微细电化学加工电源的设计与研究

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电化学加工法制备微细工具电极试验研究

ＺｅａｇＵｉｒｔｏｅｈｏｇ，ａｇｈｕ３０３，ｈｊｎ，ｈａｈｊｎｎｅｓｙｆｃｎｌｙＨｎ￣ｏ１０２ＺｅａｇＣｉ）ｉｖｉＴｏｉｎ
Ａｂｔａｃ：Ｐｅａａｉｎｏｉｒ－ｌｃｒｄｎｏｔｏｆｍａｈｎｎｒｃｓｒｅｅｈｏｏｉｓｉｉｒｓｒｔｒｐｒｔｆｍｃｏｅｅｔｏｅａｄｃｎｒｌｏｃｉｉｇｐｏｅｓａｅｋｙｔｃｎｌｇｅｎｍｃｏ－ｏｍａｈｎｎ．Ｅｆｅｔｆｖｒｏｒｍｅｅｓｏｈｏｍｉｇｏｃｏｐｎｏｉｒ —ｉｓｍａｕａｔｒｄｂｈｃｉｉｇｆｃｓｏａｉｕｓｐａａｔｒｎｔｅｆｒｎｆｍｉｒ－ｉｒｍｃｏｔｐｎｆｃｕｅｙｔｅｅｅｔｏｈｅｃｌｍｅｈｄ，ｓｃｓｅｅｔｉｄｌｃｒｃｍｉａｔｏｕｈａｌｃｒｃｍｏｅ，ｃｎｅｔａｉｎｏｌｃｒｌｔｋｎｓｏｏｒａｖ — ｏｃｎｔｆｅｅｔｏｙｅ，ｉｄｆｐｗｅｎｄｍｏｅｒｏｍｅｔｏｌｃｒｄｎｆｅｅｔｏｅ，ｗｅｅｄｓｕｓｄｉｅａｌｏｈｅｂｓｓｏｎｙｉｇｔｅｓａｎｅｈａｉｍｆｔｅ．Ｔｈｒｉｃｓｅｎｄｔｉｎｔａｉｆａａｚｎｈｈｐｉｇｍｃｎｓｏｈｍｌｅｅｐｒｍｅｔｄａｄｄｓｕｓｅｅｕｔｈｏｔｔｇｏｃｏｔｐａｅｐｏｕｅｙｅｅｔｉｄｎｅｈｘｅｉｎｅｎｉｃｓｄｒｓｌｓｓｗｈａｏｄｍｉｒ・ｉｓｃｎｂｒｄｃｄｂｌｃｒｃｍｏｅｕｄｒｔｅ

μs级可调脉冲电源及微细电解加工应用

ＣＨＥＮｅＷｉ
（ｎｕＵｉｒｔｏｃｅｃｎｅｈｏｇ，ｕｉａ３０１ＨＡｈｉｎｖｓｙｆｉｅａｄＴｃｎｌｙＨａｎｎ２２０，ＣＮ）ｅｉＳｎｏ
ＡｂｔａｔＤｖｌｐｄｔｅｃｔｏｅａｄｔｏｉｇＰｏｅｓｄｔｅｔａｏｅＥｅｔｃｅｃｌｍｉｒｃｉｉｇｂｓｎｓｒｃ：ｅｅｏｅｈａｈｄｎｏｌ．ｒｃｓｅｈｒｌｆｔｌｃｒｈｍｉａｃｏｍａｈｎｎｙｕｉｇｎｉｈｏ
４微细电解￣－试验ｊｒｎ－
在ＤＫ１０Ｊ３５数控电解加工机床上，进行了一些微
细电解加工的试验。
具 ”，它直接影响到加工尺寸精度和加工质量。所设计的阴极应当能提供溶解表面需要的电流分
广泛应用于加工制造业中。
之问的问隙大、阻力小，量电解液由此间隙流走，大而
不易流过工件的细槽。此外，细槽的流程长，出口进窄，而产生缺乏流体的死水区。在死水区没有或很从
少有电解液通过，件的溶解速度将低于其他部位，工加工时就容易产生火花或短路。
１ｒ８ｉＴ不锈钢片，在上面加工宽为０５ｍｍ、ＣｌＮ９ｉ需．深
为０３ｍｍ的迷宫形多道细槽，图１．如。
路。另外，此工件加工的槽比较细小，为达到较好的加工效果，用了研制的微秒级可调脉冲电源进行加工。应由于电化学加工不同于传统的机械加工，其夹具和阴极的设计有其特殊的要求。设计电解液的流向一

纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验_张朝阳

式中
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 R1，决定双电层电容充放电的时间常数τ1=R1C；非加工区域离工具阴极较远，电阻较大，记为 R2 ，时间常数 τ2=R2C 。正是由于 τ1<τ2，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[6]。根据电化学极化的 Butler-Volmer 方程，电极上双电层的过电位 φ 影响电化学反应的电流密度 i ⎛ β nF ⎞ (5) i = i 0 exp ⎜ ϕ ⎜ RgTa ⎟ ⎟ ⎝ ⎠
∗ 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(BCXJ04-09)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。
i0 ——交换电流密度 β ——电极反应的传递系数 Rg ——气体常数 Ta ——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 V 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 Tp 内的电量相同。因此电化学去除量为 ton t V = ω Itm = ω m ∫ i (t )Adt = 0 Tp
第 43 卷第 1 期 2007 年 1 月
机械工程学报

大连理工大学机械工程学院导师信息

传感测控与精密加工技术研究所简介现有教员13名,其中，教授2名，副教授5名，高级工程师2名,讲师2名，工程师1名，高级技工1名。

主要研究方向：传感器与执行器理论与技术；智能化仪器仪表与智能监控技术；航空航天发动机推力测量；微型柔性构件的拓扑优化；精密加工技术及精密测量；硬脆材料加工与工具技术；现代切削理论与切削过程测控；难加工材料切削性能与加工技术；液压系统CAD/CAM、动态特性仿真与优化；网络测控技王殿龙：传感测试理论与技术、难加工材料切削加工、工程机械数字化样机技术。

张元良：1.天然金刚石超精密切削、2.智能化仪器仪表、3.学生体质自动测量仪表、4.起重机力矩限制器、5.液压比例阀数字化控制技术与模块化研究、6.在线测量技术及应用。

徐志祥：模式识别与智能系统方向，1. 数控与伺服控制技术、2. 非线性时间序列分析、3. 机器视觉与模式识别、4. 虚拟仪器及测试技术。

张军：1.传感器及执行器理论研究、2.压电石英、压电陶瓷机理研究、3.压电切削测试系统研究、4.精密仪器设计与制造。

张宏：液压系统仿真与优化、流体传动与控制。

桑勇：电液伺服控制；机电传动控制；先进仪器设备研发。

工程机械研究所简介研究所非常重视与生产企业的合作以及研究成果的转化，成功联合开发了数十个具有自主知识产权的产品，仅2006年就完成了9项填补国内空白的项目，其中以履带起重机为代表的系列产品一举打破了国外企业对大吨位产品的垄断，为国家节省了大量外汇，为企业创造了可观的经济效益。

据统计，研究所近年来向企业转移的技术成果达60余项，累计实现销售总额40多亿元，获得各类奖励十余项。

研究所还先后负责或参与了国家863、973、自然基金等专项的科学研究工作，在国内外公开刊物上发表了多篇学术研究论文。

王欣：1.工程机械产品关键理论与技术研究、2.结构优化与动态设计、3.结构损伤、识别与寿命评估、4.虚拟设计与仿真。

曹旭阳：工程机械三维仿真及虚拟样机技术、结构相似性研究、机械机构优化设计，岸边集装箱起重机数字化虚拟样机，结构优化设计。

19--微细电解加工实验研究_朱保国

第35卷　增刊Ⅰ2007年　3月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)J.Huazho ng U niv.of Sci.&T ech.(Na tur e Science Edition )Vo l.35Sup.Ⅰ　M ar.　2007收稿日期:2006-12-12.作者简介:朱保国(1975-),男,博士研究生;哈尔滨,哈尔滨工业大学机电工程学院(150001).E -mail :zhubao guo @基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50635040).微细电解加工实验研究朱保国　王振龙　孙立忠(哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:针对微细电解加工中脉冲电源技术,电解液成分配比,以及加工间隙检测、控制等问题开展了微细电解加工技术的试验研究工作.首先讨论了微细电解加工的工艺特点和主要技术步骤,然后利用高频窄脉冲电源进行了加工实验.通过实验现象和实验结果的研究分析,提出了改进加工实验的方案,通过实验证明了本方案和技术路线的可行性,并获得了很好的微结构加工试验结果.通过微细电解加工实验的研究,为微细电解加工的生产应用提供了依据,显示出微细电解加工方法在金属零件微制造方面有着广阔的应用前景.关　键　词:微细电解加工;高频窄脉冲电源;微细结构中图分类号:TG 661 文献标识码:A 文章编号:1671-4512(2007)S1-0085-04Experimental investigation of electrochemical micromachiningZhu Baoguo Wang Zhenlong S un Lizhong(Scho ol o f M echa nical and Electrical Engineering ,Har bin Instituteo f T echno log y ,H arbin 150001,China )A bstract :Aimed at the checking and co ntrolling of the machining g ap ,the co mpo sition and distribu -tion o f the electro lyte ,and the pulses pow er supply in electrochemical micro machining (EMM ),the e xperimental investig ation o f EM M w as carried out.The characteristic and the main process of thistechnolo gy w ere discussed firstly.Then so me technolo gy e xperiments w ere researched using high fre -quency short pulses pow er supply.The refo rmative project of e xperiment w as put fo rw ard after the phenom enon and results of the experim ents w ere analyzed.The feasibility of the pro ject and technique route w as testified cor rectly by further experim ents ,and micro structure w as realized.The basis is pro vided fo r the practice applicatio n of EMM after the research of EMM experiments ,and the applica -tion fo reg round of EM M is show n in the micro m anufacture o f metal parts.Key words :electrochemical micromachining (EM M );hig h frequency short pulses pow er supply ;m i -cro structure 近几年来,越来越多工业产品向着微型化的方向发展,微细加工技术的作用也越来越重要.由于传统的加工技术存在刀具磨损,刀具硬度欠佳问题,工件加工区域存在热影响层,甚至很难加工复杂形状的微结构,特种加工因其功能特性而得到迅速发展,且应用越来越广泛[1].在特种加工中,绝大多数加工存在热影响层,会导致加工表面产生热变形,而电火花加工和激光加工却不会出现这种情况.由于具有较高的去除率、高精度、高效率、能加工难加工金属材料等优点,电解加工已成为一种非常有发展潜力的微细加工方法[2].微细电解加工是指在微细加工范围内,应用电解加工得到高精度、微小尺寸零件的加工方法.微细电解加工可以用于航空航天、汽车、国防、电子工业和生物医学等领域.利用微细电解加工技术,韩国制造出了直径为数μm 、高表面质量的轴[3];2000年,德国学者采用ns级超短脉宽脉冲电流技术,使得电化学溶解定域性突变性提高,从而实现了10μm级尺度的金属三维复杂型腔的微细加工,经过进一步研究,取得了新的进展,已经加工出100nm宽的沟槽[4].在微细制造范围内,越来越迫切地需要微细电解加工具有较高的溶解速度,虽然有些研究机构和学者已经开始了这方面的研究[5,6],但是仍需要更深入地研究.而且要研究微细电解加工,通过优化加工参数来提高材料去除能力,提高表面质量和加工精度.为满足这些需求,需要研制微细工具电极能实现精确运动的实验装置,并以此来研究各个加工参数对材料去除和精度的影响,推动电解加工制造技术的发展,对电解加工的技术应用有着重要的促进作用.1　微细电解加工的工艺特点影响微细电解加工的影响因素有很多,这里只讨论加工电源、电解液配比和加工间隙等参数对电解加工的影响较大的几个参数.1.1　高频窄脉冲电源加工电压是电解加工过程中可调的参数之一,是使电解加工得以进行的原动势能,它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流场,从而确保达到所选用的电流密度.微细电解加工过程中,在确保满足所要求的电流密度时,加工电压尽量取下限.脉冲电源是伴随着半导体功率开关器件发展而发展的,微细加工所使用的电源向着高频窄脉宽的微能电源方向发展.高频、窄脉宽脉冲电源在电解加工过程中会使加工间隙中出现特殊的物理、化学特性,其电流能导致集中蚀除能力的加强和散蚀能力的减弱,这就使得电解加工在尺寸精度、形状精度、表面质量、加工效率、加工过程稳定性方面有很大的提高.脉冲宽度小时加工误差小,即加工精度高,随脉冲宽度增大,误差迅速增大,加工精度下降.当脉冲宽度小时,压力波在通电期间充分发挥了其改善流场的搅拌作用,这种波动效应能显著提高表面的活化程度,扩大活化溶解范围与钝化溶解范围,使阳极产生从钝化状态向超钝化状态转化的电流密度比直流条件下高得多,从而可以减小电导率不均匀分布和提高加工成形精度和重复精度,采用较窄的脉冲宽度与较大的脉冲间隔能加强脉冲条件对阳极过程优化作用.当脉冲宽度增加时,通电时间增长,压力波振荡幅值逐渐减小,搅拌作用减弱,则加工精度降低.通过合理调整脉冲宽度和脉冲间隔,在很短的脉冲加工时间内反应产物就很少,使极间电解液在脉冲间歇时间内极易得到更新和恢复,从而加工精度和加工更小尺寸工件的能力有很大的提高.1.2　低浓度非线性钝化电解液通常在选择电解液时应考虑两个条件:一是阳极活化电位和稳定电位之间差异应尽可能大.在两电位间的区域内,电极处于钝化状态,有放氧反应,金属不发生溶解.二是钝化膜破坏后,金属开始溶解,此时金属开始离子化反应的超电压应很小,而放氧反应超电压应剧烈增大,以保证在阳极活化电位大于稳定电位时电流效率随电流密度急剧上升.另外,电解液成分的不同也会对电解加工的精度产生影响,电解液常分为活性电解液和钝化性电解液.微细电解加工中,常采用钝化性电解液,以利于阳极表面生成可溶性覆盖膜而产生不完全钝化,所以可获得均匀、光滑的表面.浓度也是电解液的一个重要特性,通过降低电解液的浓度,工具阴极和工件阳极之间的间隙可小至数μm.本文采用N aClO3进行实验.这是因为Na-ClO3电流效率最低,散蚀能力弱,在反应过程中杂散腐蚀较轻,所以其复制精度较高.1.3　加工间隙加工间隙是直接影响加工精度的核心工艺参数,间隙大小对工件材料的去除有着非常大的影响.间隙值愈小,反馈作用愈强,成形精度就高,微细加工的效果就越好.当加工间隙增大到一定值时,其对提高加工精度的反馈作用虽然下降,但间隙适当增大可使流动条件得到改善,其作用也具有压力波搅拌作用的效果而使加工精度提高.综合比较,小间隙加工对于提高加工精度的作用更为显著,因为在此条件下不仅加工精度高,而且加工效率也高,且表面粗糙度低.因此,推荐在小间隙条件下进行脉冲电流电解加工.在微细电解加工中,加工间隙应控制在50μm以下.目前,通过降低加工电压和电解液浓度,已成功地将加工间隙控制在10μm以下.综上所述,由于脉冲电流的正负阶跃产生了加工间隙中的压力波,而压力波的搅拌作用有利于改善流场,便于进行小间隙加工,而小间隙加工提高了电解加工的整平能力.同时压力波的搅拌作用促使加工间隙中电解液的电导率分布趋于均匀,这就使成形精度显著提高.而且脉冲电解加工对参数的稳定性的要求也可适当降低,它可保证获得较高的重复加工精度.采用超短脉宽脉冲电流,可以显著提高加工的定域性,有利于微细加86 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第35卷工.将低电压超短(ns )脉冲电流、低浓度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合,可以实现μm 级精度的加工.2　微细电解加工的实验装置的研制由于所要加工的微细结构比较复杂,若要得到较好的加工效果,必须保证电极相对加工实体尺寸足够小.因此,必须有同时具备微细电极制备与适合微细加工的数控机床才能较好地完成该实验.实验设备由本研究所自主研制而成,系统结构简图见图1,整个装置的基座部分由花岗岩制成.x ,y ,z 精密伺服机构构成了实现三维运动的基本部件,每个方向运动部件由直流伺服电机驱动,其行程范围为102mm ×102mm ×102mm.精密回转主轴直接安装在z 轴运动部件上,由z 轴运动部件带动回转主轴作上下进给运动.x ,y 轴运动部件带着旋转主轴分别作左右、前后运动,以实现旋转主轴的x 向和y 向进给运动.电极安装在回转主轴头上,其中精密回转主轴由直流电机驱动,转速从1000～25000r /min 连续可调.该装置利用CCD 进行观测,能够实现在线制作微细电极,高频脉冲电源用于产生微细电解加工用的微能脉冲.计算机用于对机床进行全面控制,并对加工过程进行监控,确保电解加工的顺利进行.图1　微细电解加工系统结构简图3　微细电解加工的实验研究采用脉冲电源进行电解加工可明显提高电解加工精度和工件表面质量,因此在生产中的应用范围日益扩大.脉冲电解加工的电流效率高于一般直流加工,较窄的脉冲宽度与较高的脉冲频率加强了脉冲条件对阳极过程的优化作用.由于电流密度是影响加工效率的主要因素之一,因此需要通过检测电流来控制加工过程.电解液成分是影响加工电极形状和表面质量的主要因素.采用钝化电解液进行加工可以在工件表面形成氧化膜,提高工件的表面质量.使加工出的工件表面具有较低的粗糙度和良好的光洁度.3.1　初步的实验研究在微细孔、微型腔结构的电解加工中,用微细轴作为工具电极可以避免复杂电极的设计和制作,减小加工成本.在此选择用电解加工方法,在图1所示的加工装置上进行微细电极的加工.微细电极制作后进行微细电解加工实验研究,首先进行加工参数设置和电极定位.调整好加工间隙后开始加工,工具电极向工件进给,同时进行加工电流的采样,通过采样得到的电流值判断此时的加工状态,如果加工系统电流短路,则工具电极回退一定距离,调整好加工间隙后从新进给加工;如果没短路,工具电极继续以正常加工的速度进给.然后再判断是否有结束的指令,如果有则加工结束,没有则继续进行加工,重复以上的流程直到加工结束.这样实现的加工过程控制,有利于提高加工速度和加工精度.微细电解加工中,随着阴极的伺服进给,阴、阳两极产生电化学反应,阳极材料不断溶解而实现加工的目的.如果产生的气体没有及时排出间隙,气泡将在间隙内形成绝缘桥,焦耳热效应将使得绝缘桥延长.同时,大量不溶性电解产物迅速产生,容易使电解液通道堵塞,造成电解液供应不足,或者电解液分布不匀,导致加工稳定性下降.为此,可以选用较低的浓度,但浓度太低,会使电导率降低,影响生产率.通过控制极间间隙的电场来提高加工精度主要是依赖于改变电极的边缘条件,比如改变加工电压、电极的绝缘处理等,这些措施都是与尽可能地缩小加工间隙密切相关的.还有一种方法是通过电极的自转,可以加速电极边缘的电解液与远处电解液的流通.由于电化学微细孔加工无再铸层、无电极损耗、多孔加工时效率高等优点而广为采用.这里以加工微细孔入手,探索微细电解加工的工艺规律.在加工微细孔时,电解液通常采用中性溶液,由于是微细加工,因此多选择钝化电解液,如碳酸钠.在微孔电解加工中,一般多采用较低的电压加工,工作电压的选择取决于工件材料和所用的电解液.图2(a )所示的微细孔使用的电源加工参数是工作电压为8V ,频率为100kH z ,脉冲宽度5μs ;图2(b )所示的微细孔使用的电源加工参数是工作电压为3.5V ,频率为1MH z ,脉冲宽度500ns.两个微细孔均是在浓度为20g /L 的氯酸钠溶液中加工的,通过扫描电镜照片对比,图2(b )所示的微细孔明显比图2(b )所示的微细孔的圆度要好,表面情况也好,这说明加工用的电源参数对加工效果影响很大.87 增刊Ⅰ 朱保国等:微细电解加工实验研究图2　电解加工方法加工出的微细孔3.2　电解加工微细结构用简单电极进行电解加工可以避免复杂电极的设计和制作,减小加工成本.利用铣削的方法,电解加工系统执行数控程序,使简单电极按照设定的形状轨迹运动,从而加工出微细结构.电解加工复杂微结构时,如果微结构高度或深度较大,一次铣削存在困难,特别是微三维结构不能一次铣削完成,需要采用分层铣削的方式逐层加工,最终实现复杂的微结构.要实现分层铣削,就要利用CAD/CAM技术对微结构进行处理.进行电解铣削加工参数的设置时,应注意电解铣削的基本原则,如分层厚度的设定要小于电解加工的深度;对于三维曲面的加工要注意根据曲面与z轴倾斜角度的不同而选择不同的分层厚度;刀具轨迹要根据加工工件的具体情况设定.图3是采用工作电压为3.5V,频率为1M H z,脉冲宽度500ns,在浓度为20g/L的氯酸钠溶液中加工的微细结构,由于加工深度大,可以看出由于电解加工特点所产生的圆角.由于加工参数选择的合理,微细结构的轮廓比较清晰,杂散腐蚀的作用非常微弱,很难看出来,且加工间隙较小.图3　电解加工方法加工出的微细结构参考文献[1]朱　荻.特种加工技术的应用与发展[J].航空精密制造技术,1995,31(4):18-21.[2]Bhat tachary ya B,M itra S,Bo ro A K.Electrochemi-cal machining:new po ssibilities fo r micro machining[J].Robo tics and Compute r Integ ra ted M anufactur-ing,2002,18:283-289.[3]Se Hy un A hna,Shi Hy oung Ry ua,D eo k K i Choi,etal.Elect 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[6]D atta M,H ar ris D.Elec trochemical micro machiningan environmentally f riendly,high speed pr ocessingtechno log y[J].Electro chimica A cta,1997,42: 3007-3013.88 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第35卷。

电化学微／纳米加工技术

电化学微／纳米加工技术张杰;贾晶春;朱益亮;韩联欢;袁野;时康;周剑章;田昭武;田中群;詹东平【摘要】介绍电化学微／纳米加工技术，特别是厦门大学电化学微／纳米加工课题组建立起来的约束刻蚀剂层技术，旨在让广大师生了解这一特种加工技术，共同促进我国电化学微／纳米加工技术的研究及产业化进程。

【期刊名称】《大学化学》【年(卷),期】2012(027)003【总页数】8页(P1-8)【关键词】微／纳米加工技术;电化学微／纳米加工;约束刻蚀剂层技术【作者】张杰;贾晶春;朱益亮;韩联欢;袁野;时康;周剑章;田昭武;田中群;詹东平【作者单位】厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室福建,厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室福建,厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室福建,厦门361005;厦门学化学化工学院化学系,福建厦门361005 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室福建,厦门361005【正文语种】中文【中图分类】O646随着近年来微电子、微/纳机电系统、现代精密光学系统、微全分析系统等高科技产业的迅猛发展，对微/纳米加工技术的要求也越来越高[1-2]。

一方面，传统的微/纳米加工技术存在着工具磨损、刚性、热效应等问题；另一方面，电火花、激光束、电子束加工等非传统微/纳米加工技术也难以避免热效应[3-5]。

电化学微/纳米加工技术无热效应，而且具有精度可控、去除率高、加工效率高、环境友好等优点。

电化学探针的设计和性能研究

电化学探针的设计和性能研究电化学探针是现代电化学研究的重要工具，它能够提供高灵敏度的电化学信号，以及对于界面物种、反应机理等参数的信息，因此，电化学探针在环境、能源、材料、生物等领域具有广泛的应用。

电化学探针的性能研究和设计是电化学研究的重要内容之一，下面将着重讨论电化学探针的设计和性能研究。

1. 电化学探针的设计电化学探针的设计通常包含三个方面：探针材料、外部形状和尺寸、电极表面的修饰。

1.1 探针材料探针材料是电化学探针设计中的重要一环，探针材料的物理化学性质，比如氧化还原电位、电导率、电极反应活性等，直接影响到探针的性能。

通常使用的电化学探针材料主要有金属（如铂、银、铜、镍等）、碳材料（如石墨、金刚石、石墨烯等）、半导体材料（如氮化硅、氧化钛等）和聚合物材料（如聚四氟乙烯、聚乙烯醇等）。

在选择探针材料时，通常需要根据研究对象、具体实验条件和所需信号的性能要求来综合考虑。

1.2 外部形状和尺寸外部形状和尺寸是电化学探针设计中的另一个重要方面。

电化学探针的外部形状通常是通过微纳加工技术制备，可以是圆形、方形、棱形等多种形状。

电化学探针的尺寸可根据所需信号的特点及具体研究需求进行设计，通常是微米到纳米级别。

在探针尺寸的设计中，需要考虑到探针的灵敏度和信号稳定性等因素。

1.3 电极表面的修饰电极表面的修饰是电化学探针设计中的另一重要方面。

电极表面的修饰对于电极的反应特性、界面化学反应以及分子吸附等方面有着重要的影响。

目前常见的电极表面修饰方法有：分子自组装、化学修饰和物理修饰等。

电极表面的修饰也可以根据实验需求进行定制化设计。

2. 电化学探针的性能研究2.1 灵敏度灵敏度是电化学探针的重要性能之一，它可以直接影响到探针信号的强度和检测极限。

电化学探针的灵敏度可以通过探针材料、尺寸设计和表面修饰等方法进行提高。

此外，无择优汇聚技术和电流放大器等技术也可以提高电化学探针的灵敏度。

2.2 选择性选择性也是电化学探针的重要性能之一，可以根据特定的电化学反应进行设计。

微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制

ｃｉｖｄｔｈｍｍ，ｈａａｅｅｓｆｈｏｅｓｐｌｃｎｂｄｕｔｄｏｎｙｔｅｈｓｃｒ— ｈｅｅ．Ａｅｓｅｔｅｔｅｐｒｍｔｅｐｗｒｕｐｙａｅａｊｓｎｌｅｂｏｔｏｔａｉｒｏｔｅｉｈｎ
ｐｔｒｏｈｅｅｅｔｏｈｍｉａｉｒ－ｍａｈｎｎｙｔｍ．Ｔｈｙｔｍｅｔｎｉａｅｔａａａｅｅｓｓｃｓｕｅｆｔｌｃｒｃｅｃｌｍｃｏｃｉｉｇｓｓｅｅｓｓｅｔｓｓｉｄｃｔｈｔｐｒｍｔｒｕｈａ
相较于其他微细加工方法，细电化学加工具有微
非接触、削力、热熔除等特点，无切无已经在某些特殊
的微细加工场合获得较好效果。利用这种工艺，
德国ＦｉＨｂｒ究所、国的ＩＭ以及国内的ｒ — ａｅ研ｚ美Ｂ
滤波，成直流电压。。电路存在外部干扰时，形：若
南京航空航天大学胡、海交通大学等机构先后Ｊ上
制作了微米量级的微孔、、与其他微细结构。槽坑
电源及其品质是微细电化学加工的关键影响因
数，产生高频脉冲控制信号。结构如图４主要由单片，
机及外围电路、ＰＤ及控制逻辑、线驱动及极问脉ＣＬ总
冲采样与转换电路构成。
图２脉冲电源的主电路
图中的删

微细电化学加工电源的设计与研究

ｍｉｒｃｏＥＣＭｒｃｓ．Ｔｈｉａｅｒａｎｌｏｅｕｐｙｓｓｅｏｒｍｉｒｐｏｅｓｓｐｐｒｐｅｅｓａｐｗｒｓｐｌｙｔ￣ｔｆｃＥＣＭｉｅｕｄｎｇｔｅｈａｄａｅａｈｏｎ［ｌｈｒｗｒｎｄｔｅｓｔａｅＴｈｅｈｒｗａｅｍｏ［ｃｍｐｓｄｏｏｌｐｒｒｎｉｔｒａｅｃｒｕｔｏｅｍｐｌｉｒａｒ — ｏｆｗｒａｄｒｄｕｅｂｏｏｅｆａｃｉｕｅ．ａｎｅｆｃｉｃｉ，ａｐｗｒａ］ｉｅ，ｎｄａｐｏｆｃｓｅｅｔｎｉｃｉＴｈｏｆｗａｅｍｕｌｓｃｍｐｓｆｔｅｄｉｅｎｈｅｃｎｔｏｒｇａ．Ｔｈｏｅｕ — ｅｓｄｔｃｉｇｃｒｕｔｅｓｔｒｄＵｅｉｏｏｅｄｏｈｒｖｒａｄｔｏｒｌｐｏｒｍｅｐｗｒｓｐｐｔｙｔｍｅｉｅａｈａａｉｉｌｓｏｅｅａｉｇａｖｒｅｙｏＶＶｈｐｓ，ｄｔｃｉｇａｄｃｔｏｌｎａｈｌ — ｙｓｓｅｄｓｇｎｄｈｓｔｅｃｐｂｔｅｆｇｎｒｔｎａｉｔｆ％ａＣｓａｅｔｅｅｔｎｎｏｎｒｌｉｇｍｃｎｉｇｐｏｅｓｗｈｃｓｓｉａｅｆｒｍｉｒｎｒｃｓ、ｉｈｉｕｔｂｔｏｃｏＥＣＭＫｅｗｏｄｙｒｓｉ］ｒＣＭ，ｐｗｅｕｐｌＴｅｏＥｔｏｓｐｙ，ｐｒｃｓｅｅｔｎｒｏｅｓｄｔｃｉｇ，ｓｌａａｉｅｃｎｒｌｅｆｄｐｔｏｔｏｖ

【国家自然科学基金】_微细电化学加工_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801

推荐指数 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
科研热词高速旋转电解加工电化学加工电化学刻蚀激光加工溅射物气泡层模拟柱状电极机械制造自动化微细电解铣削微细电化学加工微细工具电极微细加工微三维结构工具阴极分层铣削再铸层
2008年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词铜衬底超声频振动纳秒脉冲电流电解电火花加工电化学钝化电化学加工田口方法理论模型激光加工抛光微结构加工微细阵列孔微细电 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
2011年科研热词铟场致发射电推力器超窄脉宽超短脉冲电压脉冲电源精微加工电流密度电极直径电化学铣削电化学腐蚀电化学加工柱状电极微细电解加工微细电极制备微细球状电极微细槽微电极微小型腔多阶发射针单脉冲放电加工定域性伏安特性推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
科研热词电化学加工复合加工铂黑脉冲电源脉冲激光结构化表面纳秒脉冲窄脉宽电化学刻蚀生物医学工程激光电化学激光冲击派瑞林植入式放电加工掩模微细加工微电极力学电化学效应 dds技术

微电解反应器设计

微电解反应器设计一、简介微电解反应器是一种新型的微流控系统，它可以在微米级别上进行电化学反应，具有高效、可控、精确和环保等优点。

本文将从设计原理、结构组成、工艺参数和应用领域四个方面详细介绍微电解反应器的设计。

二、设计原理微电解反应器的设计原理主要基于三个方面：电化学反应原理、微流控技术和微纳米加工技术。

首先，电化学反应原理是指当在电极表面施加外加电势时，产生了氧化还原反应，从而引起了溶液中物质的转化。

其次，微流控技术是指对于液体或气体等流体的操纵和控制，在微米级别上实现了液体混合、分离和输送等功能。

最后，微纳米加工技术是指利用光刻技术、薄膜沉积和离子束刻蚀等方法，在硅基底板上制造出具有特定形状和尺寸的微型结构。

三、结构组成微电解反应器主要由四部分组成：底板、通道层、顶板和导电层。

其中底板是由硅基材料制成，上面有微通道和微孔，通道层是在底板上加工出来的，由于其具有复杂的结构和精确的尺寸，因此需要采用光刻技术进行加工。

顶板也是由硅基材料制成，上面有微孔和导电线路。

导电层则是在顶板上加工而成的，可以实现电极与外部电源的连接。

四、工艺参数微电解反应器的设计需要考虑到许多因素，其中包括流速、电势、温度、pH值和反应物浓度等。

首先，流速是指液体在通道中流动的速度，其大小直接影响反应物质转化的效率。

其次，电势是指施加在电极表面的外加电压大小，在一定条件下可以控制反应物质转化过程中产生的氧化还原反应。

温度也是影响反应速率和选择性的重要因素之一。

pH值则是指溶液中氢离子浓度的大小，在一定条件下可以调节反应物质转化过程中产生的酸碱反应。

最后，反应物浓度也会对反应效果产生很大影响。

五、应用领域微电解反应器具有广泛的应用领域，例如：微流控药物筛选、生物传感器、环境监测、食品安全检测和化学分析等。

在微流控药物筛选方面，微电解反应器可以通过对药物分子的电化学性质进行研究，从而实现对药物的快速筛选和高效评估。

在生物传感器方面，微电解反应器可以通过对生物分子的电化学信号进行检测，从而实现对生命体征的监测和诊断。

超短脉冲微细电解加工电源及工艺试验

Ｖｏ．６ＮＯ．１３８Ａｕｓ２０８ｇｕｔ０
（ｔｒｌｃｎｅＥｉｏ）ＮａａＳｉｃｄｔｎｕｅｉ
文章编号：１０ —６Ｘ（０８０ —０５０００５５２０）８０７ —４
超短脉冲微细电解加工电源及工艺试验术
特别要求．
（）电流容量较小．据欧姆定律：３根
，ｏ／＝Ｕ＇ＡＡ（）２
效、稳定的纳秒级微细电解加工脉冲电源．本研究中提出一种新型的斩波式超短脉冲电解加工电源，其最窄脉宽可达１０ｓ大大改善微细电解的效果．０，ｎ
（）电源的输出波形为脉冲波，脉冲上升和１且下降沿应不超过最小脉宽的２％．频率－占空比０其厂、Ｄ、冲宽度ｔ是微细电解加工电源最重要的Fra bibliotek 数脉。
之一，者之间的关系为三
ｔ＝／。Ｄｆ（）１
对于微细电解加工电源，般希望其频率尽可能地一高，这也是微细电解加工电源的主要发展方向之一．（）电源输出的额定电压在１５～１．围２．００Ｖ范内连续可调（由连续可调变压器调节）峰值电压越．
小，加工的精度越高，实现微米级精度加工的电压一般在５Ｖ以下，压精度一般为 ±５，波系数无稳％纹
弱了散蚀能力，加工问隙大大降低，加工精度显著提高Ｊ国外研制的纳秒级脉冲电源已接近于投入实．

机械工程中的电化学加工技术研究报告

机械工程中的电化学加工技术研究报告研究报告摘要：本研究报告旨在探讨机械工程中的电化学加工技术，并对其原理、应用和未来发展进行综述。

首先介绍了电化学加工技术的基本概念和分类，然后分析了其在金属加工、微纳加工和生物医学领域的应用。

接着，对电化学加工技术的优势和挑战进行了评估，并提出了未来的研究方向和发展趋势。

本研究报告旨在为工程师和研究人员提供关于电化学加工技术的全面了解，以促进该领域的进一步发展。

1. 引言电化学加工技术是一种利用电化学原理进行材料加工和表面处理的方法。

它通过在电解液中施加电压，使金属材料发生电化学反应，从而实现加工和改善表面性能。

电化学加工技术具有非接触、高精度、低热影响和易于控制等优点，因此在许多领域得到了广泛应用。

2. 电化学加工技术的分类根据加工过程中电解液的性质和作用方式，电化学加工技术可以分为电解加工、电刷技术和电火花技术。

电解加工是通过在电解液中施加电压，使阳极材料溶解，阴极材料得到加工的方法。

电刷技术是通过在电解液中施加电压，利用刷子的摩擦作用进行材料去除和表面修整的方法。

电火花技术则是通过在电解液中施加高频脉冲电压，使电极表面发生电火花放电，从而实现材料去除和表面改性。

3. 电化学加工技术在金属加工中的应用电化学加工技术在金属加工中具有广泛的应用。

例如，在模具制造中，电解加工可以用于制造复杂形状的模具孔洞；在微细机械加工中，电刷技术可以用于制造微细结构和纳米孔洞；在表面处理中，电火花技术可以用于去除材料表面的氧化层和污染物。

4. 电化学加工技术在微纳加工中的应用随着微纳技术的发展，电化学加工技术在微纳加工中的应用也越来越重要。

例如，在微流控芯片制造中，电解加工可以用于制造微小通道和微阀门；在纳米加工中，电刷技术可以用于制造纳米结构和纳米线；在微电子器件制造中，电火花技术可以用于制造微小电极和电容器。

5. 电化学加工技术在生物医学中的应用电化学加工技术在生物医学领域的应用也日益增多。

一种新型窄脉宽脉冲电源的设计与实现

关键词：电化学加工；脉冲电源；窄脉宽；ＤＳ技术Ｄ
中图分类号：Ｐ９Ｔ２ＤＩ１．９３ｊｉｎ１０Ｏ：０３６／．ｓ．０７—１４２１．２０３ｓ４Ｘ．０２０．０
在航空航天、密仪器和生物医学等精密机精械加工领域，随着加工精度要求的提高，电化学微
面可以防止在加工过程中由于短路或者其他原因损坏前端电路部分，到信号隔离及滤波作用。起
６１７在应用中，了抗干扰，电源端需接０１Ｎ３为在．
的去耦电容；了限流，为还需在光耦的２脚与３脚之间串接一个４０Ｑ的电阻 …。７为了对脉冲整形，得到所需的超窄脉冲信号，利用６１７的上升沿较为缓慢的特点，其输出Ｎ３将信号通过后端脉冲整形芯片７Ｈ１，４Ｃ４经两次反相整形输出得到。由于７Ｈ１４Ｃ４为六反相施密特触
可以１．５。２为单位对相位步进调节。１
为方便频率调节，采用Ａｍｌｔｅ公司的５系列单１
片机Ａ８Ｓ１Ｔ９５控制Ａ９５产生频率可调的正弦波Ｄ８１
图３两级仃型ＬＣ低通滤波器的电路结构
信号。Ａ８Ｓ１Ｔ９５单片机内部为增强型的ＲＳＩＣ结构Ｄ，ＵＴ８ＥＤ７１３信号整形电路．具有每１Ｈ实现１ＩｓｚＭＭ／的数据处理能力，为方便为得到所需的超窄脉冲信号，需利用快速光耦使用，Ｔ９５还支持在线编程。Ａ８Ｓ１单片机与Ａ８Ｓ１Ｔ９５结合脉冲整形电路。将Ａ９５产生的５～１ｚＤ８１０ＭＨＡ９５Ｄ８１的连接示意图如图２所示。的正弦波信号，通过快速光耦及脉冲整形电路变换实现脉冲信号的超窄脉宽，宽最小可达１Ｓ并且脉宽和脉０Ｂ，

立式超声微细电解加工机床系统设计

1 绪论1.1电解加工技术概述1.1.1电解加工基本原理电解加工（Electrochemical Machining ，ECM ）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。

加工中，工件和工具阴极分别接直流电源正极和负极，工件和阴极间保持很小的加工间隙，一般在 0.1～1mm 范围内。

电解液从加工间隙中不断高速（6～30m/s ）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。

加工过程中工具阴极和工件阳极不接触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点。

因此自电解加工问世以来，就受到制造业的广泛重视，被应用于加工机械加工困难的整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难加工材料成分的零件，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应用。

随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。

电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图1-1所示。

此种加工技术要求被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。

加工时，工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为5～20V ，加工电流密度为20～200A/cm2。

工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小的加工间隙（0.1～0.8mm ），同时，使具有一定压力（0.5～2MPa ）的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解，电解产物被高速流动的电解液带走，从而将工件加工成型。

(a) 加工开始 (b) 加工终止图1-1 电解加工原理简图Figure1-1 Scheme of ECM1—电解加工电源；2—工具阴极；3—工件阳极；4—电解液根据法拉第第二定律，推导出电解加工中阳极工件成型规律的方程组，可写作：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∆==∆=-=R a R R U i v U i E U U ηωκηωκδ （1-1）上式中R U —间隙电解液中的欧姆压降（V ）；U —阴、阳极之间的电压（V ）；E δ—电解加工的阴、阳极电极电位值总和（V ）；i —电流密度（2/cm A ）；κ—电解液的电导率（cm ⋅Ω/1）；∆—电解加工间隙（cm ）；a v —工件的加工速度（s cm /）；η—电流效率；ω—被电解物质的体积电化学当量（s A cm ⋅/3）。

基于FPGA的纳秒级微细电解加工脉冲电源的研制

ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ．ＴｏｕｔｉｌｉｚｅＦＰＧＡｉｎｓｉｄｅｈｉｇｈ —ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｌｏｃｋｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌ，ａｃｑｕｉｒｅｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅｔｈｒｏｕｇｈａｍｐｌｉｆｙａｎｄｃｈｏｐｐｉｎｇ．Ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｈａｓｗｉｄｅｒａｎｇｅｔｏｒｅｇｕｌａｔｅ．Ｆｏｒｓｈｏｒｔ — ｃｉｒｃｕｉｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｉｎＦＰＧＡｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｇｎａｌａｎｄｏｕｔｐｕｔｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｓｉｇｎａ１．Ｗｈｅｎｅｍｐｌｏｙｅｄｔｈｉｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｓｏｎｉｃｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｖｅｒｉｉｅｆｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍｉｃｒｏｍａ（・ｈｉｎｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

微细电化学加工技术

第3卷第2期2005年6月纳　米　技　术　与　精　密　工　程Nanotechnology and Prec isi on Eng i n eer i n g Vol .3　No .2Jun .2005微细电化学加工技术3朱　荻,王明环,明平美,张朝阳(南京航空航天大学机电学院,南京210016)摘　要:开展了微细电化学加工技术的试验研究工作,内容包括微细电铸和微细电解加工.讨论了微细电化学加工的工艺特点和主要技术步骤.针对若干典型微结构,提出了相应的微细电化学加工方法和技术方案,采取了纳秒脉宽脉冲电流、电化学微铣削等手段,结合若干实例进行了加工试验,例如:微缝电解加工、微轴电解加工、微针尖电解加工及微齿轮模具模芯电铸成型等,获得了很好的试验结果.提出的加工方法在金属零件微制造方面有着重要的应用前景.关键词:微细加工;电化学制造;脉冲电流中图分类号:TG661 文献标识码:A 文章编号:167226030(2005)022*******M i cro Electrochem i ca l Fabr i ca ti onZ HU D i,WANG M ing 2huan,M I N G Ping 2mei,Z HANG Zhao 2yang(College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aer onauticsand A str onautics,Nanjing 210016,China )Abstract :This paper is focused on develop ing m icr o electr ochem ical fabrication p rocesses,including m icr o e 2lectrofor m ing and m icro electrochem ical machining .The p rincip le,advantage and so me i m portant issues of m i 2cro electrochem ical fabricati on p rocesses are discussed .For s ome ty p ical m icr ostructures,methods and techni 2cal r outes were suggested in m icr o electrochem ical fabrication by emp loying nanosecond 2width pulse current,and electrochem ical m icr omachining,etc .Several examp les of m icro electr ochem ical fabrication are intr oduced,such as m icro beaning,m icr o p ins and tip s,m icr o gear mould,etc .The p resented method has a potential ap 2p licati on in the m icr o part fabricati on .Keywords :m icro machining;electr ochem ical fabrication;pulse current 微细加工在许多工业领域中有着重要而广阔的应用前景,是当今最为活跃的研究领域之一.微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺,但发展至今其内涵已经大大拓宽,不局限于I C 工艺中的硅片刻蚀技术,L I G A 、L I G A 2L I KE 、微细电加工、微细束流加工及微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中的重要组成部分.微细加工任务不是由某一项技术独自完成的,而是由许多方法和技术所共同承担.这些方法各有所长,相辅相成,构成了微细加工技术群,承担着丰富多样的微细加工任务.就微型飞行器而言,在传感、控制和采集等单元部件上较多地采用微硅技术;而在推进、动力及执行等单元系统方面,涉及到微齿轮、传动轴、臂、机翼、尾舵、桨和减速器等的制造,则更多地依靠其它微细加工手段.微细加工目前主要涉及微米级的精度及结构,这是由已有的微细加工技术所具有的能力和工业需求所决定的.从发展的角度看,微细加工包括微米级加工和纳米级加工,或者说,微细加工技术正在向纳米尺度领域发展和延拓. 电化学制造技术是一种特种加工技术,目前在微细加工中已占有重要的位置.电化学制造技术按原理分为两类,一类是基于阴极沉积的增材制造技术———电铸(electr ofor m ing ),另一类是基于阳极溶解的减材3收稿日期:2005203224. 作者简介:朱　荻(1954— ),男,博士,教授.E 2mail:dzhu@nuaa .edu .cn .制造技术———电解加工(electr oche m ical machining ).电解加工和电铸的基本原理过程如图1所示.电解加工过程中,在工具阴极和工件阳极之间保持较小间隙,电解液在间隙中流过.在间隙上施加低压直流电,按照法拉第定律,工件阳极开始溶解.溶解产物被流动的电解液排出加工区.工具阴极向工件恒速进给,以保持加工间隙的恒定.随着加工过程的延续,工件阳极的形状将近似复制工具阴极的形状.电铸是电解加工的逆过程.它是利用金属离子在阴极上沉积来制造金属制品.在电铸过程中,电解液中的金属离子不断向阴极迁移,并沉积在阴极母模上,直到达到所需要的厚度.然后,沉积的金属层被机械剥离,经过必要的后续加工,获得所需的金属制品.电铸制品能够极其精确地复制母模的形状.(a )电解加工(b )电　铸图1　电化学制造技术原理电铸和电解加工这两种技术有一个共同点:无论是材料的减少还是增加,制造过程都是以离子的形式进行的.由于金属离子的尺寸非常微小,因此这种微去除方式使得电化学制造技术在微细制造领域具有重要的应用前景. 近些年来,德国、美国及韩国等工业发达国家对于微细电化学加工技术给予高度重视,进行了大量的研究,并取得了长足的进展.利用微细电化学加工技术,日本制造出了直径为数微米、高表面质量的轴;英国在高速转子上加工出了数十微米线宽、数微米深的储油槽;荷兰菲利浦公司实现了薄板上微孔、微缝的高效电解加工;美国I B M 公司对电子工业中微小零件进行微细电化学蚀刻加工[1～5].美国一研究机构通过可移动的微细电极(阳极)在空间缓慢移动,诱导金属离子按指定的方向电沉积生长,形成某种特殊的空间三维微细结构(例如微型金属螺旋线圈).德国K AR I SRUHE 研究所将微细电铸与光刻技术集成,发明了L I G A 技术,实现了高深宽比的金属微结构的制造.2000年,德国MPG 采用纳秒级超短脉宽脉冲电流技术,使得电化学溶解定域性突变性提高,从而实现了数十微米尺度的金属三维复杂型腔的微细加工[6].MPG 经过进一步研究,取得了新的进展,已经加工出100n m 宽的沟槽[7]. 本文主要针对目前工业生产和新品研发中存在的Mes o 2Scale (尺寸从几微米至几百微米)的微细结构,介绍笔者开展的研究工作,讨论采用电化学加工方法进行经济、高效的微细加工.1　微细电铸从原理上讲,如果不考虑芯模表面处理层、内应力变形及脱模变形等影响因素,电铸的复制精度可以达到纳米量级.目前,电铸已经在微细制造领域中得到了重要的应用.电铸是L I G A 技术中一个重要的不可替代的组成部分.在L I G A 过程中,电铸具有的微细复制能力得到了充分发挥. 笔者采取与L I G A 技术类似的过程,进行了微小金属零件制造的研究.主要工艺步骤包括光刻和电铸(如图2(a )所示).采用不锈钢片作为基底材料,在其上均匀涂覆感光胶,然后进行曝光和蚀刻等工艺步骤,在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层.将带有图案胶层的金属模版放入电铸槽内进行电沉积,金属离子在模版上衬底材料裸露处沉积,直至将其填满;然后将金属沉积物和感光胶层分离,得到的金属结构就是所需的微细零件.采用该方法制备的微型铜齿轮如图2(b )所示. 在微细电铸过程中,同时采用了高频脉冲电流和高速冲液的方法,使电沉积在电化学极化度较高的情况下进行,从而细化了晶粒,获得了致密的金属沉积层.另外,还试验了压力正负交变等措施,利用较强的压力扰动,及时排除阴极上的吸附气泡,消除了阴极吸附气泡造成的针孔和麻点等问题.采取了低应力工作液,并对过程参数进行优化,控制了沉积应力,避免了变形. 采取类似的工艺过程制造了某型航空发动机微型过滤网(孔径为100μm ,厚度为200μm )和系列微型小模数齿轮注塑模具型芯,齿轮模数在0.2～0.4(如图3所示).・251・纳　米　技　术　与　精　密　工　程第3卷　第2期　(a )工艺流程(b )制备的微型齿轮图2　准L I GA工艺流程和制备的微型齿轮图3　制造的微型齿轮注塑模具型芯和生产出的齿轮2　微细电解加工理论和试验研究表明,脉冲电解加工可以显著地改进电解加工过程,是实现微细电解加工的重要措施.在脉冲电解加工中,电解液的间断及周期性的更新,使得间隙中的电解产物(溶解的金属、析出的氢气及产生的焦耳热)得到及时排除,因而可以在比传统直流更高的电流密度和更小的加工间隙下进行加工.高的电流密度使表面加工质量亦随之提高,而小间隙可以显著改善加工精度.脉冲电解加工系统的基本构成如图4所示.图4　脉冲电解加工系统示意本文在脉冲电解加工的基础上,采取了工具往复运动方式,具体过程如图5所示.在每一个加工周期中,先施加一个对刀电压(1V 左右的低电压),工具电极进给至工件阳极,进行零位对刀(短路对刀);然后工具电极回退,使间隙至所需要的数值,施加相对较高的加工电压(5～20V )进行加工;加工后切断加工电压,工具电极回退到较大间隙,进行充分的电解液冲刷以排出加工产物.这种周期往复运动的方式改善了加工的稳定性且保证了加工过程的重复性,这对于处于小加工间隙情况下的微细电解加工是非常重要的.图5　带有工具周期往复运动的脉冲电流电解加工以上措施为实现微细加工提供了保障.加工出的电动剃须刀网罩样件如图6所示,其材料为1Cr18N i9Ti,90个宽0.28mm 深0.8mm 的窄缝同时加工,加工时间为100s .虽然0.28mm 的尺度并不算很微小,但是相比其它加工工艺,所达到的加工效率、表面加工质量及窄缝侧壁的垂直性则具有明显的优势,而且没有工具损耗,因此非常适合于电动剃须刀网罩这一类大批量生产的产品.实际上,这项技术在缩小槽宽方面仍有很大的潜力. 采用超短脉宽脉冲电流,可以显著提高加工的定域性,有利于微细加工.将超短(纳秒)脉冲电流、低浓・351・　2005年6月朱　荻等:微细电化学加工技术度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合,可以实现微米级精度的加工.图7为镍板上加工出的复杂几何轮廓的SE M 照片.采用微棒状电极仿造数控铣削方式进行电解加工.钨材料棒状电极直径为15μm;脉冲参数中,脉宽为50ns,周期为500ns,电压为4V.加工出边长为80μm 、中部有25μm ×35μm 矩形凸起的型腔.由图中可以看出,型腔有清晰的轮廓,边缘部位无明显杂散腐蚀,侧壁垂直度较好.图6　微细电解加工样件图7　微小孔的SE M 照片合理利用电解产物引起的电场分布情况变化,可以制造出扫描探针显微镜(AF M )针尖和微细电火花及微细冲压加工所需的微细棒状工具.电解加工微细轴的试验系统和局部示意如图8所示.试验初始阶段,工件尖端电荷高度集中,故尖端溶解速度相比其它部位要快,形状有趋于“尖锥”状的趋势.随着反应的进行,钨丝周围聚集着溶解的WO 42-离子,WO 42-离子在重力作用下会沿着工件向下移动,在工件周围形成上小下大的包裹状结构,导致上部的溶解速度大于下部的溶解速度,这样工件就有被溶解成上小下大的“纺锤”状结构的趋势.对试验参数进行合理控制,利用工件在溶解过程中趋于“尖锥”状和趋于“纺锤”状的作用,可以根据需求制备出微针尖或直径均匀的微细轴.(a )测试系统示意(b )局部示意图8　微细轴电化学加工原理采用该方法加工出的微细轴和微针尖分别如图9和图10所示,材料为钨. (a )微阶梯轴(右端长为1180μm,直径为6μm,初始直径为300μm,加工时间为20m in )(b )微细轴(前端直径为3μm )图9　制备出的微棒・451・纳　米　技　术　与　精　密　工　程第3卷　第2期　图10　制造出的微针尖3　结　语本文概要介绍了笔者在微细电化学加工方面的一些研究结果. 微细加工是高度交叉的综合性学科,它涉及到许多新概念、新技术和新思维,交叉融合了多学科知识.微细制造科学技术领域目前还存在着许多未知,需要人们去探索、了解、掌握、发明和创造.微细制造的新概念、新技术及新工艺将不断出现,在航空、航天、电子、信息、微机械、生物及医疗等领域的应用会愈来愈深入和广泛.参考文献:[1]　M cGeough J A,Leu M,Rajurkar K,et al.Electr of or m ingp r ocess and app licati on t o m icr o/macr o manufacturing[J].A nnals of the C I R P,2001,50(2):499—514.[2]　Rajukar K P,Zhu D i,M cGeough J A,et al.Ne w devel op2ments of electr oche m ical machining[J].A nnals of theC IRP,48(2):567—569.[3]　Datta M,Landolt D.Funda mental as pects and app licati onsof electr oche m ical m icr o2fabricati on[J].Electroche m ica A c2ta,2000,45:2535—2558.[4]　L i m Y M,Ki m S H.An electr oche m ical fabricati on methodf or extre mely thin cylindrical m icr op in[J].InternationalJournal of M achine Tools&M anufacture,2001,41:2287—2296.[5]　Ekvall I,W ahlstr om I,Claess on D,et al.Preparati on andcharacterizati on of electr oche m ically etched W ti p s f or ST M[J].M easure m ent Science and Technology,1999,10:11—18.[6]　Schuster R,Kirchner V,A ll ongue P,et al.Electr oche m icalm icr omachining[J].Science,2000,289:98—101.[7]　KockM,Kirchner V,Schuster R.Electr ochem icalm icr oma2chining with ultrashort voltage pulses2versatile method withlithographical p recisi on[J].Electrochi m ica A cta,2003,48:3213—3219.・551・　2005年6月朱　荻等:微细电化学加工技术。

基于CPLD的多功能微细电加工电源的研制

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ — ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＢａｓｅｄｏｎＣＰＬＤ
ｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｕｎｉｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．ＡｎｄｔｈｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｍｉｃｒｏＥＤＭａｎｄＥＣＭｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｍｉｃｒｏＥＤＭａｎｄＥＣＭｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｈｅｐｕｌｓｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＰＬＤ；ｍｉｃｒｏＥＤＭ；ｍｉｃｒｏＥＣＭ；ｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ
工，又能用于微细电化学加工。微细电火花加工电
很大提高。独立式脉冲电源具有脉冲放电不受电
《电加工与模具》２０１３年第２期
设计・研究
基于ＣＰＬＤ的多功能微细电加工电源的研制
樊友文，褚旭阳，陆连强，刘刚，洪永强
（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）
摘要：为了解决微能脉冲电源发展中遇到的功能单一、集成度不高等问题，设计了多功能微细电加工脉冲电源。以单片机和ＣＰＬＤ作为微控制器，利用模块化的方法对关键模块进行设计，并运用Ｑｕａｒｔｕｓ软件对高频脉冲发生单元进行仿真，得到微细电火花和微细电化学的脉冲波形，通过对

微细槽的电化学铣削加工

微细槽的电化学铣削加工陈辉;王玉魁;王振龙;赵万生【摘要】In order to study the electrochemical milling technique for stainless micro slot， short pulse voltage electrochemical machining technology similar to milling was applied, and a micro rotated cylindrical electrode was used as the cathode in electrochemical machining of the micro slot. The effect of the pulse on time on the electrode and the side gap of micro slot was investigated, and the electrical and flow fields in milling of the micro slot were analyzed. Experimental results show that，with the same pulse amplitude and mean voltage, the larger the pulse on time, the larger the side gap. Analysis of electrical and flow fields indicates that the side gap and slope of the micro slot decreased with the decreaseof pulse on time and the increase of feed speed. When the pulse on time was less than the charge time constant of work piece double capacitance layer and passivation electrolyte was used， the electrochemical stray corrosion and micro slot side slope could be decreased. With the pulse on time of 0.4 μs and feed speed of 24 μm/min, the micro slot side slope is very small, and the side gap could reach 10 μm. Experimental results indicate that the machining accuracy of micro slot can be raised when ultra short pulse electrochemical milling and the suitable electrolyte are applied.%为了研究不锈钢微细槽的电化学铣削加工技术,使用微细的、旋转的圆柱电极作为电化学加工的阴极,采用脉冲电压电化学加工技术用类似铣削加工的方法加工微细槽.研究了脉冲宽度对电极和微细槽侧面加工间隙的影响,并对微细槽铣削加工过程中的电场和流场进行了分析.在相同的电压幅值和平均电压条件下,脉冲宽度越大,侧面加工间隙越大.电场和流场分析表明,微细槽的侧面加工间隙和侧面倾斜度随着脉冲宽度的减小以及进给速度的增加而减小.当脉冲宽度小于工件表面双电层充电时间常数时,采用钝化电解液能够减小电化学杂散腐蚀和微细槽的侧面倾斜度.当脉冲宽度为0.4 μs、进给速度为24 μm/min时,微细槽的侧面倾斜度很小,侧面加工间隙达到10 μm.实验结果表明,采用超短脉冲电化学铣削加工方法和合适的电解液,能够提高微细槽的加工精度.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2011(009)001【总页数】6页(P83-88)【关键词】电化学铣削;微细槽;微小型腔;超短脉冲电压【作者】陈辉;王玉魁;王振龙;赵万生【作者单位】哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海,200240;哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001;上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TG662机械零件的小型化是当前制造领域的研究热点，在生物医药、精密仪器和传感器制造等领域有着广阔的应用前景和重要的研究意义.各种材料，如半导体、金属、聚合物的微细加工技术随之得到发展[1].电化学加工的特点是金属以离子形式去除或生成，对材料的破坏小，几乎没有切削力，很适合金属材料的微细加工.但是由于电化学加工存在杂散腐蚀，因此加工精度较差.传统的电解加工一般采用直流电源，后来发展出脉冲电源加工.为了减小杂散腐蚀，电解加工一般采用掩膜的方法或者电极绝缘的方法[2-3].Schuster等[4]和Kirchiner等[5]采用纳秒超短脉冲电源，可以把工件上的电化学反应限制在几微米的范围内，为电化学微细加工金属材料奠定了基础.但是加工不锈钢时需要采用盐酸和氢氟酸溶液，Kim等[6]采用稀硫酸溶液也取得了比较好的效果.目前电化学微细加工一般采用硫酸、盐酸、高氯酸等酸性溶液.在加工不锈钢时，有的还需要添加氢氟酸这类有毒物质.这些酸和有毒物质对实验设备防腐要求高，操作人员也需要更加小心.本文探索采用添加络合物的常规电解液作为微细加工的电解液，它是一种没有腐蚀性和毒性的添加剂，可减少对设备的损坏和对人员造成的伤害.1 电化学微细铣削实验原理与设备1.1 电化学铣削原理传统的电化学加工由于杂散腐蚀的影响，不能采用铣削的方法进行加工.德国的Schuster等[4]提出了利用超短脉冲电压加工技术，可以把工件上的电化学反应限制在亚微米级的范围内.通过这种技术，工具电极的形状能够以很高的精度复制到工件上，这种技术为电化学铣削加工技术奠定了基础[7-8].纳秒脉冲电化学加工使电化学的加工精度得到很大提高，同时也有它的局限性.例如，对于不同的材料，需要不同的电解液.以不锈钢中的主要成分铁为例，电化学加工的阳极反应可以用式(1)和式(2)表示，阴极反应可以用式(3)表示.工件阳极被加工后生成的产物是Fe(OH)2，同时在阴极即工具电极的表面生成氢气.Fe(OH)2不溶于水，并附着在工件和电极表面，它会阻碍电化学反应的进行.因此，目前不锈钢的微细电化学加工主要选择酸类电解液，如盐酸、硫酸等，用于溶解阳极生成的氢氧化物.这些腐蚀性电解液给加工设备和人员带来了一定危害.因此，本实验中采用没有腐蚀性的NaClO3和EDTA水溶液作为电解液.NaClO3水溶液是一种常用的电解加工铁基合金的电解液.它是一种钝化电解液，电解的效率随电流密度的减小而降低，能够减小加工间隙.EDTA是一种金属离子络合剂，能和碱金属、稀土元素和过渡金属等形成稳定的水溶性络合物.实验中选择了304不锈钢(0Cr18Ni9)作为工件，它被广泛地用于制作具有良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件.选择这种不锈钢是因为它的应用范围广，碳、硫、磷等不溶解物质含量少，适用于微细加工.(1)(2)(3)1.2 实验设备及条件实验中所采用的加工系统建立在一套微细电火花三维加工机床之上.微细电化学加工装置由微细三轴加工平台、电解池、脉冲电源、示波器、工控机及驱动器构成.电解加工的工具电极即阴极安装在z轴上，工件安装在x-y平面上.微细三轴加工平台的运动精度为0.1 μm.脉冲电源能够输出3～15 V、最小脉宽200 ns的矩形方波脉冲电压.示波器用来观察和记录加工过程中电流和电压的变化情况.2 电化学加工实验2.1 微细槽的加工微细槽的加工在MEMS器件上有广泛的应用，例如微流控芯片.微流控芯片主要应用在分析化学和分析生物化学方面.其中的微管道网络即微细槽是芯片的主要结构.金属材料的微流控芯片上的微细槽一般采用掩膜的微区电化学加工方法.这种加工方法能加工出复杂的平面结构，但是加工过程中需要涂胶、光刻、显影等工序，并且随着加工深度的增加，侧面倾斜度增加.传统的电化学铣削加工需要对电极侧面做绝缘处理，用电极的端面加工.实验采用未绝缘的圆柱电极，在工件上加工微细槽结构.加工槽结构时可以采用两种加工方法，分层铣削和侧面直接铣削加工的方法.在加工较深的槽时，分层铣削是常用的做法.但是由于电化学加工时杂散腐蚀的存在，槽的横截面会形成上宽下窄的梯形结构.为了加工出侧壁垂直的槽，减小电化学加工杂散腐蚀的影响，选择侧面直接铣削加工的方法.加工过程如图1所示.图1 微细槽电化学铣削示意工具电极采用的是50 μm的钨电极，初始加工间隙为20 μm，加工电压为7 V，脉冲宽度400 ns，频率1 MHz.分两步加工：①采用类似钻削的方法向下加工80 μm深，加工速度为0.2 μm/s；②用电极的侧面采用侧面铣削的方法加工出300 μm长的微小槽，加工速度为0.4 μm/s.加工出的微细槽如图2所示.加工起始点在图的上部，即钻削加工的部位，槽的宽度为80 μm.加工一段距离后，槽的宽度逐渐减小.在加工110 μm后，最终槽的宽度稳定在70 μm.图2 电化学铣削微细槽的SEM照片2.2 脉冲宽度对微细槽加工间隙的影响微细槽的形状精度主要包括底面加工间隙、侧面加工间隙以及侧面的垂直度，其中侧面加工间隙比较重要.图3是在不同的脉冲宽度下加工的一组微细槽的照片.实验所用的电极直径为60 μm，电源电压6 V，脉冲的占空比均为1∶2，电解液为3%NaClO3和1%EDTA 水溶液，电极进给速度为18 μm/min，加工的长度为0.3 mm.实验所用的脉冲宽度从左到右分别为6.4 μs、1.6 μs、0.4 μs，加工的槽的宽度分别为170 μm、120 μm、88 μm.从图3可以看出，在平均电压相同的情况下，即相同的能量下，脉冲宽度越小，微细槽的侧面加工间隙越小.随着脉冲宽度的增大，微细槽的侧面加工间隙越大.图3 不同脉冲宽度下加工的微细槽的照片2.3 微小型腔的加工通过电化学铣削的加工方法还能加工出微小的型腔结构.工具电极采用的是100 μm的圆柱电极.加工起始点在工件的边缘，初始加工间隙为20 μm，加工深度为200 μm.用侧面铣削的方法，电极沿着边长为200 μm的四边形轨迹运动.加工出的微小型腔结构如图4所示.型腔的槽宽为120 μm，中间的长方体边长为80 μm.图4 电化学铣削加工的微小型腔SEM照片3 实验分析3.1 电场分析电化学铣削加工的轮廓可以用图5表示，图5(a)和图5(b)分别描述了加工过程中槽的顶部轮廓和截面轮廓.b0为底面加工间隙，s0和s1为侧面加工间隙，为初始侧面加工间隙，β为氢气体积含量，x为加工深度.侧壁的倾斜度可以用公式(s0-s1)/x表示.由法拉第定律可知，电化学加工时，工件溶解的量与通过的电量成比例，而溶解速度由电流密度决定.电流密度与溶液的电导率、加工电压和加工间隙有关.电流密度的表达式为(4)式中：κ为溶液的电导率；U为加工电压；Upol为极化电压；s为加工间隙.极化电压是加工产生的额外电压，它会降低电化学加工速度[9-10].在不考虑极化电压和加工产物(即认为加工区的电导率是一致的)的情况下，电化学加工区的电流密度分布如图6所示.图5 电化学铣削加工轮廓图6 加工区的电流密度分布从图6可以看出，电流密度在加工区分布是不均匀的.槽的顶部E和F指示的区域是加工区电流密度最大的区域，溶解速度最快.槽的底部G和H指示的区域是加工区电流密度最小的区域，溶解速度最慢，使侧壁的倾斜度增大.因此，随着加工进入到稳定状态，槽的截面轮廓会变成顶部宽、底部窄的形状.图6中的AB和CD两条直线连接的是槽的顶部和侧壁中某一个电流密度相等的区域，可以认为这是加工达到稳态时的侧壁截面形状.因此，电化学铣削在稳态下的电流会使加工区上部加工间隙比下部加工间隙大.同时，槽的底部电流密度分布也不均匀.在底部中心区的电流密度大，侧壁与底部的连接处电流密度最小.连接槽底部某一个电流密度相等的区域会形成一个凹形的曲面，如图6中的曲线BC所示，此即底部的加工轮廓. 以上是稳态时的电场分布，当电源脉冲宽度较小时，双电层电容对电场的影响不能忽略.图7是计算双电层影响时，槽的侧面加工间隙等效电路.图中Cd为电极表面的双电层电容，R1和R2为电流路径上的等效电阻，Uc1和Uc2为工件表面双电层的电压.图7 电化学铣削加工间隙等效电路由于电流路径上有电容和电阻，它的充电时间常数是其电容和电阻的乘积.电阻与侧面间隙的大小成正比，所以R1大于R2，R1电路的充电时间常数大于R2电路的充电时间常数.因此，R2电路的电容比R1电路的电容能够在较短的时间内上升到稳态电压.工件表面双电层电压可以表示为(5)式中：ρ为溶液的电阻率； Cd为电极表面的双电层电容.假设U=5 V，ρ=30 Ω·cm，Cd=15 μF/cm2，R1电路的加工间隙为5 μm，R2电路的加工间隙为2 μm.通过式(5)可以得到电极表面双电层电压Uc1、Uc2与脉冲时间的关系如图8所示，可以看出Uc1的增长速度大于Uc2的增长速度.从式(4)可知，电化学电流与电压成正比，而电压与充电时间常数之间为指数关系.因此，当脉冲宽度足够小时，电化学电流与加工间隙为指数关系.此外，由于使用的是钝化电解液，电流密度小的区域电解效率更低.由此可知，在电源电压和占空比相同的情况下，脉冲宽度越小，槽的侧面加工间隙越小.图8 双电层电压Uc1、Uc2与脉冲时间的关系曲线普通电化学加工为了减小加工间隙，一般采用较高的加工速度，即电极进给速度.图9给出了不同的脉冲宽度和加工速度对侧面加工间隙的影响.实验选择了3组加工速度，电源电压6 V，脉冲的占空比均为1∶2，电解液为3%NaClO3和1%EDTA水溶液.结果表明，随着加工速度的提高，侧面加工间隙不断减小.但是加工速度不能太快，例如当脉冲宽度为0.4 μs时，加工速度为24 μm/min，这时电化学去除的速度比加工速度小，加工过程中频繁发生短路现象，结果加工出来的微细槽宽度不一致，这时候需要降低加工速度.因此，采用较小的脉冲宽度和较快的加工速度能减小侧面加工间隙.图9 加工速度和脉冲宽度对侧面加工间隙的影响从上面的分析可以知道，超短脉冲电压不但使侧面加工间隙减小，还能减小侧面的倾斜度.图10是在不同的脉冲宽度下加工的微细槽的截面轮廓图.电极的直径为80 μm，加工深度为0.2 mm.图10(a)中槽的脉冲宽度为3.2 μs，图10(b)中槽的脉冲宽度为0.4 μs，其余加工参数相同.可以看出，脉冲宽度对槽的侧面垂直度有很大影响.脉冲宽度为3.2 μs时，槽的侧面倾斜度很大，槽的表面宽度为170 μm，底部宽度为120 μm，侧面的倾斜度为0.25.图10(b)中槽的表面宽度和底部宽度几乎相等，倾斜度很小.所以脉冲宽度越小，槽的侧面倾斜度越小.图10 不同脉冲宽度下加工的微细槽的截面轮廓3.2 流场分析普通的电化学加工是通过冲液把加工产物从加工间隙中排出.而微细槽的加工间隙只有10 μm，所以电解液的流动对加工区的影响很小，加工区的产物主要靠络合剂的络合作用和产物浓度的扩散作用从加工区排出.如果没有络合剂，只依靠扩散作用产物无法排出，加工中会频繁地短路，甚至无法加工.因此，微细槽加工过程中可以认为加工区的电解液是静止的.在没有电解液流动的情况下，阴极产物氢气在加工区的分布可以近似表示为β(x)=αx(6)式中：α为一个假定的比例常数；x为加工深度.由于氢气的分布不均匀，加工区电解液的电导率不是一个常数，而是沿深度方向变化的.其电导率是深度x的函数，可以近似表示为κ(x)=κ0[1-β(x)](7)式中κ0为电解液原来的电导率.将式(7)代入式(4)，可以得到(8)由式(8)可以看出，氢气含量的增加会导致电导率和电流密度的减小.氢气体积含量随着加工深度的增加而减小，电极底部氢气含量最少，所以对电导率和电流密度的影响最小.加工间隙出口处的氢气体积含量最高，对电导率和电流密度的影响最大.因此，氢气含量的这种分布特征减小了加工区侧壁的倾斜度，这也是实际加工出的槽侧壁倾斜度很小的一个原因.4 结语本文采用电化学铣削的方法加工微细槽和微小型腔结构.通过对电化学加工过程中的电场和流场分析，可以看出在稳态电场的作用下，槽侧壁倾斜度增加，槽的底部电流密度不均匀，中心电流密度高，两边电流密度小，因此形成凹形的曲面.超短脉冲电压和钝化电解液则使得侧面加工间隙和倾斜度减小.微细槽的加工间隙很小，冲液对流场的影响较小，而络合剂的使用避免了加工产物造成的短路.实验表明，电化学铣削的侧壁倾斜度小，选择合适的加工参数可以使侧面加工间隙控制在10 μm左右.【相关文献】[1] Forster R, Schoth A, Menz W. 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微细电化学加工电源的设计与研究清华大学杨光郑云飞李勇摘要加工电源的频率、波形等输出特性在很大程度上影响微细电化学加工的效果。

本文提出的微细电化学加工电源系统包括硬件和软件两个模块,其中硬件模块包括计算机、接口电路、功率放大电路和信号检测电路;软件模块包括驱动程序和控制程序。

该电源系统可产生多种波形,且能实现对加工过程的自适应控制,从而满足微细电化学加工工艺研究的需求。

关键词微细电化学加工加工电源状态检测自适应控制Abstract The frequency,w ave shape and the related properties of the pow er supply have g reat effect on micro ECM process.This paper presents a power supply system for m icro ECM,including the hardware and the softw are.T he hardw are module is composed of a computer,an interface circuit,a power amplifier,and a pro cess detecting circuit.The softw are module is composed of the driver and the control prog ram.T he power sup ply system desig ned has the capabilities of generating a variety of w ave shapes,detecting and controlling machin ing process,w hich is suitable for micro ECM.Keywords micro ECM,pow er supply,process detecting,self adaptive control1 前言电化学加工电源是电化学加工的核心部件之一。

在电解加工生产中,大多采用直流电源。

早期采用的直流发电机组,占地面积大,噪声大,效率低,稳压差。

大功率硅二极管电源的出现,由于其可靠性、稳定性好,效率高,功率因数高,因此逐渐取代了直流发电机组。

其后,随着对电化学加工精度和表面质量要求的提高,逐渐出现了脉冲电化学加工电源,其发展方向为大电流输出,提高脉冲频率,增强电源的可靠性和稳定性。

现已出现的脉冲电化学加工电源主要有SCR斩波、GT O斩波和MOSFET斩波三种类型[1]。

随着电化学加工应用于微细加工的尝试,对其电源的频率、波形等输出特性提出了特殊的要求[1~3]。

一方面由于加工工件的微小化,使微细电化学加工电源的功率范围较普通电化学加工电源小,因此加工电源将进一步小型化;另一方面由于微细电化学加工在加工精度和加工表面质量方面较普通的电化学加工有更高的要求,为了保证较高的加工精度和表面质量,微细电化学加工电源应具有更宽的频率调节范围、更精确的可调电压以及方便地产生多种加工波形的特性。

收稿日期:2001-10-15本文提出的微细电化学加工电源除具有以上的特性外,还将其与微细电铸加工电源集成于一体,在各种参数上同时满足两种微细电化学加工的要求。

而且,所设计的微细电化学加工电源,将信号发生与加工状态(加工电流和加工电压)的检测[4]集成于一体,为实现加工过程的自动化控制提供了便利条件。

2 电源的组成及软硬件实现2.1 电源的硬件设计微细电化学加工电源的系统构成如图1所示。

计算机通过驱动D/A将软件设定的加工电压转换为相应的模拟量,然后再通过增益放大将电压信号的幅值进行放大,使其达到加工要求的电压值,放大过幅值的电压信号又经过功率放大环节对其功率进行放大,并输出于加工电极和工件之上。

加工过程中的电压信号通过电平调整经A/D转换之后输入计算机,电流信号通过采样电阻获取,然后再经过电流放大环节放大,最后通过A/D转换之后输入计算机进行处理。

其中与计算机的接口A/D和D/A模块是使用ISA总线的接口卡,A/D转换的最高采样频率为100kHz,此频率可以满足对微细电化学加工中的电流和电压信号的实时检测的要求,为进一步对加工过程的控制提供了有效的保证;D/A转换的25频率可达1MH z,为微细电化学加工所要求的高频率、窄脉冲信号的实现提供了硬件基础。

图1 微细电化学加工电源系统框图增益放大环节一方面对D/A 转换之后的电压信号进行调理,使其能够满足后一级功放环节输入电压的要求;另外一方面还对D/A 转换之后的电压信号进行调节以达到满足加工电压幅值的目的。

在功率放大环节中,功率放大器采用线性功率放大芯片OPA548实现。

该芯片具有较高的输出电流,最大连续输出电流可达3A,最大峰值电流可达5A,增益带宽为1MH z 。

而且该芯片具有过热保护功能,当检测到芯片的温度高于160#时就会自动切断输出,防止芯片由于过热而被烧毁;另外,该功放芯片还可以调节输出的极限电流,方便设置加工过程中的最大短路电流,以防止在加工过程中因短路而造成对电路其他部分的损害。

为了尽量使功率放大环节只对信号的功率进行放大而对信号的幅值没有影响,功率放大环节的增益值取1,以利于加工电压的幅值完全由计算机软件和前面的增益放大环节控制。

电源系统提取反映加工状态的电流和电压信号。

通过采样电阻将加工电流信号取出,由电流放大电路将采样电流放大到合适的幅值,再由A/D 转换进行采样并转换为计算机能处理的数字信号,最后通过软件对数据进行处理并对加工过程进行相应的控制。

同样,将加工电压通过电平调整和滤波,然后经A/D 转换对电压信号进行采样,并将其转换为数字量之后由计算机进行处理。

为方便使用,考虑到没有计算机也同样能够产生可进行加工的电源输出信号,设计了与信号发生器的接口。

用户只需拨动面板上的开关就可以方便地实现从计算机到信号发生器的切换。

2.2 电源的软件设计电源的主控计算机通过驱动程序产生加工所需的波形,通过控制程序采集并处理反映加工状态的参数且对加工过程进行控制。

驱动程序中波形发生界面如图2所示,其中,绘图区是驱动程序中的显示部分,用于显示所要发出波形的一个周期;在控制区上可以完成对绘图区图形的基本操作;主菜单用于实现关于显示、绘图区设置、文件存档等功能。

图2 电源驱动程序界面驱动程序有三种发送波形的方法。

一是通过界面上的画图功能自己完成波形的绘制。

在每两条实线分割线之间可以任意画出水平线或斜线,最终绘图区中的图形就是所发送波形的一个周期。

二是使用发送程序中提供的波形,本驱动程序中提供了两种典型波形:方波和正弦波。

典型波形与控制区上的移动控制相结合,就可以发出比较复杂的波形。

例如,正负脉冲交替的波形或是幅度、脉宽不均匀的波形。

三是读取波形文件,将文件中的数据转换成波形。

波形文件可以在驱动程序之外进行编写,使用者只需按照指定的格式在文件中写入数据即可。

图3所示为驱动程序发出的脉冲波形(方波),幅值为5V ,脉冲频率为1kHz 。

图4为用此脉冲图3 从驱动程序发出的波形26图4 实际加工时的电流波形信号进行加工时测得的实际电流波形,从图4中可以看到加工时产生的反向电流。

3 性能参数和加工实验微细电化学加工电源参数如下表所示。

微细电化学加工电源参数属性参数输入电压范围0~10V输出电压范围-12~+12V输出电流范围0~3A采样电压范围单极性双极性0~30V-15~+15V采样电流范围单极性双极性0~2.12A-1.06~+1.06A采样频率100kHz电压放大倍数0~2倍通过电源可以完成不同材料和形状的电极在不同加工波形时加工特性的测定,比较在不同的加工波形、加工电压以及不同的加工电极时的加工状况与加工结果,从而为微细电化学加工及其过程控制提供基础数据的支持。

实验测得的以1kH z方波为电源波形,阴极、阳极均为铜时的加工间隙和加工电流的特性曲线如图5所示。

从图5中可以看出,阴阳两极接触时系统处于短路状态。

当工具电极稍微移动离开工件一定距离时,阴阳两极的电压基本为截止电压,此时阴极表面偶尔有小气泡溢出,这时加工处于截止区。

然后,电流陡然下降,电解加工开始,随着加工间隙的增大,加工电流有降低的趋势,这个区域称之为加工间隙敏感区。

随着加工间隙继续增加,加工电流基本保持不变,进入了电流恒定区。

由图5可知,为了提高加工精度和效率,使用尽量小的加工间隙为益。

然而加工间隙太小易导致短路或使加工处于截止区而不能进行正常的加工。

因此,如果使加工处于加工距离敏感区则既可以满足正常加工的要求,又使加工的间隙尽量小,并且容易控制,从而有利于微细加工的实现。

图5 加工特性曲线大多数电极和电解液都有类似于图5的加工特性曲线,利用此曲线提供的参数对加工状态进行识别可达到对加工过程的控制,基于图5所示的加工特性,设计了如图6所示的控制程序。

图6 自适应控制流程图首先进行加工参数设置和电极定位。

开始加工后,工具电极向工件进给,同时进行加工电流的采样,通过采样得到的电流值判断此时的加工状态,如果加工电流大于或等于设定的短路电流,则表示已经短路,使工具回退;反之则判断是不是小于或等于断路电流,如果不是,工具电极继续以正常加工的速度进给,反之则加速进给;然后再判断是否有手动结束的指令,如果有则加工结束,没有则继续进行采样,重复以上的流程直到加工结束。

这样实现的加工过27电火花磨削伺服控制的研究中国农业大学张桂香信世强清华大学傅水根戴向国左晶摘要分析了电火花磨削特性及伺服控制基本原理,研制了旋转电火花加工机床伺服控制系统,解决了电火花磨削过程中的自动调节进给问题,避免了短路和拉弧现象,提高了电火花加工效率。

关键词电火花磨削伺服进给放电间隙Abstract Servo system of rotary EDM tool is studied based on analysis about the characteristics of Elec tric Discharge Grinding(EDG)and the theory of servo control.New system solves the problem of automatic feed in EDG and it can avoid phenomena of short circuit and arc discharg ing,as w ell as improve the machining effi ciency.Keywords EDG,servo feed,discharge gap1 引言电火花磨削是近20年发展起来的一种新兴的特种加工方法,因其独特的优点和在小直径聚晶金刚石麻花钻头加工中特殊的加工工艺,使其在各种刀具加工、麻花钻头的加工中起着举足轻重的作用。