很 小 以 及 12 V 时 差 异 加 大 的 情 况 可 能 是 由 于 在微 细 加 工 中 ， 低 电 压 的 供 给 (不 到 10 V)是 维 持 较 小 加 工 间 隙 的 必 要 条 件 。 图 7 加 工 间 隙 正 面 实 验 以 及 理 论 结 果 比 对 图 8 加 工 间 隙 侧 面 实 验 以 及 理 论 结 果 比 对 ECMM 工 艺 初 步 分 析 获 得 的 结 果 并 进 一 步 的 运 用 在 复 杂 的 微 型 加 工 间 隙 的 建 造上 ， 使 用 100m 直 径 的 设 备 电 极 。 此 外 ， 研 发 出 的 理 论 模 型 用 于 较 小 尺 寸 的 设 备 电极 (100m)的 ECMM 工 序 模 拟 还 显 示 ， 在 电 压 等 级 较 小 时 (45 V)， 保 持 其 他 参 数 和之 前 所 进 行 的 实 验 一 样 的 话 ， 将 导 致 设 备 电 极 (大 约 20m)附 近 地 区 的 金 属 溶 解 。 理论 上 加 工 间 隙 侧 面 以 及 正 面 的 值 在 20 到 30m 的 范 围 内 。 在 频 率 1 兆 赫 ， 5 V 脉 冲 ， 初 始 的 电 极 加 工 间 隙 20m,设 备 电 极 给 进 速 率 42 mm / min 的 条 件 下 ， 生 产 出 1 窄 缝 宽 度 160m 的 微 型 孔 隙 (图 9)。 同 样 , 生 产 出 齿缝 宽 度 180m 的 五 边 形 微 型 孔 隙 (图 10)。 图 9 和 10 中 三 角 形 锋 利 边 缘 以 及 侧 面和 直 的 窄 缝 内 壁 正 是 验 证 ECMM 系 统 的 适 用 性 。 因 此 通 过 使 用 提 到 的 加 工 方案 ,以 及 使 用 具 有 计 算 机 控 制 纳 米 级 的 ECMM 装 置 ,可 以 非 常 有 效 的 制 造 出 三 维 驱动 系 统 , - D 微 观 结 构 。 使 用 具 有 CNC 控 制 化 的 X, Y,以 及 Z 轴 来 产 生 三 维 复21合 空 隙 还 在 研 究 之 中 。 图 9ECMM 工 艺 加 工 三 角 形 内 腔 图 10ECMM 工 艺 加 工 五 角 形 内 腔 结 论 ECMM 工 艺 被 认 为 是 有 前 景 的 生 产 复 杂 微 型 孔 隙 加 工 方 法 。 微 秒 脉 冲 持 续时 间 和 细 微 电 极 间 隙 ， 通 过 高 度 精 确 的 数 控 的 设 备 电 极 来 维 持 。 保 证 能 够 取 得所 需 要 的 结 果 ， 以 下 列 出 在 理 论 模 拟 以 及 实 验 性 研 究 过 程 中 的 一 些 重 要 发 现 ： 1. 影 响 ECMM 工 艺 性 能 的 关 键 因 素 有 电 压 值 、 进 给 速 度 、 频 率 以 及 负 载 系 数。 ANOVA 方 差 分 析 结 果 中 ， R2 值 较 高 表 明 该 模 型 的 可 靠 性 。 2. 理 论 上 假 定 使 用 高 频 率 的 脉 冲 获 得 较 小 的 加 工 间 隙 已 经 在 实 验 上 得 到 了 检 验 ，高 频 率 (1MHz)造 成 的 结 果 显 示 加 工 间 隙 侧 面 以 及 正 面 的 边 缘 要 比 在 250 KHz 的 情 况 下尖 锐 的 多 。 相对与基准面的加工间隙比率3. 预 测 加 工 间 隙 正 面 以 及 侧 面 的 数 学 模 型 被 研 发 出 来 ， 并 经 过 了 实 验 验 证 。 观 察到 理 论 估 计 值 以 及 实 验 值 之 间 相 差 很 小 。 同 样 ,外 加 电 压 脉 冲 低 于 8 V 时 ， 观 察 到加 工 间 隙 侧 面 值 相 差 很 小 ， 这 支 持 了 在 较 小 电 压 值 时 ， 模 型 适 用 性 的 假 设 。 4. 通 过 加 工 出 两 个 复 杂 的 窄 缝 宽 度 为 160m 和 180m 的 具 有 锋 利 边 缘 以 及窄 缝 内 壁 的 缝 隙 ， 证 明 了 所 议 论 的 系 统 性 能 。 微 细 ECM 的 下 一 步 工 作 涉 及 工 具 电 极 的 精 确 移 动 ， 微 型 EDM 和 微 型 ECM的 集 成 以 及 三 维 微 型 孔 隙 的 生 成 感 谢 作 者 对 来 自 内 布 拉 斯 加 州 研 究 创 造 基 金 (NRI)的 资 助 表 示 感 谢 。 Dr. K.P. Rajurkar 对 来 自 国 家 科 学 基 金 会 的 资 助 表 示 感 谢 。 参 考 文 献 1 Alting, L.; Kimura, F.; Hansen, H.N.; and Bissacco, G. (2003). “Micro engineering.” Annals of the CIRP (v52/2), pp1-22. 2 Datta, M. and Romankiw, L.T. (1989). “Application of chemical and electrochemical micro machining in the electronics industries.” Electrochem Society, 136, pp 285C-292C. 3 Datta, M.; Shinoy, R.V.; and Romankiw, L.T. (1993). “Recent advances in the study of electrochemical micro machining.” ASME Journal of Mfg. Science and Engg. (PED-v64), pp675-692. 4 Datta, M. (1998). “Microfabrication by electrochemical metal removal .”IBM Journal of Research and Development (v42, n5),pp655-669. 5 Eversheim, W.; Klocke, F.; Pfeifer, P.; and Weck, M., eds. (1997). Manufacturing Excellence in Global Markets. Chapman & Hall. 6 Friedrich, C.R., et al. (1997). “High-aspect-ratio processing.” In Handbookof Microlithography, Micromachining, and Microfabr Vol. 2: Micromachining and Microfabrication, Rai-Choudury, P.,ed. Bellingham, WA: SPIE Press, pp299-378. 7 Jerman, H. and Terry, S. (1997). “Sensors and actuators.” In Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication, Vol. 2: Micromachining and Microfabrication, Rai-Choudhury, P., ed. Bellingham, WA: SPIE Press, pp379-433. 8 Kirchmer, V.;