电解电火花玻璃微加工新方法及其机理研究

摘要

随着可穿戴智能设备、手机等消费类电子产品的日益普及，包含各种型腔绝缘材料的精细加工存在巨大的市场需求。其中玻璃等微机电系统（MEMS,Micro-Electro-Mechanical System）绝缘材料有着广泛的应用市场，然而因其具有高硬度、高脆性等特点，使得它们的微加工受到极大限制。目前电解电火花加工（Electro-Chemical Discharge Machining,ECDM）是一种专门针对玻璃、石英、陶瓷等绝缘硬脆材料的微加工方法。它的加工效率高、柔性好、成本低，并且能在这些硬脆材料上进行三维微加工，但在加工精度、深度、重复性等方面还未达到大规模工业应用的要求。因此，本研究提出了新的基于电解电火花效应的绝缘材料微加工方法，显著提高其加工综合性能，并深入阐述其加工机理。 本研究首先简要介绍了电解电火花效应的典型特性和机理。通过对电解电火花过程中刀具电极周围气泡和气层形成过程的数学建模，对气层的形成机理以及形成稳定放电条件进行了详细的数学描述。采用高速相机观测其形成过程，证实了气泡和气层电学模型的正确性，并揭示了气泡层向气层转化的过程，同时这也是形成电解电火花效应的最核心部分。 针对传统电解电火花加工重复性差，深孔加工过程中电解液流动性差易发生刀具弯曲变形及明显的热裂纹等问题，本研究首次提出了基于悬臂梁结构的反作用力进给加工的方法，并通过表征实验对该方法的加工机理做了详细的阐述，并对在国际通用的重力进给方式下加工的重复性、精度以及效率进行了系统研究。实验表明，实验装置设计产生的受力不平衡以及机械结构摩擦等是产生微加工过程中重复性差的主要因素，研究中反作用力进给使得加工的重复性得到显著提升，且对称结构以及少间隙结构设计有效避免了加工过程中刀具位置变换造成的弯曲变形现象；加工过程中不断减小的加载力不仅缓解了在深孔加工中电解液的流通性，且加工效率也得到了提高。更重要的是，研究发现加工过程中加载到刀具电极上的力是影响电解电火花材料去除的重要因素。 为解决电解电火花技术中加工效率和加工表面质量之间的矛盾，本研究还提出了基于磁场辅助的电解电火花加工方法，首先通过建立理论数学模型对气泡和气层在磁流体效应下形成过程进行理论建模，从而详细阐述磁流体效应对刀具电极周围产生的气泡和气层的影响机理；然后利用高速相机对气泡和气层以及电解液的运动状态进行观测，研究发现观测结果和理论建模的定性分析完全一致。气层的大小在施加一定磁场后厚度从528微米减小到430微米，并且在加工相同深度时，加工时间从50s降到16s。在新设计的实验平台上能够实现反作用力进给和磁场辅助进行加工，可以完美解决加工效率和加工表面精度的难题；更进一步地，首次加工出精度较高且表面圆度较好的通孔。 最后本研究通过对磁流体效应下电解液的运动状态进行数学建模，找出影响电解液运动状态最重要的工艺参数，并通过高速相机对电解液运动状态进行观测，发现实验观测和理论分析的结果完全一致。更进一步地，结合理论分析和实验设计的方法得到优化后的加工参数值。实验结果表明在磁流体效应下设置优化的加工参数值，加工通孔的表面质量和加工效率都得到了显著提高。

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