微细电化学加工的脉冲电源及加工工艺研究

摘要

随着科学技术的发展，机械零件向小型化和精密化方向发展，各种微细加工技术被应用到实际生产中。微细加工技术成为机械加工领域的研究热点，其中微细电化学加工技术作为一种特种加工技术，是微细加工技术的重要组成部分。微细电化学加工技术是以离子形式去除多余材料，加工过程中作用力和热影响小，适合于微细加工。但是由于电化学加工具有杂散腐蚀，在微细加工中一般用来加工二维结构。超短脉冲电化学加工技术可以减小电化学加工的杂散腐蚀，但是对加工材料、电解液以及加工电源的限制较多。本文针对电化学加工的高频脉冲电源、微细电极的电化学加工方法、不锈钢微小结构的加工工艺和电解液进行了研究，并探讨半导体硅材料的微细电化学加工方法。　　微细电化学加工机理是电化学能够应用于微细加工领域的理论基础，根据电化学理论分析了电化学加工的条件、阳极钝化和阳极蚀除过程。研究了工件表面电化学去除的微观过程，以及工件材料的成分、晶粒结构、表面钝化层对材料的蚀除过程和表面质量对工件表面质量的影响。由于微细电化学加工具有加工间隙小，电解液流动困难的特点，因而流场是影响加工精度和加工稳定性的重要因素。针对微细电化学加工特点，对其电场特性和流场特性进行了研究，分析了其对加工精度和加工过程稳定性的影响。建立了微细电化学加工的阻抗模型，在此基础上分析了高频脉冲电压、电极尺寸，阳极钝化对加工定域性的影响。　　本文对微细电化学加工电源进行了研究，研制出输出电压、脉冲宽度和频率可调的高频脉冲电源。电源以单片机作为控制器，CPLD为频率发生器，具有脉冲参数设置，电压检测以及串口通讯功能。提出了两种结构的微细电化学加工电源：斩波式和功率放大式脉冲电源，斩波式脉冲电源具有加工电压高，输出电流能力强的特点；而功率放大式脉冲电源能够输出脉冲宽度50ns，频率3MHz的矩形脉冲。分析了两种脉冲电源的适应范围和应用场合。研究了脉冲电源脉冲宽度和频率的影响因素，以及电化学阻抗对输出电压波形的影响。设计了加工间隙状态检测电路，通过模数转换电路采集加工间隙的电压来判断间隙的状态。　　研究了电化学在线加工微细电极的方法。为了提高电化学加工微细电极的形状精度，减小安装误差对微细电极偏心的影响，研究了电化学车削加工微细电极的方法，建立了电化学车削加工微细电极的尺寸模型。　　研究了不锈钢的微细电化学加工工艺，分析了工件材料、电解液、以及流场对加工过程和精度的影响。研究了微小深孔电化学钻削加工方法，分析了加工过程中电压、进给速度、流场等因素对加工间隙以及加工过程的影响。采用削边电极、工件辅助振动、以及电极间歇回退等方法，改善了深小孔加工的间隙流场，减小了深小孔的侧面倾斜度及加工间隙。研究了电化学铣削的工艺，包括电化学侧面铣削、电化学铣削微细槽、电化学平面铣削、以及电化学型腔铣削。　　针对半导体硅材料的电化学微细加工方法进行了研究，分析了硅的电化学加工特性、硅/电解液界面的等效电路和电容、以及硅的阳极氧化物对硅的电化学加工性能的影响。在盐酸以及氢氧化钠溶液中进行了硅的电化学钻削及铣削加工实验，结果表明，氢氧化钠溶液更适合于硅的电化学微细加工。通过实验分析了硅的电化学加工机理，提出硅的电化学加工过程是电化学、电火花复合加工过程，其中电火花的作用是破坏硅表面的钝化层，使电化学加工能够顺利进行。研究了脉冲电压对加工的影响，分析了脉冲电压导致电化学加工硅效率低的原因，以及硅/电解液表面的能级分布对N型硅和P型硅电化学加工过程的影响。

目录

微细电化学加工的脉冲电源及加工工艺研究

RESEARCH ON PULSE POWER AND

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 微细电化学加工技术的研究与发展

1.2.1 掩膜微细电化学加工技术

1.2.2 超短脉冲电化学加工技术

1.2.3 绝缘电极电化学加工技术

1.2.4 约束刻蚀剂层电化学微细加工技术

1.2.5 微细电化学线切割加工技术

1.2.6 微细电极的电化学加工技术

1.2.7 电化学与其它加工方法的复合微细加工技术

1.3 微细电化学加工理论的研究

1.4 微细电化学加工电源和设备的研究

1.5 课题来源及研究的目的和意义

1.6 本课题主要的研究内容

第2 章 微细电化学加工间隙特性研究

2.1 电化学加工阳极蚀除过程研究

2.1.1 电化学加工原理

2.1.2 电化学加工的条件

2.1.3 阳极钝化对电化学加工的影响

2.1.4 电化学阳极蚀除过程

2.2 微细电化学加工流场电场特性研究

2.2.1 间隙电压分布

2.2.2 微细电化学加工电场特性

2.2.3 微细电化学加工流场特性

2.2.4 微细电化学加工产物对加工间隙的影响

2.3 微细电化学加工阻抗分析

2.3.1 微细电化学加工区阻抗

2.3.2 高频脉冲电压对阻抗的影响

2.3.3 加工区阻抗对加工定域性的影响

2.3.4 电路阻抗分析

2.4 本章小结

第3 章 微细电化学加工的电源及检测系统研究

3.1 微细电化学加工装置

3.2 微细电化学加工的电源研究

3.2.1 微细电化学加工电源的要求

3.2.2 电源结构设计

3.2.3 脉冲发生器设计

3.2.4 功率输出电路设计

3.3 间隙状态检测电路研究

3.3.1 间隙电压与电流

3.3.2 电压检测电路设计

3.3.3 模数转换程序设计

3.4 本章小结

第4 章 微细电极的电化学加工方法研究

4.1 微细电极的电解加工技术研究

4.1.1 电流分布和电解产物对微细电极的影响

4.1.2 电解液浓度对加工的影响

4.1.3 电极旋转速度对加工的影响

4.1.4 微细电极的加工实验

4.2 微细电极的电化学车削加工技术研究

4.2.1 电化学车削原理

4.2.2 电化学车削加工电极的尺寸模型

4.2.3 电化学车削加工工艺

4.3 本章小结

第5 章 微细电化学加工不锈钢工艺研究

5.1 电化学加工工艺

5.1.1 工件材料对电化学加工的影响

5.1.2 电解液对电化学加工的影响

5.2 电化学钻削加工

5.2.1 电极旋转对加工的影响

5.2.2 进给速度对加工的影响

5.2.3 脉冲宽度对加工的影响

5.3 深孔加工实验

5.3.1 电极高速旋转深孔加工

5.3.2 削边电极深孔加工

5.3.3 振动对深孔加工的影响

5.3.4 定时回退对深孔加工的影响

5.4 电化学铣削加工

5.4.1 电化学侧面铣削

5.4.2 电化学型腔铣削

5.5 群孔加工工艺

5.6 电火花与电化学组合加工

5.7 本章小结

第6 章 硅材料的微细电化学加工技术研究

6.1 硅的电化学加工技术

6.1.1 硅的电化学腐蚀过程

6.1.2 硅的电化学加工性能

6.2 硅在盐酸溶液中的电化学加工

6.2.1 硅在盐酸溶液中的电化学特性

6.2.2 硅在盐酸溶液中的电化学钻削加工

6.2.3 硅在盐酸溶液中的电化学铣削

6.3 硅在氢氧化钠溶液中的电化学加工实验

6.3.1 硅在氢氧化钠溶液中的电化学特性

6.3.2 硅在氢氧化钠溶液中的电化学钻削加工

6.3.3 硅在氢氧化钠溶液中的电化学铣削加工

6.3.4 硅在氢氧化钠溶液加工的表面形貌

6.4 硅的电化学加工机理研究

6.4.1 硅的电化学加工模型

6.4.2 脉冲电压对加工的影响

6.4.3 硅材料类型对加工的影响

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历