微細(xì)電化學(xué)加工的脈沖電源及加工工藝研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械零件向小型化和精密化方向發(fā)展，各種微細(xì)加工技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。微細(xì)加工技術(shù)成為機(jī)械加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)作為一種特種加工技術(shù)，是微細(xì)加工技術(shù)的重要組成部分。微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)是以離子形式去除多余材料，加工過(guò)程中作用力和熱影響小，適合于微細(xì)加工。但是由于電化學(xué)加工具有雜散腐蝕，在微細(xì)加工中一般用來(lái)加工二維結(jié)構(gòu)。超短脈沖電化學(xué)加工技術(shù)可以減小電化學(xué)加工的雜散腐蝕，但是對(duì)加工材料、電解液以及加工

2、電源的限制較多。本文針對(duì)電化學(xué)加工的高頻脈沖電源、微細(xì)電極的電化學(xué)加工方法、不銹鋼微小結(jié)構(gòu)的加工工藝和電解液進(jìn)行了研究，并探討半導(dǎo)體硅材料的微細(xì)電化學(xué)加工方法。
　　微細(xì)電化學(xué)加工機(jī)理是電化學(xué)能夠應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，根據(jù)電化學(xué)理論分析了電化學(xué)加工的條件、陽(yáng)極鈍化和陽(yáng)極蝕除過(guò)程。研究了工件表面電化學(xué)去除的微觀過(guò)程，以及工件材料的成分、晶粒結(jié)構(gòu)、表面鈍化層對(duì)材料的蝕除過(guò)程和表面質(zhì)量對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。由于微細(xì)電化學(xué)加工具有

3、加工間隙小，電解液流動(dòng)困難的特點(diǎn)，因而流場(chǎng)是影響加工精度和加工穩(wěn)定性的重要因素。針對(duì)微細(xì)電化學(xué)加工特點(diǎn)，對(duì)其電場(chǎng)特性和流場(chǎng)特性進(jìn)行了研究，分析了其對(duì)加工精度和加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響。建立了微細(xì)電化學(xué)加工的阻抗模型，在此基礎(chǔ)上分析了高頻脈沖電壓、電極尺寸，陽(yáng)極鈍化對(duì)加工定域性的影響。
　　本文對(duì)微細(xì)電化學(xué)加工電源進(jìn)行了研究，研制出輸出電壓、脈沖寬度和頻率可調(diào)的高頻脈沖電源。電源以單片機(jī)作為控制器，CPLD為頻率發(fā)生器，具有脈沖參數(shù)設(shè)置

4、，電壓檢測(cè)以及串口通訊功能。提出了兩種結(jié)構(gòu)的微細(xì)電化學(xué)加工電源：斬波式和功率放大式脈沖電源，斬波式脈沖電源具有加工電壓高，輸出電流能力強(qiáng)的特點(diǎn)；而功率放大式脈沖電源能夠輸出脈沖寬度50ns，頻率3MHz的矩形脈沖。分析了兩種脈沖電源的適應(yīng)范圍和應(yīng)用場(chǎng)合。研究了脈沖電源脈沖寬度和頻率的影響因素，以及電化學(xué)阻抗對(duì)輸出電壓波形的影響。設(shè)計(jì)了加工間隙狀態(tài)檢測(cè)電路，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采集加工間隙的電壓來(lái)判斷間隙的狀態(tài)。
　　研究了電化學(xué)在線加

5、工微細(xì)電極的方法。為了提高電化學(xué)加工微細(xì)電極的形狀精度，減小安裝誤差對(duì)微細(xì)電極偏心的影響，研究了電化學(xué)車削加工微細(xì)電極的方法，建立了電化學(xué)車削加工微細(xì)電極的尺寸模型。
　　研究了不銹鋼的微細(xì)電化學(xué)加工工藝，分析了工件材料、電解液、以及流場(chǎng)對(duì)加工過(guò)程和精度的影響。研究了微小深孔電化學(xué)鉆削加工方法，分析了加工過(guò)程中電壓、進(jìn)給速度、流場(chǎng)等因素對(duì)加工間隙以及加工過(guò)程的影響。采用削邊電極、工件輔助振動(dòng)、以及電極間歇回退等方法，改善了深小孔加

6、工的間隙流場(chǎng)，減小了深小孔的側(cè)面傾斜度及加工間隙。研究了電化學(xué)銑削的工藝，包括電化學(xué)側(cè)面銑削、電化學(xué)銑削微細(xì)槽、電化學(xué)平面銑削、以及電化學(xué)型腔銑削。
　　針對(duì)半導(dǎo)體硅材料的電化學(xué)微細(xì)加工方法進(jìn)行了研究，分析了硅的電化學(xué)加工特性、硅/電解液界面的等效電路和電容、以及硅的陽(yáng)極氧化物對(duì)硅的電化學(xué)加工性能的影響。在鹽酸以及氫氧化鈉溶液中進(jìn)行了硅的電化學(xué)鉆削及銑削加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，氫氧化鈉溶液更適合于硅的電化學(xué)微細(xì)加工。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了硅的