掩膜电解电火花复合加工微结构基础研究

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表面微织构在摩擦、散热、光学、微机械、微电子等各个科学领域发挥重要的作用和广泛的应用价值,为科技进步发挥着巨大潜力。表面微结构的制造技术是表面微结构技术的基础,目前表面微结构的制造技术主要包括:机械加工、激光加工、聚焦离子束加工、电火花加工技术、电解加工技术、化学蚀刻技术、光刻技术、LIGA技术等,每种技术都有各自不同的适用范围和优缺点。研究经济性好、加工质量好、加工效率高和实用性强的表面微结构新工艺,是值得关注和支持的。  本文提出一种掩膜电解电火花复合加工微织构的新工艺,在工件表面制作微结构掩膜,以低浓度电解液为工作介质,用简单工具电极,进行微细电解电火花复合加工微结构的研究。该方法综合了电解加工表面质量好和电火花加工精度高的优点,同时又能利用电化学沉积反应缓解电极损耗问题;工具电极结构简单,制造时间短,成本低。若该项技术研究成功,将会有广泛应用空间。  在深入了解电解电火花复合加工原理和机理的基础上,采用单脉冲放电单元,进行了大量单脉冲单因素实验。研究了脉宽、加载电压、电解液浓度、工件材料等因素对单脉冲电解电火花复合加工的基本规律;探讨了加工间隙、加载电压、电解液浓度对单脉冲放电持续时间的影响规律;进而分别针对脉宽、加工间隙进行了单因素实验,测量了加工凹坑的平均直径和平均深度;最后建立了单脉冲电解电火花的温度场仿真模型,与实验进行了对比,并优化了模型。  进行了掩膜电解电火花复合加工过程仿真。首先仿真了电火花对掩膜的烧蚀影响,再综合电场分析、温度场分析等,采用ANSYS建立数学模型,编制完整APDL命令流,并进行连续脉冲放电的加工过程仿真,预测了单掩模凹坑截面形貌在加工中的演变过程,用以缩短后续工艺研究中实验参数选择的周期。  在自行研制的电加工机床系统上,针对单个掩膜凹坑,进行连续脉冲的电解电火花复合加工实验。以加工深度、侧蚀量和蚀刻因子为指标,通过单因素实验,探索了脉宽、NaNO3浓度、占空比和功率对该工艺方法加工结果的基本规律。最后通过正交实验,结合极差分析,综合讨论得到最优参数组合。
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