基于電解電火花效應(yīng)的硬脆絕緣材料微加工技術(shù).pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)已在通信、汽車、生物醫(yī)學(xué)、可再生能源、航空航天、智能武器等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。玻璃等MEMS絕緣硬脆材料具有高硬度、高脆性、耐磨損、耐腐蝕、絕緣、透明以及生物相容性等優(yōu)良屬性,然而它們的微加工卻十分困難。電解電火花加工(ECDM)是一種針對玻璃、石英、陶瓷等絕緣硬脆材料的微加工方法。它加工效率高、柔性好、成本低,但在精度、深度等方面還未達(dá)到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的要求。為此,本文提出一系列基于電解電火花效應(yīng)的絕緣材料

2、微加工技術(shù)。本文首先探討了電解電火花效應(yīng)的特性和機(jī)理。其次圍繞電解電火花效應(yīng),建立了電解電火花加工的數(shù)學(xué)模型。最后提出并試驗(yàn)研究了電解電火花熱輔助機(jī)械加工、電解電火花振動沖擊加工和用于微磨削加工的電解電火花砂輪修整的工藝和機(jī)理。
　　 在電解電火花效應(yīng)的特性和機(jī)理的研究中,揭示了電解電火花效應(yīng)的靜態(tài)電壓-電流特性,指出是否達(dá)到臨界電壓直接決定電解電火花效應(yīng)的發(fā)生。著重觀察了放電區(qū)間的動態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)放電頻率和脈沖峰值電流符合泊松分

3、布。針對氣層的形成機(jī)理,建立了氣泡層和氣層的電學(xué)模型,引入滲流理論解釋氣泡層向氣層轉(zhuǎn)化的機(jī)制。
　　 在電解電火花加工數(shù)學(xué)建模的研究中,首先建立模型假設(shè),闡述加工機(jī)理,之后推導(dǎo)出模型公式,再用有限元方法仿真得到單火花放電下的材料去除量。通過試驗(yàn)獲取模型參數(shù)并驗(yàn)證模型的有效性,模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。開展了基于模型的電解電火花加工工藝和機(jī)理研究,發(fā)現(xiàn)在低電壓時的材料去除方式主要是化學(xué)腐蝕,隨著電壓的升高熱蝕去除的比例增大。

4、本模型的特點(diǎn)包括:利用高斯熱源代替矩形熱源更能準(zhǔn)確地描述單火花熱源、用當(dāng)量熔點(diǎn)作為材料去除準(zhǔn)則能把復(fù)雜的熱一化學(xué)耦合問題簡化為熱傳導(dǎo)問題、用指數(shù)衰減函數(shù)來描述加工域效應(yīng)。
　　 在電解電火花熱輔助機(jī)械加工的研究中,首先闡述了加工原理,再用數(shù)學(xué)語言描述了熱輔助加工過程。隨后將新方法與普通電解電火花加工的效果進(jìn)行對比,試驗(yàn)結(jié)果表明,電解電火花熱輔助機(jī)械加工提高了放電域的加工效率,減小了尺寸誤差和圓度誤差。研究了工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影

5、響,發(fā)現(xiàn)加工效率隨電壓的增大而升高,但加工精度隨之下降。在達(dá)到臨界深度之前,加工效率隨工具電極轉(zhuǎn)速的升高而升高。使用掃描電鏡觀察了加工后工件表面,證明材料去除機(jī)理是熱輔助機(jī)械加工、熱輔助化學(xué)加工和熱熔化的共同作用,其中熱輔助機(jī)械加工是主要的材料去除方式。
　　 在電解電火花振動沖擊加工的研究中,首先闡述了加工原理,然后將新方法與普通電解電火花加工的效果進(jìn)行對比,試驗(yàn)結(jié)果表明,電解電火花振動沖擊加工能提高加工深度和流體力學(xué)域的加工

6、效率。研究了工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)加工深度隨振動幅值線性增大。在15-150 Hz范圍內(nèi),加工深度略有增加;然而在150-500Hz的過程中,加工深度由300μm躍升到550μm。使用掃描電鏡觀察了加工后工件表面,證明材料去除機(jī)理是熱輔助機(jī)械加工、熱輔助化學(xué)加工和熱熔化的共同作用。在加工深度較大時,主要材料去除方式為機(jī)械沖擊。
　　 在電解電火花砂輪修整的研究中,將電解電火花效應(yīng)應(yīng)用到微磨削加工中的輔助砂輪修磨工藝中,利

7、用了電解電火花加工中的電極損耗來修整砂輪。首先闡述了加工原理,然后對修整過程進(jìn)行理論分析。分析得出,修整機(jī)理是火花產(chǎn)生的局部高溫將材料熔化和電化學(xué)腐蝕。通過對微磨削砂輪修整前后砂輪表面形貌、法向磨削力以及工件表面粗糙度的對比發(fā)現(xiàn),修整后砂輪上的磨粒明顯暴露出來,且磨粒沒有受到破壞;法向磨削力和工件表面粗糙度都降低了50％。研究了工藝參數(shù)對修整效果的影響,發(fā)現(xiàn)電壓和電解液濃度是控制修整效果的關(guān)鍵參數(shù),最佳條件是32 V的電壓和30%的電解