基于电解电火花效应的硬脆绝缘材料微加工技术
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微电子机械系统(MEMs)己在通信、汽车、生物医学、可再生能源、航空航天、智能武器等领域发挥了重要的作用。玻璃等MEMs绝缘硬脆材料具有高硬夏、高脆性、耐磨损、耐腐蚀、绝缘、透明以及生物相容性等优良属性,然而它们的微加工却十分困难。电解电火花加工(EcDM)是一种针对玻璃、石英、陶瓷等绝缘硬脆材料的微加工方法。它加工效率高、柔性好、成本低,但在精夏、深夏等方面还未达到大规模工业应用的要求。为此,本文提出一系列基于电解电火花效应的绝缘材料微加工技术。本文首先探讨了电解电火花效应的特性和机理。其次围绕电解电火花效应,建立了电解电火花加工的数学模型。最后提出并试验研究了电解电火花热辅助机械加工、电解电火花振动冲击加工和用于微磨削加工的电解电火花砂轮修整的工艺和机理。在电解电火花效应的特性和机理的研究中,揭示了电解电火花效应的静态电压一电流特性,指出是否达到临界电压直接决定电解电火花效应的发生。着重观察了放电区间的动态特性,发现放电频率和脉冲峰值电流符合泊松分布。针对气层的形成机理,建立了气泡层和气层的电学模型,引入渗流理论解释气泡层向气层转化的机制。在电解电火花加工数学建模的研究中,首先建立模型假设,阐述加工机理,之后推导出模型公式,再用有限元方法仿真得到单火花放电下的材料去除量。通过试验获取模型参数并验证模型的有效性,模型预测结果与试验结果基本吻合。开展了基于模型的电解电火花加工工艺和机理研究,发现在低电压时的材料去除方式主要是化学腐蚀,随着电压的升高热蚀去除的比例增大。本模型的特点包括:利用高斯热源代替矩形热源更能准确地描述单火花热源、用当量熔点作为材料去除准则能把复杂的热一化学耦合问题简化为热传导问题、用指数衰减函数来描述加工域效应。在电解电火花热辅助机械加工的研究中,首先阐述了加工原理,再用数学语言描述了热辅助加工过程。随后将新方法与普通电解电火花加工的效果进行对比,试验结果表明,电解电火花热辅助机械加工提高了放电域的加工效率,减小了尺寸误差和圆夏误差。研究了工艺参数对加工结果的影响,发现加工效率随电压的增大而升高,但加工精夏随之下降。在达到临界深夏之前,加工效率随工具电极转速的升高而升高。使用扫描电镜观察了加工后工件表面,证明材料去除机理是热辅助机械加工、热辅助化学加工和热熔化的共同作用,其中热辅助机械加工是主要的材料去除方式。在电解电火花振动冲击加工的研究中,首先阐述了加工原理,然后将新方法与普通电解电火花加工的效果进行对比,试验结果表明,电解电火花振动冲击加工能提高加工深夏和流体力学域的加工效率。研究了工艺参数对加工结果的影响,发现加工深夏随振动幅值线性增大。在15—150 Hz范围内,加工深夏略有增加;然而在150—500Hz的过程中,加工深夏由30¨o um跃升到550 um。使用扫描电镜观察了加工后工件表面,证明材料去除机理是热辅助机械加工、热辅助化学加工和热熔化的共同作用。在加工深夏较大时,主要材料去除方式为机械冲击。在电解电火花砂轮修整的研究中,将电解电火花效应应用到微磨削加工中的辅助砂轮修磨工艺中,利用了电解电火花加工中的电极损耗来修整砂轮。首先阐述了加工原理,然后对修整过程进行理论分析。分析得出,修整机理是火花产生的局部高温将材料熔化和电化学腐蚀。通过对微磨削砂轮修整前后砂轮表面形貌、法向磨削力以及工件表面粗糙夏的对比发现,修整后砂轮上的磨粒明显暴露出来,且磨粒没有受到破坏;法向磨削力和工件表面粗糙度都降低了50%。研究了工艺参数对修整效果的影响,发现电压和电解液浓夏是控制修整效果的关键参数,最佳条件是32 v的电压和30%的电解液浓夏。
摘要 | 第3-5页 |
ABSTRACT | 第5-7页 |
第一章 绪论 | 第11-34页 |
1.1 研究背景和意义 | 第11-14页 |
1.1.1 研究背景 | 第11-13页 |
1.1.2 研究意义 | 第13-14页 |
1.2 电解电火花效应和加工 | 第14-18页 |
1.2.1 电解电火花效应 | 第14-16页 |
1.2.2 电解电火花加工 | 第16-18页 |
1.3 电解电火花加工研究现状综述 | 第18-25页 |
1.3.1 国内外研究现状概述 | 第18-19页 |
1.3.2 电源的研究 | 第19-20页 |
1.3.3 电解液的研究 | 第20-21页 |
1.3.4 电极的研究 | 第21-23页 |
1.3.5 控制方法的研究 | 第23-24页 |
1.3.6 “车削”、“线切割”和“铣削” | 第24-25页 |
1.4 研究目的和内容 | 第25-27页 |
1.4.1 研究目的 | 第25-26页 |
1.4.2 研究内容 | 第26-27页 |
参考文献 | 第27-34页 |
第二章 电解电火花效应的特性和机理研究 | 第34-47页 |
2.1 引言 | 第34页 |
2.2 电解电火花效应的特性 | 第34-40页 |
2.2.1 电压电流静态特性 | 第34-37页 |
2.2.2 电流动态特性 | 第37-40页 |
2.3 气层的形成机理 | 第40-45页 |
2.3.1 气层的电学模型 | 第40-42页 |
2.3.2 气层的形成过程模型 | 第42-45页 |
2.4 本章小结 | 第45-46页 |
参考文献 | 第46-47页 |
第三章 电解电火花加工的数学建模 | 第47-70页 |
3.1 引言 | 第47-48页 |
3.2 加工机理和模型假设 | 第48-50页 |
3.2.1 加工机理 | 第48-49页 |
3.2.2 模型假设 | 第49-50页 |
3.3 数学建模 | 第50-54页 |
3.3.1 单火花放电的模型 | 第50-52页 |
3.3.2 材料去除准则 | 第52页 |
3.3.3 多火花放电的加工深度模型 | 第52-54页 |
3.4 有限元仿真 | 第54-59页 |
3.4.1 前处理 | 第55-56页 |
3.4.2 求解 | 第56-58页 |
3.4.3 后处理 | 第58-59页 |
3.5 试验研究 | 第59-64页 |
3.5.1 试验装置和步骤 | 第59-60页 |
3.5.2 试验结果 | 第60-62页 |
3.5.3 模型参数的获取 | 第62-63页 |
3.5.4 模型的验证 | 第63-64页 |
3.6 基于模型的工艺和机理研究 | 第64-68页 |
3.7 本章小结 | 第68页 |
参考文献 | 第68-70页 |
第四章 电解电火花热辅助机械加工方法和机理的试验研究 | 第70-87页 |
4.1 引言 | 第70-71页 |
4.2 加工原理和理论分析 | 第71-73页 |
4.2.1 加工原理 | 第71页 |
4.2.2 热辅助机械加工过程 | 第71-73页 |
4.3 试验装置和步骤 | 第73-76页 |
4.3.1 试验装置 | 第73-74页 |
4.3.2 试验参数和步骤 | 第74-76页 |
4.4 试验结果和讨论 | 第76-84页 |
4.4.1 加工效率的对比 | 第76-78页 |
4.4.2 加工精度的对比 | 第78-80页 |
4.4.3 加工参数的影响 | 第80-81页 |
4.4.4 材料去除机理的研究 | 第81-84页 |
4.5 本章小结 | 第84-85页 |
参考文献 | 第85-87页 |
第五章 电解电火花振动冲击加工方法和机理的试验研究 | 第87-102页 |
5.1 引言 | 第87-88页 |
5.2 加工原理 | 第88-89页 |
5.3 试验装置和步骤 | 第89-91页 |
5.3.1 试验装置 | 第89-90页 |
5.3.2 试验参数和步骤 | 第90-91页 |
5.4 试验结果和讨论 | 第91-100页 |
5.4.1 加工效率的对比 | 第91-93页 |
5.4.2 加工精度的对比 | 第93-95页 |
5.4.3 加工参数的影响 | 第95-96页 |
5.4.4 材料去除机理的研究 | 第96-100页 |
5.5 本章小结 | 第100页 |
参考文献 | 第100-102页 |
第六章 电解电火花砂轮修整方法和机理的试验研究 | 第102-120页 |
6.1 引言 | 第102-103页 |
6.2 电解电火花修整原理和理论分析 | 第103-106页 |
6.2.1 电解电火花加工中的电极损耗 | 第103页 |
6.2.2 修整原理 | 第103-104页 |
6.2.3 砂轮结合剂去除机理 | 第104-106页 |
6.3 试验装置和步骤 | 第106-108页 |
6.3.1 微磨削试验 | 第106-107页 |
6.3.2 砂轮修整试验 | 第107-108页 |
6.4 试验结果和讨论 | 第108-117页 |
6.4.1 砂轮表面形貌的对比 | 第108-109页 |
6.4.2 磨削力的对比 | 第109-112页 |
6.4.3 工件表面质量的对比 | 第112-113页 |
6.4.4 工艺参数的影响 | 第113-115页 |
6.4.5 关于电解电火花修整技术的讨论 | 第115-117页 |
6.5 本章小结 | 第117-118页 |
参考文献 | 第118-120页 |
第七章 总结与展望 | 第120-125页 |
7.1 全文总结 | 第120-123页 |
7.2 创新点总结 | 第123-124页 |
7.3 后续研究展望 | 第124-125页 |
附录1 电解电火花热辅助机械加工装备的设计 | 第125-129页 |
附录2 在线修整的微磨削加工装备的设计 | 第129-132页 |
致谢 | 第132-133页 |
攻读博士学位期间获得的研究成果 | 第133-136页 |
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