微细电化学加工技术
先进制造—微细电火花加工技术
微机械和微制造的基础——微细电火花加工技术摘要：作为一种实用的微细加工技术，微细电火花加工在加工微细轴、微小孔等小尺度的零件时具有独特的优越性。
本文简略地介绍了微细电火花加工技术的原理，分析了微细电火花加工的特点和优点，研究了微细电火花加工的关键技术，并详细介绍了一种微细电火花加工装置及其应用。
关键词：微细电火花加工原理特点关键技术装置应用0.引言微细加工技术是先进制造技术的重要组成部分，是实现微机械产品的最基本技术，不仅直接影响着尖端技术和国防工业的发展，而且还影响到机械产品的加工精度和加工表面质量，影响产品的国际竞争力。
目前，世界各国都非常重视微细加工技术，将其作为发展先进制造技术中的优先发展内容。
作为微细加工技术的一个重要分支，微细电火花加工技术因其具有设备简单、可控性好、无切削力、适用性强等一系列优点，在微小尺度零件的加工中获得大量应用，受到国内外学者的广泛关注。
1.微细电火花加工的原理及特点1.1微细电火花加工原理电火花加工(Electrical Discharge Machining)是指在绝缘介质中，通过工具电极和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现象对工件材料进行蚀出，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求的一种加工方法。
微细电火花加工(micro Electro Discharge Machining，简称micro-EDM)的原理与普通电火花加工并无本质区别。
电火花加工中电极材料的蚀除过程是火花放电时的电场力、磁力、热力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程。
当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，极间介质被击穿并形成一个极为细小的放电通道。
放电通道是由数量大体相等的带正电粒子(正离子)和带负电粒子(电子)以及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体。
在极间电场作用下，通道中的正离子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量的热;同时，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达℃以上。
纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验_张朝阳
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
微细电化学加工的自适应进给控制系统
微细电化学加工的自适应进给控制系统微细加工技术（MPT）是一种高精度、高效的制造技术，应用于制造微小尺寸的零部件、光学元件、机械元件和生物芯片等领域。
微细电化学加工（M-ECM）是MPT中的一种重要技术，它利用电解作用原理，在微小尺寸的加工件和电极之间形成电化学加工电解质，实现小孔、微凸、微凹等微细形貌的加工。
然而，微细电化学加工受到加工过程中放电的不确定性、电解液流动的难以控制、电解质质量对加工精度的影响等问题的制约，导致加工精度难以保证。
因此，开发一种自适应进给控制系统，对于提高M-ECM加工精度具有重要意义。
自适应进给控制系统的基本实现过程为：首先利用图像处理技术，得到微细加工表面的几何信息，并根据几何信息计算出加工深度和加工速度等参数，然后通过对加工过程的监测和控制，实现对加工过程的实时调整，最终实现微细加工件的高精度和高效率加工。
图像处理技术是实现自适应进给控制系统的关键技术之一。
它包括图像采集、图像预处理、图像特征提取、几何信息计算等步骤。
对于微细加工表面的图像采集需要高分辨率的显微镜和摄像机，同时采用合适的图像预处理算法，如灰度变换、边缘检测、滤波等技术，以得到清晰的图像。
图像特征提取技术通常采用局部二值模式（LBP）算法或特征点检测算法等技术，以提取出加工表面的几何信息。
几何信息计算包括加工深度和加工速度的计算。
加工深度的计算通常采用梯度和阈值算法，可以得到微细加工表面的深度信息。
加工速度的计算则需要根据加工深度，以一定的加工速率进行调整。
实时控制是自适应进给控制系统的另一重要技术。
通过控制电解液的流速、温度、成分等参数，可以实现对加工过程中的电化学反应的控制；通过控制电极和加工件的距离，可以实现加工深度的控制；通过控制加工速度，可以实现加工过程的优化。
同时，自适应进给控制系统还可以通过监测加工过程中的电流、电压、电阻等参数，实现对加工过程的实时调整和监测，从而保证加工精度和稳定性。
微制造系统中的微细电火花加工技术
微制造系统中的微细电火花加工技术*Micro EDM Machining Techn olgy in Micro Manu factu rin g System王振龙赵万生(哈尔滨工业大学)摘要:文章系统地研究和综述了微细电火花加工技术的研究现状和发展趋势,论述了微细电火花加工技术在微三维结构制作及微制造系统中的应用。
关键词:微细电火花加工微制造现代制造技术的发展呈现两大趋势,一是现代制造系统的自动化技术;另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限[1]。
微型机械中,特别是其中的敏感器件、控制仪表、动力系统、执行机构等关键器件要使用到大量的微制造技术,如微型机器人、微型工具、微型飞机等。
这些微型机械的需求对现代制造技术提出了新的挑战。
解决这一制造难题的主要途径有两条,一方面是采用微机电系统技术,另一方面是采用微细特种加工技术。
从世界范围的微细加工技术的发展应用而言,欧美等国倾向于硅微结构的制作,即微细电子机械领域;而日本则更注重用传统的加工方法和特种加工方法从宏观尺寸零件的加工向微观尺度的零件加工逼近(如微小齿轮、微小模具、微细轴、孔等)[2,3]。
微机电系统技术是基于半导体平面工艺的一种加工方法,适合于将微传感器、微执行器、信息处理器件集成于一个微小单元。
从工艺角度上看有集成度高、便于大批量生产等优点。
但是这种方法难以加工出真三维曲面形状,也难以处理各种性能卓越的金属材料,特别是一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等性能,一般单一的半导体材料是很难达到的。
因此其应用范围受到了一定限制。
国外目前采取了微机电系统与微细加工并重的策略,以充分发挥各种加工方法的优点。
由于传统的机械加工过程存在着宏观的切削力,因此在加工微小零件,特别是微米尺度零件时,容易产生变形、发热等问题,精度控制较为困难。
另外,表面容易产生应力而影响产品的使用性能。
特种加工方法采用各种物理的、化学的能量及其各种理化效应,直接去除或增加材料以达到加工的目的。
微细电火花加工技术
微细电火花加工技术微细电火花加工技术的简要及背景随着世界范围产品日益的小型化和精密化,作为非接触式精微制造方法之一的微细及小孔电火花加工技术以其超精细和高精度的加工特点倍受学术界和工业界关注,目前已经成为微机械制造领域的重要组成部分之一,在制造业中得以广泛应用。
电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。
主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具。
20世纪50年代初期,我国开始研究和试制电火花镀敷设备,即把硬质合金用电火花工艺镀敷在高速钢金属切削刀具和冷冲模刃口上,提高金属切削刀具和模具的使用寿命。
同时我国还成功研制了电火花穿孔机,并广泛应用于柴油机喷嘴小孔的加工。
60年代初,上海科学院电工研究所成功研制了我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。
随后又出现了具有我国特色的冷冲模工艺,即直接采用凸模打凹模的方法,使凸凹模配合的均匀性得到了保证,大大简化了工艺过程。
60年代末,上海电表厂张维良工程师在阳极切割的基础上发明了我国独有的高速走丝线切割机床。
上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统。
70年代随着电火花工艺装备的不断进步,电火花型腔模具成型加工工艺已经成熟。
线切割工艺也从加工小型冷冲模发展到可以加工中型和较大型模具。
切割厚度不断增加,加工精度也不断提高。
80年代以来计算机技术飞速发展,电火花加工也引进了数控技术和电脑编程技术,数控系统的普及,使人们从繁重、琐碎的编程工作中解放出来,极大的提高了效率。
目前计算机技术广泛应用于工业领域,电火花加工实现了数控化和无人化。
美国、日本的一些电火花加工设备生产公司依靠其精密机械制造的雄厚实力,通过两轴、三轴和多轴数控系统、自动工具交换系统及采用多方向伺服的平动、摇动方案,解决了电火花加工技术中一系列实质性的问题。
电化学加工技术在微细零件制造中的应用研究
电化学加工技术在微细零件制造中的应用研究随着科技的不断进步和发展，微细零件制造成为高精度制造领域的重要技术之一。
其中，电化学加工技术作为一种高效、精密的加工方法，被广泛应用于微细零件制造中，取得了显著的成果。
本文将就电化学加工技术在微细零件制造中的应用做一探讨。
电化学加工技术是利用电解液中的金属离子在工件表面发生可控的电化学反应，实现工件材料的去除或增加。
这种技术与传统的机械加工方式相比，具有更高的加工精度和表面质量，能够制造出更加复杂的微细零件。
例如，在航空航天、医疗器械、电子设备等领域，微细零件的制造需要极高的精度和表面质量，而电化学加工技术能够满足这些要求。
首先，电化学加工技术在微细零件的制造中起到了重要的作用。
以微型齿轮为例，齿廓的精度和表面质量直接影响到齿轮的传动效率和使用寿命。
传统的机械加工方式在加工微细齿轮时存在齿轮齿廓形状控制困难、齿面加工质量差等问题。
而电化学加工技术通过控制电解条件和工艺参数，可以实现对齿轮齿廓形状和表面质量的精确控制。
此外，电化学加工技术还可用于制造微细孔等微细结构，具有很高的加工精度和表面质量。
其次，电化学加工技术在微细零件制造中还具有一定的应用潜力。
虽然电化学加工技术已经在一些领域得到了成功应用，但在一些新兴领域，如微电子器件、光学元件制造等方面，仍然存在一些挑战。
例如，微电子器件的制造要求零件尺寸更小、表面更加光滑，而传统的电化学加工技术在实现这些要求上还存在一些限制。
因此，针对这些新兴领域的需求，需要进一步改进和创新电化学加工技术。
此外，电化学加工技术在微细零件制造中还需要与其他制造技术相结合。
微细零件的制造过程往往需要多个加工步骤的协同作用。
例如，在微型电池的制造中，需要先通过电化学加工技术制造出电极片，然后将其与其他组件进行组装。
因此，电化学加工技术与其他加工技术的协同应用能够实现更加高效和精密的微细零件制造。
综上所述，电化学加工技术在微细零件制造中的应用研究具有重要意义。
微细电化学加工技术
微细电化学加工技术现状与进展摘要：微细电电化学加工是微细加工领域的一个重要研究方向，电化学加工是利用电化学阳极溶解的原理将零件加工成型，具有工具无损耗、加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点，近年来随着电解加工理论的进一步成熟，微细电解加工以其独特的优势有望成为微细加工领域的又一主流技术[1]。
微细电化学在未来的微纳加工中必将大有作为。
本文介绍了国内外微细电化学加工技术、微细电化学加工电源及检测技术的研究现状[2]。
结合国内外微细电化学加工技术的最新进展，系统地综述了微细电化学加工在多个方面的研究情况和工艺特点[3]。
关键词：电化学；电化学加工；微细电化学加工；脉冲电源。
电化学电化学是一项古老的技术，是从研究电能与化学能的相互转换开始形成的。
到20 世纪50 年代中期，苏联、美国和我国才相继开始了电解加工工艺的试验研究，电解加工也逐渐得到了发展。
随着科学技术的不断发展和深入，电化学的研究领域不断拓宽和扩展，在电化学基础上开拓的电化学加工技术，支撑了电铸、电镀、电解冶炼和电解合成、电解加工、材料腐蚀的控制等重要的产业部门，已迅速地发展成为具有重大工业意义的一项技术。
电化学加工电化学加工技术主要是利用金属材料发生氧化还原的电化学过程来实现去除材料和增加材料的目的。
电化学加工技术自问世以来，以其新颖的加工原理而得到了极为广泛的应用，已成为当前机械加工领域中不可缺少的加工方法。
电化学加工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。
由于加工过程是以离子单位方式进行的，所以在微细加工中占有重要的位置。
随着现代电力电子技术的发展，针对电化学加工对精度和表面质量的要求，逐渐采用脉冲电源替代直流电源，而且脉冲电源的频率也在不断提高。
另外，计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极加工复杂结构的工件成为可能，使电化学加工技术有了广阔的应用前景[4]。
电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法，因此。
微细电化学加工纳秒脉冲电源的研制
ｃｉｖｄ ｔｈ ｍ ｍ ，ｈ ａａ ｅｅｓ ｆ ｈ ｏ ｅ ｓｐ ｌ ｃｎｂ ｄｕｔｄｏ ｎ ｙｔｅｈｓ ｃｒ— ｈｅｅ ．Ａ ｅｓ ｅｔ ｅ ｔｅｐ ｒｍ ｔ ｅｐｗ ｒ ｕ ｐｙ ａ ｅａｊｓ ｎｌ ｅｂ ｏｔ ｏ ｔ ａ ｉ ｒｏｔ ｅ ｉ ｈ ｎ
ｐ ｔｒ ｏ ｈｅ ｅｅ ｔｏ ｈ ｍ ｉａ ｉｒ －ｍａ ｈ ｎ ｎ ｙ ｔｍ ． Ｔｈ ｙ ｔｍ ｅ ｔ ｎ ｉａ ｅ ｔ ａ ａ ａ ｅｅ ｓ ｓ ｃ ｓ ｕ ｅ ｆｔ ｌ ｃｒ ｃ ｅ ｃ ｌｍ ｃ ｏ ｃ ｉ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｅ ｓ ｓｅ ｔ ｓｓｉ ｄ ｃ ｔ ｈ ｔｐ ｒｍ ｔ ｒ ｕ ｈ ａ
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 Ｆｉ Ｈ ｂ ｒ 究 所 、 国 的 Ｉ Ｍ 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 、 Ｐ Ｄ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
微细电解钻铣削高效加工技术的基础研究
微细电解钻铣削高效加工技术的基础研究微细电解钻铣削（Micro-Electrochemical Drilling and Milling，MEECM）技术是目前新兴的一种微细加工技术，它具有高效、高精度、低热影响区、可控性好等优点，逐渐成为微细加工领域中的研究热点。
本文将从相关的技术原理、加工特点、应用情况以及未来发展方向等方面进行详细阐述。
一、技术原理微细电解钻铣削技术是一种电化学加工技术。
在加工时，通过将工件和切削工具作为两个极端接通直流电源，形成电解液和电解质，形成电化学反应，然后腐蚀掉工件表面附近的微小颗粒或化学反应形成型材。
这种加工方式可以快速高效地去除工件材料表面及其下的凹坑，形成较高的精度。
二、加工特点1.高效率：相较于传统机械加工方式，微细电解钻铣削技术具有更高的加工效率。
通过电化学加工的方式，材料的去除速度远快于传统加工方式。
2.高精度：微细电解钻铣削技术的加工精度非常高。
这种技术可以轻松地加工出许多传统机械加工难以达到的精细结构，如微小、深孔和圆锥。
3.较低的加工温度：微细电解钻铣削技术的加工温度较低，由于加工时不会产生摩擦热，因此对工件的热影响较小。
4.更高的可控性：微细电解钻铣削技术中，通过调整加工参数（如电解液种类、浓度、电压、电流密度以及加热等），可以对加工过程进行更全面的控制，以达到更加精确的加工效果。
三、应用情况微细电解钻铣削技术在半导体、仪器制造、精密仪器制造、模具制造等领域中有着广泛的应用。
近年来，随着微加工技术的飞速发展，微细电解钻铣削技术已经逐渐走向了一些新兴的领域，如生物制造、燃料电池等领域。
四、未来发展方向随着微加工领域的快速发展，微细电解钻铣削技术也将会不断地优化和完善。
在未来的发展中，预计该技术将会朝着以下几个方向发展。
1.集成化发展：微细电解钻铣削技术需要一系列复杂的设备和技术，将会向着集成化发展。
这将会提高技术的效率和可靠性。
2.多功能化发展：微细电解钻铣削技术应用广泛，从半导体、仪器制造到生物制造和燃料电池等，其未来将不断朝着多功能化发展。
基于LIGA技术的微细电火花加工技术
二、LIGA 技术现状
LIGA技术一词源自德语Lithograph Galvanformuny und Abformung（意为光刻、电铸和 铸塑） ，在80年代中期由德国Karlsruhe原子核研究中心发展起来的。LIGA技术由同步辐射深 度光刻、 电铸和铸塑三大主要工艺构成， 是微细加工技术的一个重要分支， 可加工任意形状、 横向尺寸在亚微米范围的结构，能够制造出高度在毫米量级的、高宽比在100以上的、结构 表面粗糙度在亚微米范围的三维立体结构，有着其他技术无法实现的优越性能[4]。
参 考 文 献
1 2 3 4 周兆英，王晓浩，叶雄英 等. 微型机电系统. 中国机械工程. 2000，1：163-168 赵万生，王振龙，郭东明等. 国外特种加工技术的最新进展. 电加工. 1999，5：12-19 彭良强，伊福廷，张院春 等. 一种微细 EDM 电极的制造方法. 电加工与模具. 2000,6:43-45 BECKER B W, et al. Fabrication of microstructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography, galvanoforming, and plastic moulding(LIGA process). Microelectronic Engineering, 1986,4:35-36. 5 6 7 8 余承业 等.特种加工技术. 北京：国防工业出版社.1995 年 袁松梅，赵万生，刘维东. 微小型电火花加工装置的最新进展 电加工, 1998,6:1-4 李勇，严晓敏，邹丽芸 等. 微细电火花加工工艺研究. 电加工, 1998,4:4-7 K. Takahata, N.Shibaike and H. Guckel, “ A novel micro electro-discharge machining method using electrodes fabricated by the LIGA process ”, Proceedings of IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 1999, pp.238～243. 9 彭良强，伊福廷，张院春等. LIGA 和微细 EDM 技术制造不锈钢微结构的研究. 微细加工技术. 2002， 2：72-74 10 彭良强，伊福廷，张院春等. 大面积微细结构的电火花加工. 航空制造技术. 2002，5：47-48
微细电化学加工研究新进展
综述·专稿部分，是一种有掩腆ｌｎ化。
＃微细加：Ｌ【．１ＧＡ技术可加工很大深宽比的微细结构，其厚度可达到儿盯微米，并儿侧壁陡峭，表面光滑，还能制作结构可活动的三维金属微器件：Ｉ。
ｌ。
ＧＡ工艺所加ｉｉ＂的尺、ｌ＋精度可达２０［／１１１，能加Ｔ愈属、合金、陶瓷、聚合物等多种材料。
光刻、电铸和注塑巧妙结合可实现大批最复制生产。
Ｊ｜ＪＬＩＧＡ工艺一般是二维结构加工，进行三维加工需要一系列二维加工步骤，最后形成三维结构。
因ＬＩＧＡ技术需昂贵的同步辐射ｘ光源和制作复杂的ｘ光掩膜，所以其推广应用并不易。
后来又出现利用紫外线光刻设备和掩膜制作较高深宽比微金属机构的准ＬＩＧＡ技术，使Ｉ，ＩＧＡ技术得到快速发展．并有了广泛的应用，如制造微型传感器、微电机、微型泵、微型医疗器件、纳米技术元件和系统等。
图ｌ是用Ｌ１ＧＡ工艺加工的零件样图。
（１））图ｔ用ＬＩＧＡ技术加工的零件样图２用电化学隧道显微镜探针尖进行的微细电化学加工近年来，电子和机械设备不断地向小型化发展，物体表面的纳米级结构的构造，已越来越引起人们的关注。
扫描探针技术的发明，尤其是扫描隧道显微镜（ｓ，ＩＭ）的出现，用探针针尖构造纳术级的结构和原子的搬迁已变为现实。
一般直径为纳米级的ＳＴＭ和ＡＦＭ针尖也是通过很小的电流和很低浓度的电解液电化学刻蚀得到的。
Ｐｅｎｎｅｒ等人第一一２一次川电化学扫捕隧道娃微镜（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｆ．，ｉｉｌｉｃａｌＳ７ＦＭ）的针尖在碳表面预定的位置上沉积出纳米级金属簇。
Ｓ１’Ｍ在电化学方而的使用引发了一种在电极上加工纳米结构新方法的研究。
图２是德国绋里茨·哈尔贝尔研究所的ＲｏｌｆＳｃｈｕｓｔｅｒ等人利用ＳｒＩ、Ｍ针尖进行电化学纳米加工的示意图。
脉器图２用电化学ｓＩＭ在铜上加工的纳米簇示意图在ＳＴＭ的探针尖上加超短脉冲电压，使探针尖附近发生电化学反应，成功地在金（Ａｕ）表面加工出直径为５ｎｍ、深度为０．３～１ｎｔｌｌ的纳米坑和在ＣｕＳ０４和Ｈ：ｓ０４的混合溶液中沉积出高为ｌｎｍ、直径为８ｎｍ的Ｃｕ簇。
电化学加工
徐益 114件材料或在 其上镀覆金属材料等的特种加工，主要利用电 化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行 加工的方法。近几十年来，借助高新科学技术， 在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工 等发展较快。目前电化学加工已成为一种不可 缺少的微细加工方法。与机械加工相比，电化 学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用 于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工、 电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶 炼等。
电化学加工特点：
电化学反映具有很高的反应速度，反应速率远远高于其他的制造工艺, 其电流密度达到10～500安/厘米；两电极的距离很小，约为0.1～1毫米， 且阴极对阳极被加工工件作相对运动；电解液在电极间隙高速通过,具 有高液压、高流速，带走反应中产生的大量金属溶解产物和气体以及热 量。其流体动力学状态至为复杂。 电解加工工艺与一般的机制工艺相 比较，具有以下特点： 能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂 的型面、型腔、异形孔；由于加工中工件与刀具（阴极）不接触,不会 产生切削力和切削热,不生成毛刺；与材料的机械性能(如硬度、韧性、 强度)无关，因此可加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高 强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金，但与材料的电化 学性质、化学性质、金相组织密切有关。
电化学加工的电源：
电化学加工使用硅整流的稳压电源，并以全波整流取代了过去的半波 整流,保持5％以内的纹波，不仅提高了加工速度，而且还遏制了间隙 内的电弧和防止污物沉积于阴极。在调压方面，使用了饱和感抗器调 压和晶闸管调压两种方式。前者更适应目前电化学加工的水平。电源 规格分为3档：小型电源,电流为50～500安,用于加工小孔、去除毛刺、 抛光和用于中小型的阴极进行电解车削；中型电源,电流为1000～ 5000安,用于加工中等面积(50～150厘米2)的型孔和型腔；大型电源， 电流为10000～40000安，用于加工大型零件，加工面积可达200～ 1000厘米2或更大一些。通常使用的电压范围为12～20伏。对硬质合 金、钨、铜、铜锌合金等材料进行电解加工时，要求使用特殊电源。
微细电化学直写加工技术的研究
微细电化学直写加工技术的研究郑云飞李勇杨光周兆英（清华大学精密仪器与机械学系）摘要：围绕微细电化学加工技术的探索雌及在微型机械／ＭＥＭｓ中的应用，构建了基于微细电化学加工用电源、微进给机构、状态检测模块和计算机的微细电化学直写加工系统，初步实验研究了微小探针和微小孔的制作工艺，以及分别采用材料去除和淀积的直写加工技术。
关键词：微细电化学加工微细探针微小孔直写加工１前言电化学加工包括材料去除的电解加工和材料淀积的电铸加工。
微细电化学加工（ＭＥＣＭ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍｉｃａｌＭａｃｈｉｎｉｎｇ）用去除加工方式可以制作微小孔、微细探针和微小三维形状等；用淀积加工方式可以进行复杂结构的制作，特别是其与光刻等技术结合更可以获得微小的三维复杂结构。
微细电化学加工独有的特点使其在微型机械／ＭＥＭＳ中得到越来越广泛的应用。
微细电化学加工的探索和研究．主要是基于生长和去除两种方式的微细电化学直写加工技术的研究，以及基于光刻技术的电铸成型三维微小结构的探索。
微细电化学直写加工包括微细探针的制作、淀积直写加工和去除直写加工。
在微细探针制作方面，天津大学精仪系采用了反馈控制技术和纵向进给技术获得了尖端曲率半径可控并且表面无台阶的光滑的微细ＳＰＭ探针【１】。
日本东京工业大学利用直流电抛光技术，对利用交流电抛光技术获得的微细钨探针形状进行了优化，并对直流和交流屯抛光的电参数进行了对比口Ｉ。
土耳其Ｏｓｍａｎｇａｚｉ大学物理系采用电化学刻蚀技术并利用环状电极之间厚度一定的电解液薄膜获得尖端半径在１２５－－５００ｎｍ的Ａｕ微细ＳＴＭ探针【３】，这项技术使加工电流自然切断，解决了电解液中的残存电流损坏刚形成的ＳＴＭ针尖的问题。
在采用淀积直写加工方面，ＭＩＴ的Ｍａｄｄｅｎ和Ｈｕｎｔｅｒ采用局部淀积技术，通过部分绝缘的超微探针电极，利用探针与工件间的相对运动获得了复杂的三维微小构件１４］。
加拿大Ｍａｎｉｔｏｂａ大学利用基于扫描电化学显微镜的简单仪器，以金属Ｐｔ作为扫描电极，ＣｕＳＯ．溶液为电解液，获得了直径２５ｕｍ，高２ｍｍ的铜柱，并对加工过程中的各种工艺参数进行了对比和优化ｐＩ。
微细电解加工技术的概况与展望
微细电解加工技术的概况与展望谢岩甫,刘 壮,陈 伟(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)摘要:概括总结了微细电解加工的典型技术,综合分析了近几年微细电解加工技术的研究成果和最新进展,包括脉冲电源、新型电解液、复合加工、微器件加工以及基础理论等方面,展望了其未来的研究重点和发展趋势。
关键词:微细电解加工;技术概况;展望中图分类号:TG662 文献标识码:A 文章编号:1009-279X(2010)06-0001-06The Overview and Prospect of the Micro Electrochemical Machining TechnologyXie Yanfu,Liu Zhuang,Chen Wei(Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China) Abstract:This paper revie ws the typical technology of mic ro electrochemical machining(ECM),and sum marizes the study situation and the recent advancement of micro ECM in recent years,including pulse power, new electrolyte,hybrid processed,micro components machining and funda mental theories and so on.The focus research and the future trend of micro ECM are presented in this paper.Key words:micro ECM;technical overview;prospect随着现代科学技术的发展,产品功能集成化、结构小型化的要求越来越显重要,越来越多的微细结构出现在工业应用中,微细加工的研究得到了广泛的重视。
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。
微细电解加工发展方向
(b) 双面加工时所加工群孔
图14.加工方式不同对群孔精度的影响
加工精度影响因素
• 加工间隙：增大加工间隙 • 电解液：降低电解液浓度 • 加工电压：减小加工电压
提高孔成形精度
脉冲微细电解加工
脉冲微细电解加工是一种采用脉冲电流 代替传统的连续直流电流的新型电解加 工技术 。
该工艺产生于20世纪80年代， 荷兰菲利浦公司采用此种工 艺技术，成功研制出大批量 加工此种类型的精密电动剃 须刀（右图1）的全自动流水 生产线。
超纯水电解加工 l用超纯水作电解液 l用强酸性阳离子交换膜提高 超纯水中氢氧根离子浓度
纯水
超纯水（强
酸性阳离子交换 膜）
超纯水（强
酸性阳离子交换 接枝聚合纤维）
电流密度
水解离理论分析
图9.离子通过膜电位差与电流密度关系图
1区：欧姆区，电流密度与电位差关系满足欧姆定律 2区：电流密度稳定，为极限电流密度，电阻增大 3区：过极限电流区域，水解离产生氢氧根离子和氢离子
胶膜不能重复使用，加工成本高
阴极活动模板电解加工原理
电化学氧化还原反应：
Ø阳极（工件）表面金属原子 失电子成为阳离子进入电解液 Ø阴极表面氢离子得电子析出 氢气 Ø电解液高速流过，排出电解 产物及热量，保证加工正常进 行。
图12.阴极活动模板电解加工原理示意图
阴极活动模板电解加工原理
Ø 双面电解的加工间隙 变小
图16.脉冲微细电解加工示意图
脉冲微细电解加工实例
采用电极直径为 4µm（图17所示），电压为4V，40ns 脉冲宽度，2MHz 脉冲频率，0.05mol/L 的 HCl 电解液加工出的微槽（图18所示）。
图17.直径 4µm 的微细工具电极
电化学微加工技术的新进展及关键技术
电化学微加工技术的新进展及关键技术张 璧1,2罗红平1周志雄1任莹晖11.湖南大学,长沙,4100822.康涅狄格大学,Storrs,CT 06269摘要:将电化学加工的原理应用于微加工领域,具有可加工材料的范围广、无宏观加工作用力、工具阴极无损耗、加工表面质量好、无内应力、工艺多样化、可实现批量加工和三维加工等许多优点。
从加工原理出发,分析了实现电化学微加工的前提条件。
从基础理论研究和应用技术研究两个方面介绍了近年来国内外在电化学微加工领域的一些新进展,总结了实现电化学微加工的关键技术。
关键词:电化学微加工;材料去除;复杂三维微结构;微细工具电极中图分类号:T G662 文章编号:1004 132X(2007)12 1505 07Recent Advances in Electrochemical MicromachiningZhang Bi 1,2 Luo H ongping 1 Zhou Zhix iong 1 Ren Yinghui 11.H unan U niversity ,Changsha,4100822.U niv ersity o f Co nnecticut,Sto rrs,USA,CT 06269Abstract :Electrochemical m icrom achining(EM M)is a promising machining technique in m icro ma -chining applications,since it offers several adv antages w hich include applicability to a w ide range of materials,absence of machining forces and residual stresses,no tool w ear,g ood surface finish,adapta -bility to various pro cesses,mass production,and ability to machine com plex 3D micro features.T his paper addressed the im por tant factors that w ere necessary fo r achiev ing EMM based on its fundamen -tal principles.It review ed the recent advances in EMM in ter ms of its fundamental theories and pract-i cal applications.The paper also pr esented the critical issues that w ere required to realize EM M and w ere of importance to the future development in EM M and its infrastructures.Key words :electrochemical micro machining;m aterial remov al;complex 3D m icro -feature;micr o to ol electro de收稿日期:2006 05 080 引言电化学加工是一种重要的特种加工方法,已被广泛应用于难加工金属材料、复杂形状零件的批量加工中。
微米级电化学加工关键技术研究
收稿日期 : 2006
01
10
基金项目 : 航空科学基金资助项目 ( 04H 52055) ; 南京 航空航天 大 学博士学位论文创新与创优基金资助项目 ( BCXJ04- 09)
砂轮的体积去除率有影响 , 所以分析表明采用灰 色关联分析法得出的金刚石笔磨损率影响因素的 大小排序是正确的。
403
中国机械工程第 18 卷第 4 期 2007 年 2 月下半月
在杂散腐蚀、 加工稳定性差等缺陷 , 因此加工精度 不够高。将电化学加工应用于微细加工必须提高 定域蚀除能力, 解决微能脉冲加工电源、 工具电极 制作以及加工状态的检测控制等问题。 国外的研究人员利用纳秒脉冲电流实现了微 细电化学加工, 但对于超短脉冲电源和微细电极 的制作都没有给出相关的论述 [ 3] 。本文利用所构 建的加工系统, 对微细电化学加工的关键技术提 出了解决方案, 实现了高精度的微细电化学加工。
0
引言
随着科技的发展 , 面向精密微机电器件的微
细加工技术已经成为各国研究的热点。微细加工 技术主要有聚焦离子束、 电子束、 激光微细加工、 微细电火花加工以及微细电化学加工等 [ 1] 。电化 学加工的原理是利用电化学反应去除工件材料, 理论上可以达到离子级的加工精度[ 2] , 但由于存
and Dr essing T echnique for V itr ified CBN W heels [ J] . Internatio na l Jo ur nal of M achine T o ols & M anufacture, 2002, 42( 7) : 825 835. [ 2] Y an W ang , X iaojun Zhou, Dejin H u. A n Experimental Investigation of Dr y- elect rical Discharg e Assisted T r uing and Dr essing o f M et al Bonded Diamond Wheel[ J] . Int ernational Journal o f M achine T ools & M anufactur e, 2006, 46( 3/ 4) : 333 342. [ 3] [ 4] 邓聚龙 . 灰色系统 基本方 法 [ M ] . 武 汉 : 华 中理工 大 学出版社 , 1987. 邓聚龙 . 灰色系统 预测与 决策 [ M ] . 武汉 : 华中理 工 大学出版社 , 1986.
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微细电化学加工技术现状与进展摘要：微细电电化学加工是微细加工领域的一个重要研究方向，电化学加工是利用电化学阳极溶解的原理将零件加工成型，具有工具无损耗、加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点，近年来随着电解加工理论的进一步成熟，微细电解加工以其独特的优势有望成为微细加工领域的又一主流技术[1]。
微细电化学在未来的微纳加工中必将大有作为。
本文介绍了国内外微细电化学加工技术、微细电化学加工电源及检测技术的研究现状[2]。
结合国内外微细电化学加工技术的最新进展，系统地综述了微细电化学加工在多个方面的研究情况和工艺特点[3]。
关键词：电化学；电化学加工；微细电化学加工；脉冲电源。
电化学电化学是一项古老的技术，是从研究电能与化学能的相互转换开始形成的。
到20 世纪50 年代中期，苏联、美国和我国才相继开始了电解加工工艺的试验研究，电解加工也逐渐得到了发展。
随着科学技术的不断发展和深入，电化学的研究领域不断拓宽和扩展，在电化学基础上开拓的电化学加工技术，支撑了电铸、电镀、电解冶炼和电解合成、电解加工、材料腐蚀的控制等重要的产业部门，已迅速地发展成为具有重大工业意义的一项技术。
电化学加工电化学加工技术主要是利用金属材料发生氧化还原的电化学过程来实现去除材料和增加材料的目的。
电化学加工技术自问世以来，以其新颖的加工原理而得到了极为广泛的应用，已成为当前机械加工领域中不可缺少的加工方法。
电化学加工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。
由于加工过程是以离子单位方式进行的，所以在微细加工中占有重要的位置。
随着现代电力电子技术的发展，针对电化学加工对精度和表面质量的要求，逐渐采用脉冲电源替代直流电源，而且脉冲电源的频率也在不断提高。
另外，计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极加工复杂结构的工件成为可能，使电化学加工技术有了广阔的应用前景[4]。
电化学加工是一种基于在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法，因此。
它应是未来微、纳米级加工摄重要的方法之一。
现在电化学加工已在许多微型机械方面得到应用，如制造微型传感器、微型齿轮泵、微型电机、电极探针、微型喷嘴等都离不开微细电化学加工工艺。
采用电化学加工的微细结构表面光滑、无内应力、无裂纹等缺陷，比电火花加工和激光加工的工艺效果更好。
[2]。
从工艺上划分，电化学加工分为：阳极溶解：电解加工，电解抛光，电解复合加工（电解机械复合加工，电解电火花复合加工，电解超声复合加工，电解激光复合加工）；阴极沉积：电镀，局部涂镀，复合电镀，电铸[4]。
电加工技术主要包括电火花加工技术和电化学加工技术，经过半个多世纪的发展，已经成为现代制造技术领域不可或缺的一个重要组成部分，并在难切削材料加工领域以及各种复杂型面的加工领域发挥着不可替代的作用[1]。
上个世纪中叶发展起来的电火花线切割加工工艺就是电火花加工技术的创新性应用成果之一，利用线切割加工工艺使电火花穿孔加工避免了需要制作复杂形状电极的麻烦，使电火花的加工效率得到大幅度的提高[2]。
进入上个世纪末期，由于电子技术以及计算机技术的飞速发展，各种新兴技术在电加工技术领域的应用也进一步的促进了电火花加工技术的迅速发展。
同时，人们也不断突破电加工技术的各种传统禁区，并进行各种大胆的新尝试，使电加工技术进入了新一轮的创新发展阶段。
这些创新是多方面的，包括脉冲电源、工具电极、加工介质、加工对象以及电极驱动机构等诸多方面[5]。
从直流电化学加工发展到脉冲电流电化学加工，进而发展到高频窄脉冲电化学加工，到现在的超短脉冲电化学加工，可以说电化学加工随着电力电子元器件的发展而不断向前发展；加工精度也从普通加工发展到精密超精密加工，电化学加工也随之发展到微细加工领域。
尤其是近几年电化学加工的深入研究，促使应用领域不断扩展。
又出现了用电解方法加工玻璃、陶瓷等非金属材料，还有将去离子水进行离子化处理后作为电解液进行电解加工，从而实现环保绿色加工，所有这些都为电化学加工的发展增加了活力。
但是电化学加工的精度及稳定性始终是化学加工能否进一步发展的关键所在。
为此，众多科学研究人员在这些方面进行了不懈的努力。
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学反应原理而对金属材料进行成型加工的一种工艺方法。
在加工过程中，当工具阴极向工件不断进给时，工件材料就按工具阴极型面的形状不断地被溶解，电解产物被流动的电解液带走，最终在工件上形成与工具阴极形状近似而相反的型面。
近年来发展起来的电解加工非导电材料的工艺方法，更进一步扩宽了电解加工的应用范围。
微细电化学加工微细电化学加工是指在微细加工范围内(1μm~1mm)，应用电化学加工得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。
是微细加工领域的一个重要研究方向，作为一种无宏观切削力、无刀具损耗的微细加工方法，微细电化学加工技术已经得到了世界上越来越多国家的重视。
微细电化学加工电源及检测技术是微细电化学加工系统的关键技术之一，其性能好坏直接关系到微细电化学加工工艺指标的优劣，因而对其关键技术进行研究具有重要的意义[6]。
当今世界各国都十分关注微细电化学加工的研究，目前我国在微细电解加工方面的研究处于起步阶段，如何利用电解“离子”级的蚀除机理，挖掘电解加工的微细加工能力，向精密、微细加工进军是一个需要迫切解决的重要问题。
研究和掌握微细电解加工的关键技术，研制开发微细电解加工系统，深入研究微细电解加工工艺，具有重要意义[5]。
微细电加工技术因其非接触加工、材料适应性广、没有宏观作用力等优点，在微小零件的加工中具有独特的优势。
微细电火花加工、微细电火花线切割加工、微细电解加工以及超声复合微细加工技术等的研究均已取得大量的研究成果，但其对微细阵列轴、孔的加工研究则处于起步阶段，尤其是各种加工方法之间缺乏有效的组合与集成。
因此适时开展针对微细阵列结构的组合电加工技术研究，充分发挥各自的技术优势，形成高效快捷、可操作性强的微细阵列电极阵列孔的组合加工技术具有十分重要的理论与现实意义。
电解加工从原理上来说是离子去除，因此可达到微细加工的目的。
在加工过程中只要控制电流的大小和电流通过的时间，就可以控制工件的去除量和去除速度。
又由于电解过程中没有宏观作用力产生，亦具备实现微细电解加工的基本条件。
在许多场合，微细电解加工有着独特的优势：①加工效率高，加工速度仅与阳极金属的原子量、原子价、通过的加工电流及电流通过的时间有关，容易对材料的去除进行控制。
无需考虑金属的强度、硬度等机械特性，适合加工的材料范围广，工件上不产生应力；②在阴极只有氢气产生，在加工过程中工具电极无损耗，其形状不会发生变化，可以保证良好的成形精度；③易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工，如电解磨削、电解抛光、超声电解等。
此外，微细电解加工还具有电解液的浓度低、加工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小、加工精度高等特点[7]。
微细电火花加工技术随着科学技术的发展，各种微型机械、微机电系统的不断涌现，出现了大量的带有微小孔和复杂微三维结构型腔的微小零件。
这些结构复杂的微小零件的出现，又给微细加工技术提出了更高的要求。
微细电火花加工具有非接触、低应力、可加工高硬度材料等优点而在微细加工领域中被广泛地采用，已经成为微细加工领域的一个重要发展方向[6]。
电化学加工电源的发展电化学加工技术的发展依赖于其要素的发展，而影响电化学加工发展的最重要的要素则是电源，电化学加工技术和工艺的进步与新型电源的不断出现密切相关，可以说，电源的发展直接推动着电化学加工的发展而且新的电化学加工方法的提出，都是以电化学加工电源的特点来命名的，如直流电化学加工，其电源输出形式为稳恒直流，脉冲电化学加工电源输出形式为脉冲电流。
从直流电化学加工发展到脉冲电化学加工，不仅改善了电化学加工工艺稳定性，而且提高了加工零件精度和表面质量，使电化学加工进入到精密加工的水平。
例如：日本三菱公司在其FAV系列机上，配置了超高速无电解电源(V500电源)和最新的高速自适应控制系统PM4．如果采用新的高速电极丝，则加工效率可达500 mm2／minDj[9]。
同时，脉冲电源的使用扩大了电化学加工的材质范围，延伸了电化学加工的应用领域。
微能脉冲电源脉冲电源是微细电火花加工和微细电化学加工机床的主要组成部分，其性能直接影响到加工的各项工艺指标，因而一直以来都是微细电加工技术的研究热点[7]。
微细电化学加工电源普遍具有应用范围窄的缺点，尤其是很难实现高频输出，即使达到较高的频率，一般也是以数字电路输出为主，难以实现较大的功率。
另外，有的脉冲电源没有考虑脉冲间隔内快速平衡电极电位。
要使电解加工脉冲电源工程化、产业化，能广泛用于生产实践中，还要在以下几方面进行努力：避免功率开关器件的过压击穿、过流、过热现象，提高电源的抗干扰能力，减小波形失真，提高电源效率和加大电流容量。
随着科学技术的发展，人们对产品性能提出了越来越高的要求，为了进一步提高零件的加工及装配精度，类似于加工中心的精密多功能微细电加工机床受到青睐。
因此适用于这种柔性制造中心的微能脉冲电源也应具有适合多种加工工艺的多功能特性[7-8]。
发展趋势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。
微机电系统（MEMS）的发展，带动了微细加工技术的发展。
电化学加工是利用金属材料发生氧化还原的电化学过程来去除材料和增加材料的，由于加工过程是以离子单位方式进行的，所以在微细加工中占有重要的位置。
随着现代电力电子技术的发展，针对电化学加工对精度和表面质量的要求，逐渐采用脉冲电源替代直流电源，而且脉冲电源的频率也在不断提高。
另外，计算机控制技术的发展，使采用简单形状电极加工复杂结构的工件成为可能，使电化学加工技术有了广阔的应用前景。
参考文献：[1]张春林微细电化学加工过程控制系统设计[学位论文]硕士2011[2]李小海，王振龙，赵万生微细电化学加工研究新进展[学术期刊]《电加工与模具》2004年第2期[3]李鑫微细电化学加工电源及检测系统研究[学位论文]硕士2010[4]朱保国脉冲电化学微细加工关键技术研究[学位论文]博士2007[5]李小海微细电解加工系统及其工艺技术研究[学位论文]博士2007[6]曾伟梁微细阵列电极阵列孔的组合电加工关键技术研究[学位论文]2008博士[7]韩守国多功能微细电加工脉冲电源研究[学位论文]硕士2006[8]陈辉微细电化学加工的脉冲电源及加工工艺研究[学位论文]博士2011[9]Kulb D M，Ullmann R Nanofabrication of smal copper clusters On gold(111)eleclrodes by a scanningtunnelingmicro_：ope SCI一1999 ENCE．1997，275。