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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