基于电化学放电加工工艺的玻璃微细加工研究

发布时间：2017-08-04 15:07

  本文关键词：基于电化学放电加工工艺的玻璃微细加工研究

  更多相关文章： 非导电硬脆材料 电化学放电加工 临界电压 气层形成时间 三维微细结构加工

【摘要】：近几十年来,人类社会取得了飞速的发展,特别是微机电系统(MEMS)的兴起,更是为科技社会的进步增添了强大的动力。以玻璃为代表的非导电硬脆材料在MEMS领域得到了越来越广泛的应用,但是由于它们的硬脆特性,使得很难对其进行微细加工。电化学放电加工(ECDM)已被证实是一种对于玻璃等非导电硬脆材料的微细加工具有很好前景的特种加工工艺,它具有加工效率相对较高、装置简单、成本低、加工柔性好等特点。本文首先探讨了电化学放电加工机理,而后基于火花放电效应搭建了试验平台,并分别对玻璃的微孔加工、微槽加工以及三维微细结构的加工进行了试验研究。其主要研究内容如下:1.研究了电化学放电加工机理,重点对电化学放电加工过程中气层的形成以及材料的去除进行了探讨。将气层的演变过程概括为三部分,包括气泡的生成、气泡的溢出以及稳定气层的形成,并结合前人的研究经验,分别进行了理论分析。对材料的去除机理进行探讨,主要从热蚀去除材料以及化学腐蚀去除材料两方面进行讨论;对材料的热蚀去除建立了火花放电作用下的温度分布模型,并由此分析了电化学放电加工过程中的热传递过程以及实现材料热蚀去除所需的最低温度。2.研究了电化学放电特性。分析了在不同参数条件下,产生电化学放电效应的临界电压,其中包括采用不同类型和浓度的电解液、采用不同直径的工具电极、将电极设置不同的转速以及设置不同的电源频率和占空比。试验结果表明,除了电极转速变化以外,其他参数的改变对临界电压都有较大的影响。另外,还通过对电流信号的采集,分析了电化学放电气层形成时间以及火花放电时的平均电流随脉冲电压的变化关系。3.进行了电化学放电微孔加工试验。通过试验对比,分析了在电化学放电微孔加工过程中,脉冲电源电压和频率的变化对微孔加工效果的影响,如加工效率、孔极限加工深度、孔入口直径以及孔入口表面形貌等。试验结果表明,选取较高电源电压或者较低的电源频率,能够明显提高加工效率和增大微孔极限加工深度,但是同时也会带来微孔入口直径的增大以及微孔入口处表面质量较差的缺陷。在本试验条件下,选取电源电压和电源频率分别为21V和600Hz进行加工,可以获得较为理想的微孔。4.进行了电化学放电微槽及三维微细结构的加工试验。探讨了电化学放电加工所得微槽的粗糙度随外部参数变化的情况。其中主要包括脉冲电源电压和频率的变化、加工过程中进给速度的变化以及工具电极转速的变化等。结果表明,粗糙度随电源电压的升高而增大,但随着电源频率和进给速率的增大而减小,而电极转速的变化对微槽表面粗糙度值没有太大的影响。最后选用合理的加工参数,并采用逐层加工的方式,进行了复杂三维微细结构的加工。
【关键词】：非导电硬脆材料 电化学放电加工 临界电压 气层形成时间 三维微细结构加工
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG662
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 微机电系统概述12-14
• 1.2 微机电系统器件材料14-15
• 1.3 玻璃的微细加工技术15-18
• 1.3.1 激光加工15-16
• 1.3.2 超声加工16
• 1.3.3 磨料水射流加工16-17
• 1.3.4 化学腐蚀加工17
• 1.3.5 电化学放电加工17-18
• 1.4 电化学放电加工国内外研究现状18-21
• 1.4.1 国外研究现状18-20
• 1.4.2 国内研究现状20-21
• 1.5 课题来源和研究内容21-24
• 1.5.1 课题来源21-22
• 1.5.2 研究内容22-24
• 第二章 电化学放电加工机理研究24-33
• 2.1 引言24
• 2.2 电化学放电加工原理24-25
• 2.3 电化学放电气层形成机理25-29
• 2.3.1 气泡的生成25-27
• 2.3.2 气泡的溢出27-28
• 2.3.3 稳定气层的形成28-29
• 2.4 材料的去除机理29-31
• 2.4.1 电化学放电热蚀去除材料29-31
• 2.4.2 化学腐蚀去除材料31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 基于脉冲电源的电化学放电特性研究33-45
• 3.1 引言33
• 3.2 试验装置和方法33-36
• 3.2.1 试验装置33-35
• 3.2.2 试验方法35-36
• 3.3 不同条件下电化学放电的临界电压36-41
• 3.3.1 电解液类型和浓度对临界电压的影响38-39
• 3.3.2 工具电极直径大小和转速对临界电压的影响39-40
• 3.3.3 电源频率和占空比大小对临界电压的影响40-41
• 3.4 电源电压对气层形成时间以及火花放电平均电流的影响41-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 电化学放电微孔加工45-57
• 4.1 引言45
• 4.2 电化学放电微孔加工过程45-48
• 4.3 试验装置与设计48-51
• 4.3.1 试验装置48-50
• 4.3.2 试验设计50-51
• 4.4 试验结果与讨论51-56
• 4.4.1 电源电压对加工效果的影响51-53
• 4.4.2 电源频率对加工效果的影响53-55
• 4.4.3 加工实例55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 电化学放电微槽及三维微细结构加工57-69
• 5.1 引言57
• 5.2 试验装置与设计57-63
• 5.2.1 试验装置57-61
• 5.2.2 试验设计61-63
• 5.3 试验结果与讨论63-66
• 5.3.1 电源电压对粗糙度的影响63-64
• 5.3.2 电源频率对粗糙度的影响64-65
• 5.3.3 进给速率对粗糙度的影响65
• 5.3.4 工具电极转速对粗糙度的影响65-66
• 5.4 三维微细结构加工66-67
• 5.5 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-73
• 6.1 论文总结69-71
• 6.2 展望71-73
• 参考文献73-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士学位期间的学术成果82

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本文编号：620198