维普资讯hp∥www.cqvip.conm 第43卷第1期 机械工程学报 Vol 43 No 2007年1月 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Jan. 2007 纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验 张朝阳朱荻王明环 (南京航空航天大学机电工程学院南京210016) 摘要:根据电化学反应原理,探讨纳秒脉冲电化学加工的特点及其实现微细加工的机理。建立纳秒脉冲微细电化 学加工的理论模型,并分析电解液浓度、加工间隙、脉冲参数和加工电压等因素对微细电解加工的影响作用。构 建微细电化学加工系统,包括微细加工机床、纳秒脉冲电源、电解液循环系统、运动控制部分和加工检测部分 试验研究了超短脉冲的电压幅值和脉冲宽度对侧面加工间隙的影响,结果表明减小脉冲宽度和降低加工电压可以 提高微细电解加工的精度。在自制的微细电化学机床上,实现工具电极和工件微结构的连续加工。将加工间隙控 制在5pm以内,加工出中间有20m×30m×30μm棱台的微型腔和30μm槽宽的十字形孔,分析加工起始点对 成形精度的影响,并提出解决方法。试验证明纳秒脉冲微细电解加工可以很好地满足微机电系统( Micro electro mechanical system,MEMS)微器件的加工要求 关键词:微细电化学加工纳秒脉冲极间间隙加工精度 中图分类号:TG662 前后电极/溶液界面上所发生的物理、化学变化和 0前言 电极反应的等效电路,探讨其加工机理。而直流电 解加工和普通脉冲电解加工,都是利用电极过程进 微机电系统 Micro electro-mechanical systems,入稳定状态后的电化学反应实现工件材料的去除加 MEMS在航空航天、精密仪器和生物医疗等领域有工,常用极化曲线研究,属于稳态加工过程 着广阔的应用前景和重要的研究意义。实现微器件 本文根据电化学原理建立了纳秒脉冲微细电解 加工的许多特种微细加工方法,如电子束、激光束加工的理论模型,分析了影响微细电解加工精度的 和电火花等基本都属于热加工技术,虽然加工精度工艺因素;并利用所构建的微细电解加工系统,进 较高,但是会在加工面上产生再铸层、微裂纹和残行微细电解加工试验,实现了微米级工具电极的制 余应力等缺陷。电化学去除技术—电解加工利用作和工件微细结构的加工 电化学反应使工件材料溶解去除,理论上可以达到 离子级的加工精度,加工表面质量好,无工具损耗。1纳秒脉冲电化学加工的特点和机理 但是,由于存在分布电场产生的杂散腐蚀、加工过 程稳定性差和加工间隙大等缺点,难以获得高的加 对于浸入电解液中的金属电极,在通电条件下 工精度。将其应用于微细加工必须提高定域蚀除能所发生的变化称为电极反应过程。电极反应过程主 力,精确控制电化学反应过程 要包括电极界面双电层的充放电过程、电化学反应 最近,德国 Firtz-Haber研究所的 SCHUSTER过程、反应物的传质扩散过程和带电粒子的电迁移 等以3在电解加工系统中采用参比电极和辅助电极过程等几个基本步骤。电极反应过程中会发生电化 技术精确控制电极电位,并利用纳秒脉冲电源,实学极化和浓差极化,使电极电位偏离平衡电位,产 现了微米级去除量的可控电化学反应。纳秒脉冲电生过电位。虽然电极反应过程的理论基础是法拉第 化学加工与以往的电化学加工在加工机理上有很大定律,但对于浓差极化应根据Fick扩散定律建立理 区别。当纳秒脉冲电源对电极/溶液界面的双电层论模型,而分析电化学极化主要根据 Butler-volmer 进行充电,引起电极极化时,由于电流持续时间非方程4。 常短,电极极化还未达到稳定状态就进入了脉冲间 电极表面液层中的带电粒子由于电极反应会造 歇,电化学反应条件不断变化,属于暂态加工过程。成浓度梯度,并向溶液内部扩散,可用扩散电流密 因此,应该利用电极过程的暂态分析法,研究通电度i反映。对于纳秒脉冲电化学加工,非稳态极限 扩散电流密度为 航空科学基金(04H52055和南京航空航天大学博士学位论文创新与创 优基金(BCX0409)资助项目20060208收到初稿,20060812收到修 d 改稿
第 43卷第 l期 2007 年 1 月 机 械 工 程 学 报 CHINESEJOURNALOFM ECHANICALENGIN EERING Vo1．43 N o．1 Jan． 2007 纳秒脉 冲微细 电化学加工 的理论及试验 张朝阳 朱 荻 王明环 (南京航空航天大学机电工程学院 南京 210016) 摘要 ：根据 电化学 反应 原理，探讨 纳秒 脉冲 电化 学加工的特 点及其实现微细加工的机理 。建立纳秒脉冲微细 电化 学加工 的理 论模 型，并分 析电解液 浓度 、加 工间隙、脉冲参数和加工 电压等 因素对微细 电解加工 的影响作用 。构 建微细 电化 学加工系统，包括微细加工机床 、纳秒脉冲 电源、 电解液循环系统 、运动控制部分和加 工检测部分 。 试验研 究了超短脉冲 的电压幅值和脉冲 宽度 对侧 面加工间隙的影响 ，结果表 明减小脉冲宽度和 降低加工 电压可 以 提 高微细电解加工的精度 。在 自制的微细 电化学机床 上 ，实现工具 电极和工件微结构 的连续加 工。将加工 间隙控 制在 5 1以内，加工 出中间有 20prnX30prn~30pm 棱台的微型腔和 30 m槽 宽的十字形孔 ，分析加工起始 点对 成 形精度 的影 响，并提出解决方法 。试验 证明纳秒脉冲微细 电解加工可 以很好地满足微机 电系 统(Micm electro． mechanicalsystem，MEMS)微器件的加工要求 。 关键词 ：微细 电化学加工 纳秒脉冲 极间间隙 加工精度 中图分类号 ：TG662 0 前言 微机电系统(Microe1ectro．mechanicalsystems， MEMS)在航空航天、精密仪器和生物医疗等领域有 着广阔的应用前景和重要的研究意义。实现微器件 加工的许多特种微细加工方法，如 电子束、激光束 和 电火花等基本都属于热加工技术 ，虽然加工精度 较高 ，但是会在加工面上产生再铸层、微裂纹和残 余应力等缺陷。电化学去除技术—— 电解加工利用 电化学反应使工件材料溶解去除 ，理论上可 以达到 离子级的加工精度 ，加工表面质量好 ，无工具损耗。 但是 ，由于存在分布 电场产生的杂散腐蚀、加工过 程稳定性差和加工间隙大等缺点，难以获得高的加 工精度。将其应用于微细加工必须提高定域蚀除能 力，精确控制电化学反应过程…。 最近，德国 Firtz-Haber研究所 的 SCHUSTER 等[2-3]在电解加工系统 中采用参 比电极和辅助 电极 技术精确控制电极电位，并利用纳秒脉冲电源，实 现了微米级去除量的可控电化学反应。纳秒脉冲 电 化学加工与 以往的电化学加工在加工机理上有很大 区别。当纳秒脉冲 电源对电极 ／溶液界面的双电层 进行充电，引起 电极极化时，由于电流持续时间非 常短，电极极化还未达到稳定状态就进入了脉冲间 歇 ，电化学反应条件不断变化，属于暂态加工过程 。 因此，应该利用电极过程 的暂态分析法 ，研究通 电 · 航空科学基金(om52055)和南京航空航天大学博士学位论文创新与创 优基金0BCx104-09)资助项目。20060208收到初稿，20060812收到修 改稿 前后电极 ／溶液界面上所发生的物理、化学变化和 电极反应 的等效电路，探讨其加工机理 。而直流 电 解加工和普通脉冲 电解加工 ，都是利用电极过程进 入稳定状态后的电化学反应实现工件材料的去除加 工，常用极化 曲线研究，属于稳态加工过程。 本文根据 电化学原理建立了纳秒脉冲微细 电解 加工的理论模型，分析 了影响微细电解加工精度的 工艺因素 ；并利用所构建的微细 电解加工系统，进 行微细 电解加工试验，实现 了微米级工具 电极的制 作和工件微细结构的加工。 1 纳秒脉冲 电化学加工的特 点和机理 对于浸入电解液中的金属电极，在通 电条件下 所发生的变化称为电极反应过程 。电极反应过程主 要包括 电极界面双 电层 的充放电过程 、电化学反应 过程、反应物的传质扩散过程和带电粒子的电迁移 过程等几个基本步骤 。电极反应过程 中会发生电化 学极化和浓差极化 ，使电极电位偏离平衡 电位，产 生过电位 。虽然 电极反应过程的理论基础是法拉第 定律，但对于浓差极化应根据 Fick扩散定律建立理 论模型，而分析电化学极化主要根据 Butler-Volmer 方程【钔。 电极表面液层 中的带电粒子 由于 电极反应会造 成浓度梯度，并向溶液内部扩散，可用扩散电流密 度 fd反映。对于纳秒脉冲电化学加工，非稳态极限 扩散电流密度为 fd： 。 (1) 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯hp∥www.cqvip.conm 2007年1月 张朝阳等:纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验 209 式中 电极反应中的电子数 的加工间隙有关。工件上的加工区域极间间隙最小, F—法拉第常数 电解液电阻也最小,记为R1,决定双电层电容充放 C—溶液深处浓度 电的时间常数n=R1C;非加工区域离工具阴极较远 扩散系数 电阻较大,记为R2,时间常数a=R2C。正是由于 t—电极反应时间 n<,造成了加工区和非加工区施加相同的脉冲电 对于0.1moL的HCl电解液,H的初始浓度压却产生不同的过电位向 =104molm3,D=10-5cm2/s,n=1,脉冲电流持 根据电化学极化的 Butler- Volmer方程,电极上 续时间t50ns,可得i=79Acm2。其扩散电流如此双电层的过电位p影响电化学反应的电流密度i 之大,说明纳秒脉冲条件下电极暂态过程可以排除 i=r exp BnF 浓差极化的影响,应该根据电化学极化的特点分析 rgTa 而一般电化学加工主要受浓差极化影响,高频脉冲式中P—交换电流密度 电化学加工则受浓差极化和电化学极化混合影响, β—电极反应的传递系数 采用高速旋转电极正是为了减小浓差极化,但同时 Ra—气体常数 对微细电极的形状精度以及加工机床的旋转精度要 T—绝对温度 求很高5。 根据法拉第定律:电极界面上发生电化学反应 在纳秒脉冲的每个周期内,随着脉冲电流对电 物质的量V与通过的电量和材料的电化学当量成正 极/溶液界面双电层的充电,过电位φ逐渐增大;比。对于脉冲电解加工,每个脉冲周期T内的电量 脉冲结束时,p还未达到稳态值。电极过电位变化及相同。因此电化学去除量为 等效电路如图1所示,右侧是电极等效电路。图1 中为脉冲宽度;lom为脉冲间隔;为阳极工件 o「a(0) 的分解电位;C表示双电层电容;R1表示电化学反 应电阻;R表示电解液电阻 AnF R Ta 脉冲电压 加工区 式中a—体积电化学当量 之 I—加工电流 非加工区 A—加工面积 加工时间 时间tns 将电化学去除量V转换为加工进给速度va 图1电极过电位变化及等效电路 由图1可知,对于纳秒脉冲的电化学极化过程, exp B t的变化为 时间非常短,电极上过电位p随时间式中A,B常数 t°amRT A BnF 式中pa—稳态过电位 B=inF 电极等效电路的时间常数 将式(2)中的指数项用泰勒级数展开,并略去高 由式(刀可知:时间常数τ、脉冲周期Tp、脉冲 次项后,可以得到 宽度lon以及电极电位的稳态值φm决定了纳秒脉冲 微细电解加工的加工效果 因此,在外加纳秒脉冲电源作用下,选用合适 根据电路原理,电极等效电路充放电的时间常的加工脉冲参数:n≤lm<B,可以使加工区过电位 数为 高于分解电位,电流密度大,工件材料的电化学蚀 T=RC 除量大;非加工区的过电位低于分解电位,电流密 式中R等效电路电阻 度小,几乎不发生电化学反应。从而显著增强定域 C—双电层的电容 蚀除能力,减小影响加工精度的杂散腐蚀,实现微 等效电路电阻R与电解液种类、浓度和电极间米级的电解加工。而普通脉冲电化学加工提高加工
2007年 1月 张朝阳等 ：纳秒脉冲微细 电化学加工的理 论及试验 式中 ，l—— 电极反应中的电子数 F—— 法拉第常数 Cu——溶液深处浓度 D ——扩散系数 t—— 电极反应时间 对于 0．1mol／L的 HCI电解液 ，H 的初始浓度 C0=10-4mol／cm3，D=10-5cm2／s，n=l，脉冲电流持 续时间 t=50ns，可得 id=79 m2。其扩散电流如此 之大 ，说明纳秒脉冲条件下电极暂态过程可以排除 浓差极化的影响，应该根据电化学极化的特 点分析。 而一般电化学加工主要受浓差极化影响，高频脉冲 电化学加工则受浓差极化和电化学极化混合影响， 采用高速旋转 电极正是为了减小浓差极化，但 同时 对微细电极的形状精度以及加工机床 的旋转精度要 求很高[sl。 在纳秒脉冲 的每个周期内，随着脉冲 电流对 电 极 ／溶液界面双 电层的充电，过电位 逐渐增大； 脉冲结束时， 还未达到稳态值 。电极过电位变化及 等效电路如图 1所示，右侧是电极等效电路 。图 1 中 为脉冲宽度； 为脉冲间隔； 为阳极工件 的分解电位 ；Cd表示双电层 电容；犀表示 电化学反 应电阻；R。表示电解液 电阻。 耋 图 1 电极过电位变化及等效 电路 由图 1可知，对于纳秒脉冲的电化学极化过程， 双电层 的充 电时间非常短，电极上过 电位 随时间 t的变化为 一 [一唧㈠] 式中 ——稳态过电位 f—— 电极等效电路的时间常数 将式(2)中的指数项用泰勒级数展开，并略去高 次项后，可以得到 = 二 (3) 根据 电路原理，电极等效电路充放 电的时间常 数为 f=RC (4) 式中 ——等效电路 电阻 C——双电层的电容 等效 电路电阻 与电解液种类、浓度和 电极间 的加工间隙有关。工件上的加工区域极间间隙最小， 电解液 电阻也最小，记为 1，决定双 电层 电容充放 电的时间常数 1C；非加工区域离工具阴极较远 ， 电阻较大，记为 2，时间常数 v2=R2C。正是 由于 rl<r2，造成了加工区和非加工区施加相 同的脉冲电 压 却产 生不 同 的过 电位 [61。 根据电化学极化的 Butler-Volmer方程 ，电极上 双 电层的过电位 影响电化学反应的电流密度 f oexp【 ㈣ 式中 ——交换 电流密度 — — 电极反应的传递系数 — — 气体常数 — — 绝对温度 根据法拉第定律：电极界面上发生电化学反应 物质 的量 与通过的电量和材料的电化学当量成正 比。对于脉冲电解加工，每个脉冲周期 内的电量 相 同。因此电化学去除量为 V =coltm = t 7’ m Jf。 tO~ i(f = e 丽flnF (6) 式中 ——体积 电化学当量 』—— 加 工 电流 — — 加 工面 积 — — 加工时间 将电化学去除量 转换为加工进给速度 ya 丧[eXp( 一] 式中 。， ——常数 ． i~coRg flnF 。 由式(7)可知：时间常数f、脉冲周期 、脉冲 宽度 fon以及电极电位的稳态值 决定了纳秒脉冲 微 细 电解 加 工的加 工效 果 。 因此，在外加纳秒脉冲电源作用下 ，选用合适 的加工脉冲参数 ： ≤ <1：2，可 以使加工区过 电位 高于分解 电位 ，电流密度大，工件材料的电化学蚀 除量大：非加工区的过电位低于分解 电位 ，电流密 度小，几乎不发生电化学反应 。从而显著增强定域 蚀除能力，减小影响加工精度的杂散腐蚀，实现微 米级的电解加工。而普通脉冲电化学加工提高加工 维普资讯 http://www.cqvip.com
机板工程学根 43卷第1期 精度主要是利用钝化电解液的非线性特性,使加工被加工的阳极工件采用纳米品电沉积材料,由 区处于超钝化溶解,非加工区产生钝化反应基本不于材料的品粒减小到纳米尺寸,所加工出的微器件 将具有耐磨、耐蚀和耐高温氧化等多种优异的使用 性能,对于其在航空、航天等领域的应用具有重要 2试验系统 意义。电化学加工是利用溶解腐蚀的方法,以离子 的形式去除工件材料的,因此不会影响工件的晶相 2.1微细电解加工系统 组织和材料性能,为纳米材料的微细加工提供了新 试验中采用的微细电解加工系统示意图以及加的加工方法 工过程中的实物照片如图2、3所示。工具电极装夹2.2微细工具电极的制作 在自行研制的微细电化学加工机床主轴z上作垂直 微细电解加工需要微米级的工具电极,本文中 进给:工件固定于电解液槽内安装在xy二维工作选用钨丝作为工具电极,能够承受一定的短路电流 台上作平面运动。电解液为酸性溶液(如HC、HESO4非常适用于加工间隙只有几微米,极易发生短路的 等),采用循环流动方式,用微量泵将电解液抽出,微细电解加工。利用电化学腐蚀的方法可以将钨丝 经过滤器后沿工具电极进绘方向平缓流入加工区 加工到微米级尺寸。这样,工具电极的制作和工件 可以避免侧面冲液造成的电极振动。试验中使用的的加工能够统一在微细电解加工系统中连续完成 脉冲电源可以输出电压幅值为±5V,最小脉宽为电极装夹后不必拆卸,对于提高电解加工精度十分 5ns的脉冲电流。采用0~20mA测量范围的霍尔有利 电流传感器检测加工中的电流,可以使加工回路和 钨丝电极制作时,与直流电源的正极相连:带 检测回路相隔离。加工过程中,电流传感器将毫安孔的不锈钢板作为工具阴极。钨丝装夹在机床主轴 级的加工电流转换成0~5V的电压信号输出到数上穿过孔的中心,并共同浸入碱性溶液中。通过控 据采集卡,从而实现加工状态的实时检测。同时,制加工电压、钨丝的浸入深度和加工时间等试验参 用泰克公司的TDs2024示波器观测加工过程中电数,就可以利用电化学腐蚀溶解的方法得到直径几 极之间脉冲波形的变化 微米的工具电极。图4是用直径300m的钨丝在 5V电压条件下,15moL的KOH溶液中所制作 传 的工具电极,前端部分长400m,直径10m,后 端直径300m的部分用于装夹 还动控制卡 图4钨丝工具电极 工作合 23微细电解加工的控制系统 图2微细电解加工系统示意图 加工间隙是决定电解加工的主要因素,在微细 电解加工中,极间间隙只有几微米。微细电化学加 工机床的运动方式为:驱动器一步进电动机一谐波 成速器一滚珠丝杠副一运动部件。数据处理和运动 控制系统采用PC810工控机和NI公司的PC17344 多功能控制卡,以实现xyz三个方向加工进给的 反馈控特,从而保证加工进给时0.08m步的运动 精度。PC7344控制卡的模拟量输入通道用于采集 加工回路的电流信号,通过对所采集信号的数据 处理,判断加工状态。然后,利用两个模拟量输出 通道分别控制纳秒脉冲电源和电解液泵的启动(或 停止)
机 械 工 程 学 报 筻 43卷第 1期 精度 主要是利用钝化 电解液的非线性特性，使加 工 区处于超钝 化溶解 ．非加工区产生钝化反应 基本不 溶解 2 试 验系统 2．1 微细 电解加工系统 试验中采用的微 细电解加工系统示意圈以及加 工过程中的实物照 片如图 2、3所示。工具 电极装夹 在 自行研制 的微细 电化学加工机床主轴 z上作乖直 进给 ：工件固定于电解液槽 内安装在 x-y二维工作 台上作平面运动 电解液 为酸性溶液(如 HCI、 SO4 等)．采用循环流动方式 ．用微量泵将电解液抽出， 经过滤器后沿工具电极进 给方 向平缓流入加工区 ， 可 以避免侧面冲液造成的电极振动 。试验 中使用的 昧冲 电源 可以输 出电压幅值 为±5v 最 小脉宽为 5ns的脉冲 电流 采用 0～20mA 测量范围 的霍尔 电流传感器检测加工中的电流，可 以使加工回路和 检 删回路相隔离 加工过 程中，电流传感器将毫安 级 的加工 电流转换成 0～5v 的电压信号输出到数 据采集卡 ，从而实现加工状态 的实 时检测 。同时． 用泰 克公司的 TDS2024示波器观测加工过程中 电 极之 间脉冲波形的变化 图 2 微细 电解加 _I_系统 示意 巨 圄 3 加]：过程中的实物 照片 被加 工的阳极工件采用纳米晶电沉积材料t由 十材 料的晶粒减 小到纳米尺 、 所加工出的微器件 将 具有 耐磨 、耐蚀和耐高温氧化等多种优异的使用 性 能，对 于其在航 空、航天等领域的应用具有重要 意义 。电化学加工是利用溶解腐蚀的方法，以离子 的形式去 除工件材料 的．因此不会影响 工件的晶相 组织和材 料性能 ，为纳米材料的微细加工提供了新 的加工方法 2．2 微细工具 电极 的制作 微细电解 加工 需要微米级 的工具 电极 ，本文中 选用钨丝作为工 具电极 ，能够承受 一定的短路电流， 非常适用于加工问隙只有几微米 ，极 易发生短路 的 微细电解 加工 利用 电化学腐蚀 的方法可 以将钨丝 加工到微米级尺 寸 这 样，工 具电极的制作和工件 的加工能够统一 在微细 电解加工系统 中连续完成 ． 电极装夹后不必拆卸，对于提高 电解 加工精度十 分 有利。 钨丝电极制 作时，与直 流电源 的正极相连 ：带 孔的不锈钢板作为工具阴极 钨丝装 夹在机床主轴 上穿过孔的中心 并共同浸入碱 陆溶液 中 通过控 制加工电压、钨丝的缦 八深 度和 加工时间等试验参 数，就可以利用电化学腐蚀 溶解 的方 法得到直径 几 微米的工具电极 『图 4是用直径 300 m 的钨丝在 5V 电压条件下 ，1．5mol／L 的 KOH 溶液 中所 制作 的工具 电极 前端部分长 400pm，直径 10pm．后 端直径 300lam 的部分 用于装 夹 图 4 钨丝工具电极 2．3 微细 电解加 工的控制系统 加工问隙是决定电解加工的主要因素 ，在 微细 电解加工中，极问间隙只有几 微米 微细 电化学加 工机床的运动方式为：驱动器一 步进电动机一谐 波 减速器一 滚珠丝杠副一运动 部件 数据处理和运动 控制系统采用 PC810工控机 和 NI公司的 PCI．7344 多功能控制卡，以实现 ： _三个方向加 工进给 的 反馈控制，从 而保证 加工进给 时 0．O8u 步 的运动 精度 PCI一7344控制卡的模拟 量输 入通道 用于采集 加工 回路的 电流信 号，通过 对所 采集信号 的数据 处理，判断加 I=状态 然后 ，利 用两个模拟量输 出 通道 分别控制纳秒 脉冲 电源和 电解液 泵的启动f或 停止1， 维普资讯 http://www.cqvip.com
张朝阳等:然秒脉冲细电化学加工的理论及试 图5是微细电解加工控制流程图,基本过程为:加工窄槽的SEM照片加工时,工具电极先沿z 脉冲电源首先按对刀参数设置,与电极接通:钨丝轴垂直向下,以5 xInmIn的速度进给加工出适孔 电极随主轴垂直向下进给,当它和工件接触时发生工作台再沿y轴以8 umin的速度进给80um,图 短路,电流会产生突变。利用短路对刀的方法确定6中从左至右,脉冲宽度分别为80ns、60ns、50ns 电极和工件的初始位置后,电极回退5um作为加和40ns,最宽的槽宽为40gm,最窄的槽宽为25 工间隙,电源改为加工参数并设置进给速度。然后,um。工具电极直径与所加工糟的宽度之差是加工的 启动电解液泵、接通脉冲电源,电极开始加工进给。侧面间隙,它可以作为加工精度的评价指标:因为 状态不正常,应断开电源、暂停加工,电极回退5μm加工零件的成形精度越高,图6的试验结果显示 的间隙,并调整进给速度继续进给。电极完成加工随着脉冲宽度的减小,工具电极和工件之间的侧面 进给后,脉冲电源和电解液泵停止,电极回退至初间隙由15um减小至7.5um,加工精度越来越高 另外,脉冲电源的输出峰值电压直接决定了电极 电位的稳态值:电解液浓度和加工间隙可以影响充 放电的时间常数,因此改变加工电压和电解液浓度 工其电模进拾对刀 都能够影响微细电解加工的加工精度采用更小 的工具电极、更低的加工电压和电解液浓度,并将 脉冲宽度减小至500ps能够实现几十纳米的加工精 度,这时,加工间隙内的离子将在双电层充电时 被耗尽,加工精度已达到极限 □电闻退5m阔牌 度置选速度L暂停加工 日动脉神电源和电解汽 电极或工作进加工 图6不同脉冲宽度加工窄槽的SEM照片×300 根据纳秒脉冲电化学反应定域性强的特点,可 以用电解铣削的方式加工出复杂的微细结构。图 的三维型腔微细电解加工SEM照片是在80m厚 的银板上加工出的,型腔内的棱台高30um,上表 面为20m×30μm。使用微米直径的钨丝电极进行 电极国至初始位置 微细电解加工时,尖端效应非常突出。电极丝顶部 电力线集中,电场的能量最强,从而形成较大的电 图5微细电解加工控制流程图 流密度,电化学反应速度较快,工件材料的溶解量 大。因此,所加工出的沟槽底面呈圆弧状 3试验结果 利用所建立的微细电解加工系统,进行了微细 结构的加工试验。将直径10um的工具电极接纳秒 脉冲电源负极,40m厚的纳米晶电沉积镍片接电 源正极,电解液为0.1-02molL的盐酸溶液 根据前面对式(7)的分析,脉冲宽度lm能够影响 电极过电位的大小;脉冲周期T决定了加工过程中 的通电时间,它们都将对电解蚀除量和蚀除速度产 图7三维型腔微细电解加工SEM照片×1000 生影响作用。图6是在4V电压下,不同脉冲宽度 图7所示的SEM照片放大了1000倍,可以看
2007年 1月 张朝阳等 ：蚺秒脉冲微细电化 学加 【_的理论及试啦 图 5是微细 电解加工控制流程图，基本过程为： 脉冲 电源首先按对 刀参数设置 与电极接 通；钨丝 电极随主轴垂直 向下进给 当它和工件接 触时发生 短路 ，电流会产生突变 利用短路对刀的方法确定 电极和工件的初始位置后，电极回退 5gm 作为加 工间隙，电源 改为加工参数并设置进给速度。然后， 启动电解液泵 、接通脉冲 电源 ，电极开 始加工进给 当加：[电流超 出稳定加工的 电流范围时，说明加工 状 态不正常 ，应断开电源、暂停加工，电极回退 5 m 的间隙，并调整进给速度继续进给。 电极完成加工 进 给后，脉冲 电源和 电解液泵停止， 电极回退至l静J 始位置。 圈 5 微细 电解加 I：控制漉程圈 3 试验结果 利用所建立的微细 电解加工系统 ，进行了微细 结构的加工试验 ，将直径 1o m 的工具电极接纳秒 脉冲电源 负极 ，40gm 厚 的纳米 晶电沉积犋片接屯 源正极，电解液为 01～02mol／L的盐酸溶液 。 根据 前面对式(7)的分析 脉冲 宽度 f0n能够影响 电极过电位的大小 ；脉冲周期 『n决定 了加工过程中 的通电时问，它们 都将对 电解蚀除量和蚀除速度产 牛影响作用 圈 6是在 4v 电压下，不同脉冲宽度 加工窄槽 的 SEM 照片．=加丁时，工具电极先沿 z 轴垂直 向下， 以 5gm／min的速度进给 加工出通孔 ： 工作台再沿 v轴以 8pm,~min的速度避给 80,am。图 6中从左至 右，脉冲宽度分别为 80ns、60ns、5Ons 和 40ns，最宽的槽宽为 40um，最窄的槽 宽为 25 gm 工具电极直径与所1J口工槽 的宽度之芹是删工的 侧 面间隙，它可 以作为加工精度的评价指标：因为 侧 面间隙越小 ，说 明电化学反应 的定域性越好 ．所 加工零件的成形精度越高 ：．图 6的试验结果显示： 随着脉冲宽度 的减 小，工具 电极和工件之问的侧面 间隙南 15txm 减小至 7．5 m．加 ]：精度越来越高 另外．脉冲电源 的输 出峰值 电压 直接决定 了电极过 电位的稳态值 ；电解液浓度和加 工问隙可 以影响充 放电的时间常数，因此改变加 _=『电压和 电解液浓度 都能够影响微细 电解加工 的加工精度 l 采用更小 的工具电极、更低 的加工 电压和 电解液浓度 ．并将 脉冲宽度减 小至 500ps能够实现几 t纳米 的加工精 度 J 这时，加工问隙内的离 了将在双电层充 电叫 被耗尽，加一【lI精度 已达到极限 圈 6 不同脉冲宽度 加1．窄槽 的 SEM照 片 X300 根据纳秒脉冲电化学 反应 定域性强 的特点 ，可 以用电解铣削的方 式D~lJ_出复杂的微细结构 图 7 的三维型腔微 细电解 加工 SEM 照 片是在 80um 厚 的镍板上加工 出的。型腔 内的棱台高 30gm，上表 面为 20gmx30gm 使用微米 直径的钨丝 电极进行 微细电解加工时，尖端效 应非 常突 出 电极丝顶部 电力线集中，电场 的能量最强 ，从 而形成较大 的电 流密度 电化 学反应速度较快 ，工件材料 的溶解量 大 ，因此，所 加工 出的沟槽底面呈 圆弧状 ， 图 7 三维型腔微细电解加 J—SEM !{}c片 ×1000 圈 7所示 的 SEM 照片放大了 1000倍 ，可以看 维普资讯 http://www.cqvip.com
第43卷第1期 到在被加工区域,工件材料以电化学方式蚀除后留法拉第定律建立了加工模型,研究了电解液浓度 下的微小凹坑,显示了这种加工方式和微细电火花加工间隙、脉冲周期、脉冲宽度和加工电压等影响 等热加工方式的显著差别 微细电解加工精度的原因 在图6、7的试验中,都是在起始点以低速(3 (2)构建了微细电化学加工系统,通过设置脉 5 umin)向下加工进给至所需深度后,再进行平面 进给加工。由于电解液的流场状况得到改善,平面 冲电源的脉冲宽度、周期和输出电压,并根据加工 进给的速度可提高至8~10mmin,起始点处的加 电流实时检测加工状态,显著提高电化学反应的定 域性,实现了微米级的电化学加工 工速度低,电解蚀除量较大,因此形状精度就低于 其他加工区(例如图7微型腔的左下角),选择合适3)利用微细电解加工系统,进行了典型微细 的起始点以及加工运动方式可以消除起始点的加工 结构的加工试验,并分析了加工起始点对成形精度 缺陷。图8是在50m厚镍片上加工的“十”字形的影响,提出了解决的方法。纳秒脉冲微细电化学 孔的SEM照片和加工示意图。加工中以“十”字的加工方法为特殊性能材料的微细加工提供了新的加 交叉点为加工起始点,然后分别向四个方向作平面工途径,为特种加工技术开拓了发展方向 加工进给,从而消除了起始点的加工缺陷,提高了 形状精度。“十”字形孔的槽宽30m,加工边缘非 参考文献 常清晰,无杂散腐蚀,可作为微注塑成型的模板 说明纳秒脉冲微细电解加工完全可以满足MEMS [l WOLFGANG E. Electrochemistry and Microsystems 微器件的加工要求 Electrochimca Acta,2003.48(20-22):2857-2868. 2 SCHUSTER R, KIRCHINER V. ALLONGUE P, et al. Electrochemical micromachining[J). Science, 2000, 289 476):98-101 31 TRIMMER A L. HUDSON J L, KOCK M, et al. Single step electrochemical machining of complex nanostructures with ultrashort voltage pulses. Applied Physics Letters 2003,82(19):3327-3329 ()“十“字形孔的SEM照 4]田昭武电化学研究方法M1.北京:科学出版社,1984 5李小海,王振龙,赵万生。高频窄脉冲电流微细电解加 工机械工程学报,206,42(1)1162-167 illing(Jl. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2005. 11): 124-129 [71 LIM Y M. KIM S H An electrochemical fabricate method foe extremely thin cylindrieal micropin(J).Interna (b)加工示意 tional Joumal af Machine Tools Manufacture, 2001 I8]张朝阳、朱获,王明环,等.超短脉冲电流微组电解加 结论 工技术研究门中国机械工程,200516(14):1295-1298 [9 KOCK M. KIRCHNER V, SCHUSTER R. Electroche- (1)根据电极反应的暂态过程,分析了纳秒脉 mical micromachining with ultrashort voltage pulses-a 冲电化学加工相对于一般电化学加工的特点,探讨 versatile method with lithographical precision). Elect- 了其实现微细加工的机理。利用电化学反应方程和 rochimica Acta,20048(20-2)32133219
212 机 械 工 程 学 报 第 43卷第 1期 到在被加工区域，工件材 料以电化学 方式蚀除后留 下的微小凹坑，显示了这种加工 方式和微细 电火花 等热加工方式的显著差别。 在 图 6、7的试验 中，都是在起始点以低速(3～ 5~tm／min1向下加工进 给至所需深度后 ，再进行平面 进给加工 由于 电解液的流场状 况得 到改善．平面 进给 的速度可提高至 8～10~tm／min。起始点处的加 工速度低 ，电解蚀除量较大，因此形状精度就低 于 其他加工区(例如 图 7微型腔 的左下 角) 选择合适 的起始点 以及加工运动方式可以消除起始点的加工 缺陷 圈 8是在 5O m厚镍片上加工的 “十 ”字形 孔 的 SEM 照片和加工示 意图 加工中以 “十”字 的 交叉 点为加工起始点．然后分别 向四个方向作平面 加工进给 ，从而消除 了起始点的加工缺陷，提 高了 形状精度 字形孔的槽宽 3Oum，加 工边缘非 常清晰 ，无杂散腐蚀，可作为馓 注塑成型的模板 ， 说 明纳秒脉冲微细 电解加工完全 可以满足 MEMS 微器件的加工要求。 ( 十 ”字形孔的 gEM 照片 ×600 4 结论 f 加工示意图 图 8 微细 电解加工 “十 ”字形孔 (1)根据 电极反应的暂态过程 ，分析 了纳秒 脉 冲电化学 加工 相对于一般 电化学加工的特点，探 讨 了其实现 微细 加工的机理 利用电化学反应方程 和 法拉第定律建立了加工模型，研究了电解液浓度 、 加工间隙、脉冲周期、脉冲宽度和加 工电压等影响 微细 电解加工精度的原园 f2)构建 了微 细电化 学加工系统．通过设置脉 冲 电源的脉冲 宽度 、周期和输出电压 ，并根据加工 电流实时检测加工状态，显著提高电化学反应 的定 域性 ，实现 了微米级的电化学加工 (3)利用微细 电解加 工系统，进行 了典型微细 结构 的加工试验 ，并分析 了加工起始 点对 成形精度 的影响 ．提 出了解决的方法。纳秒脉冲微细屯化学 加工方法 为特殊性能材料的微细加工提供了新的加 工途径 ．为特种加工技术开拓了发展 方向 参 考 文 献 [1】WOLFGANG E．Electrochemistry．andMicrosystems[J]． ElectrochimicaAeta．2003。48(20-22)：2857-2868． 【2lSCHUSTER R，KIRCHINER ALLONGUE etal Electrochemicalmicromachining[,1J．Science，2000，289 5476)：98—10l [3J TRIM MER A L．HUDSON JL，KOCK M．cta__Single— stepelectrochemicalmachiningofcomplexnanoslructures withultrashortvoltagepulses[J]AppliedPhysicsLetters， 2003，82(19)： 3327-3329 f4] 田昭武 电化学研究方法【M】．北京：科 学 版杜 ，1984 l5】李小海 ，王振龙 赵万生 高频窄脉冲 电流微细 电解加 工[ 机械 工程 学报 ．2006 42(1)：162．I67． 【6】KIM B H，RYUA S H．CHOI D K cta1．Micro electrochemicalmilling{J]JournalofMicromechaniesand Microengirteering 2005．15(1) 124一I29 [7]LlM Y M．KIM S H An electrochemicalfabrication methodfoeextremelythincylindricatmicropin[J]lntema— tiona[JournalofM achineTools ＆ M anufacture 200I， 4【fI51：2287-2296 [8】张朝阳．朱莸， 明环 等．超短 脒冲电流微细 电解 加 工技术研究fJ]．中国机械 L：程，2005，】6(14)：1295．I298 [9】KOCK M KIRCHNER SCHusTER R Electrochemical micromachining with u]trmshortvoltage pulses-a versatilemethodwithlithographica]preclsion【JJElectrochimicaAeta，2003 48(20—22)： 3213-3219 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯hp∥www.cqvip.conm 2007年1月 张朝阳等:纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验 THEORETICAL AND EXPERIMENTAL movement control component and process monitoring compon- RESEARCH INTO ELECTROCHEMICAL ent. The effects of pulse on-time and voltage on the side gap of MICRO-MACHINING USING electrodes are investigated with experiments. The result of exp. NANOSECOND PULSES eriments show that decreasing pulse duration and voltage can enhance the localization and improve electrochemical micro- ZHANG Zhaoyang ZHU Di WANG Minghuan ( College of Mechanical and electrical g in electro- Engineering, Nanjing University of chemical method. Inter-electrode gap is restrained less than Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016) 5 um. a crisscross micro-groove with 30 um width and the mic- Abstract: Based on the principle of electrochemical reactions, influence of starting point upon forming precision is analyzed the characteristic and mechanism of nanosecond pulses electro- The experimental results prove that micro-ECM can well meet model of micro-electrochemical machining(ECM)is founded. Key words: Electrochemical micro-machining The affections of electrolyte concentration, electrodes gap and Nanosecond pulses Inter-electrodes gap pulse parameters on the result of electrochemical micro-mach- re discussed. The practical electrochemical machini 作者简介:张朝阳,男,1973年出生,博士研究生。主要研究方向为特 is developed. It consists of micro-machining equipment,种加工新技术和新工艺 nanosecondpulsepowersupply,electrolytecirculatingsystem,E-mail:zhaoyang@126.com 上接第207页) osite microstructures are simulated by a modified cellular composite are in agreement with the experimental results automaton method coupled with finite difference method. a Key words: Metal matrix composite Particle push of different casting processes, particle volume fraction and Qu cooling rate on composite microstructure and particle distri-作者简介:李斌,男,1979年出生,博士研究生。主要研究方向为复合 bution from both experimental and simulated sides. The simu-材料微观组织模拟。 latedresultsofparticledistributionandmicrostructuresofE-mail:libino3@mailstsinghuaedu.cn
2007年 1月 张朝 阳等 ：纳秒脉冲微细电化 学加工的理论及试验 213 T丑 oRETICAL AND EXPEIUM ENTAL RESEAR℃ H 】[ITo ELECTRo CH EⅣⅡCAL MⅡCRo．M ACHD G USD G NANo SECoND PULSES ZHAN G Zhaoyang ZH U Di WANG M inghuan (CollegeofMechanicalandElectrical Enginee~ng,NanfingUniversityof AeronauKcsandAstronau~cs，Nanjing210016) Abstract： Basedontheprincipleofelectrochemicalreactions， thecharacteristicandmechan ism ofnan osecondpulseselectrochemical mi cro-machining areinvestigated an d the theoretical modelofmicro-electrochemi calmachining(ECM)isfounded． Theafectionsofelectrolyteconcentration，electrod esgap an d pulseparameterson theresultofelectrochemi cal mi cro．．mach．． ining are discussed．Th e practical electrochemical machining sysm n isdeveloped．Itconsistsofmi cro-ma chiningequipmen t， nanosecondpulsepowersupply,electrolytecirculatingsystem， m ovemem controlcompo nentan dprocessmonitoringcompo nent．111eefectsofpulseon-timean dvoltageonthesidegap of electrod esareinvestigatedwith experiments．111eresultofexperimen tsshow thatdecreas ingpulse duration an dvoltageCan enhan ce the localization an d improve electrochemi cal microma chiningaccuracy．Onth eself-developedequiplmen t,toolelectrod e an d workpiec e are sequen tially machining in elec tro· chemi cal method．Inter-electrode gap is restrained less than 5pm ．A crisscrossmi cro-groovewith 30 m wi dth an dthemi cro-structure、vithsize20pm ~ 30pm × 30pm isproduced．111e influenceofstarting pointupon form ing prec ision isan alyzod ． Theex perimentalresultsprovethatmi cro-ECM Can wellmeet thedemandofmi croma chining． Keywords： Electrochemicalmi cro-machining Nan osecondpulses Inter-electrod esgap M achiningaccuracy 作者简介：张朝阳，男，1973年出生，博士研究生。主要研究方向为特 种加工新技术和新工艺。 E-mail：zzhaoyang@126．com (上接第 207页) po site mi erostruetures are simulated by a modified cellular mltoma ton method coupled with finite diference method． A ~ aplemethod isap pliedforquantitativelyanalyzingtheefects of diferent casting proc esses，particle volume fraction an d cooling rate on composite mi crostructure an d particle distri． 1mtionfrom both experimen talan dsim ulated sides． Th esimu． 1atod results of particle distributiOn an d mi erostrucmres of compo sitearein a~eementwi th th eexperim en talresults． Keywords： M etalma trixcompo site Particlepushing M icrostructurc Num erical sim ulation Quantitativeassessment 作者简介：李斌，男，1979年出生，博士研究生。主要研究方向为复合 材料微观组织模拟。 E-mail： 维普资讯 http://www.cqvip.com