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单晶硅的电解电火花铣削加工工艺研究吕传伟;谷安;李明义;吴俊杰【摘要】A machining method of silicon which is one of the semiconductors in electrochemical discharge milling is proposed. The experiment on machining monocrystalline silicon wafer in electrochemical discharge milling is conducted. The process experiments with different electrical parameters and milling track overlap ratio have been conducted. The effect of two parameters on the surface quality of silicon machined by electrochemical discharge milling is analyzed, The results show that the surface quality decreases with the increase of pulse energy and increases with the increase of the tool path overlap ratio.%提出了一种电解电火花铣削加工半导体硅材料的方法，对单晶硅片进行电解电火花铣削加工实验。
在不同电参数和不同铣削轨迹重叠率的条件下进行加工实验，分析二者对电解电火花铣削硅材料表面质量的影响。
实验结果表明：脉冲能量越高，表面质量越差；工具电极运动轨迹重叠率越高，表面质量越好。
【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】3页(P27-29)【关键词】电解电火花加工;铣削加工;单晶硅;工具轨迹重叠率;脉冲能量【作者】吕传伟;谷安;李明义;吴俊杰【作者单位】南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TG661近年来，硅、锗等半导体材料被广泛用于航空航天、国防和电子等领域。
第24卷 第4期摩擦学学报V o l24, N o4 2004年7月TR I BOLO GY July,2004单晶硅表面改性及其微观摩擦学性能研究进展孙 蓉1,2,徐 洮1,薛群基1(1.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000;2.河南大学特种功能材料重点实验室,河南开封 475001)摘要:评述了单晶硅表面改性及其微观摩擦磨损性能研究现状和进展,就单晶硅微观机械性能和摩擦磨损性能、单晶硅表面沉积薄膜和氧化层的微观机械和摩擦学性能及硅材料表面离子注入和表面纳米化等相关研究进行了归纳总结;指出应当继续深化硅材料表面改性技术及改性层微观摩擦学性能的研究,特别是应当加强硅材料表面离子注入及表面纳米化的研究,从而满足M E M S N E M S等高技术领域的应用和发展需要.关键词:M E M S N E M S;硅材料;表面改性;微观摩擦学性能中图分类号:TQ174.75+8.12文献标识码:A文章编号:100420595(2004)0420382204 硅材料在微型机电系统(M E M S N E M S)中的应用日益受到重视,这是由于其具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小,以及可实现集成制造和器件微小型化等特点.与此相适应,有关硅材料微观摩擦学的研究已成为国际摩擦学领域的前沿课题[1～3].研究表明[4,5],未经表面处理的硅材料脆性较高,表面裂纹在较低张应力作用下能迅速扩展,易发生剥层磨损和脆性断裂,难以满足使用要求.因此,有必要用表面改性技术来提高硅材料表面微机械性能,以改善硅材料的微观摩擦磨损性能,满足微型机电系统的应用需要.B hu shan等[6～9]针对硅材料表面粗糙度、粘着及摩擦磨损行为开展了较为系统的研究工作,考察了M E M S N E M S系统中多种材料的摩擦磨损行为,深入探讨了磁纪录设备中磁盘和磁头的边界润滑问题. L uo等[10～18]针对纳米薄膜的微摩擦特性[10]、薄膜润滑机理和数学建模[12]、硅材料离子注入和表面纳米化[14,18]等开展了广泛多样的研究工作,在微观和纳米摩擦学研究领域取得了长足进展.然而,针对M E M S N E M S的微观摩擦磨损和润滑本质的研究及相关认识还远未臻于完善,关于硅材料表面改性技术及改性层微观摩擦学性能的研究仍亟待深入,有关争议仍有待于澄清.鉴于此,本文就硅材料表面改性技术及其改性表面摩擦学性能研究现状和进展加以总结评述,并试图指出其发展方向,以期为硅材料在信息和微电子等高技术领域的应用提供指导.1 单晶硅的微观机械和摩擦磨损性能D ing等[11]发现,硅材料在宏观和微观尺度下的机械性能存在一定的差异.从在ME M S N E M S系统的设计角度而言,材料在微 纳米尺度上的微结构和微机械性能研究具有重要意义.研究表明,单晶硅在室温下具有硬脆性,在宏观外力作用下很难产生位错和滑移,几乎无塑性变形,抗拉应力远大于抗剪应力[7],因此其磨损失效主要归因于摩擦过程中剪切应力导致的脆性断裂.随着微加工技术和纳米压入技术的发展,单晶硅微观机械性能研究受到了广泛关注. L i等[19]采用连续刚度测定法(CS M)测定了梯形截面纳米尺度单晶硅片(长6Λm,宽400nm和800nm,厚255nm)的抗弯强度和断裂机制,发现纳米尺度硅片的抗弯强度(断裂应力)为17.5GPa,是以往测得的小尺寸硅片抗弯强度[20](6GPa)的近3倍.其原因在于,位于表面的原子比锁定在晶格内部的原子更容易运动,而纳米尺度单晶硅样品表面原子的比率同微小或常规尺度硅片相比较高,从而有利于抑制表面裂纹盟生,提高抗弯强度.Ch ilam aku ri等[20]指出,材料的疲劳失效对其微观摩擦磨损性能具有较大影响;就M E M S系统而言,由于部件处于循环运转状态,因此必须高度关注材料的抗疲劳性能.通常认为疲劳仅见于具有韧性的固体,但M uh lstein等[21]发现,在室温大气环境中,循环外力可加速裂纹生长,从而导致单基金项目:国家自然科学基金资助项目(50172052,50175105);中国科学院“百人计划”资助项目.收稿日期:2003210220;修回日期:2003212220 联系人薛群基,e2m ail:qjxue@.作者简介:薛群基,男,1942年生,研究员,博导,中国工程院院士,目前主要从事聚合物摩擦学、陶瓷磨损与添加剂摩擦化学等方面的研究.晶硅表面薄膜疲劳失效.这同L i等[19]针对纳米尺度硅片的疲劳试验结果结果一致.Gatzen等[22]研究表面粗糙度对微小载荷下单晶硅磨损性能影响,针对表面粗糙度R a分别为1.4nm、50.0nm及200.0nm的单晶硅片的研究结果表明,随着滑动距离的增大,磨损量呈线性增大;其中R a为200.0nm的单晶硅片的磨损量最大,R a为1.4nm和50.0nm的单晶硅片磨损量较小;R a为1.4nm和50.0nm的单晶硅片的磨损表面粗糙度有所增大,而R a为200.0nm的单晶硅片的磨损表面粗糙度降低为165.0nm.这是由于表面粗糙度较大的单晶硅片表面粗糙峰被磨削所致.A ndo等[23]考察了硅材料表面粗糙度对粘着力和摩擦力的影响,指出粘着力和摩擦力同表面微突体曲率半径成正比关系,而随着表面微突体数量的增加,粘着力和摩擦力均有所降低.2 单晶硅沉积薄膜及微机械和摩擦学性能在M E M S N E M S工业中应用最为广泛的硅基材料存在耐高温性较差以及韧性和耐磨性能不佳等缺陷,因此有必要对单晶硅进行表面改性处理,以改善其力学和摩擦学性能;其中沉积薄膜在硅表面改性领域占据重要地位.通常可以将单晶硅表面沉积薄膜划分为硬质薄膜和软质薄膜两大类;目前,针对硅表面硬质薄膜微观机械和摩擦学性能的研究较多,而针对软质薄膜的研究较为欠缺.L i等[24]在单晶硅表面制备了多晶硅、Si O2、Si C、N i2P及A u薄膜,并采用纳米压入仪考察了改性表面的微观机械性能,结果表明:Si C薄膜的弹性模量和硬度最高;多晶硅薄膜的断裂韧性最高,原因在于其晶界可阻止裂纹生长;Si C薄膜的划痕临界载荷最高,这归因于其高弹性模量和高硬度;N i2P薄膜和A u薄膜的抗弯强度较高,这归因于其较好的延展性及弹塑性.A nder等[25]利用真空电弧沉积技术在单晶硅表面制备了厚70～100nm的碳膜,并考察了碳膜的微观结构、微观硬度和微观摩擦性能,发现碳膜同金刚石对摩时的摩擦系数为0.09～0.10.Hou ston等[26]在Si(100)表面制备了类金刚石碳薄膜(DL C),发现薄膜表面平整光滑,水接触角为87°,经SF6等离子处理后则水接触角提高到99°,表面粘着力降低20%.B eerschw inger等[27]对比研究了单晶硅表面DL C、Si C及Si3N4薄膜的微观摩擦磨损性能,并初步探讨了固体润滑薄膜的磨损机理.W ang 等[28]研究了硅表面CN x涂层同金刚石对摩时磨粒产生机理和摩擦周期对表面损伤的影响,发现厚10nm 的CN x涂层可显著减轻硅的摩擦磨损,相应的摩擦系数仅为硅的1 4.王吉会等[13]利用磁控溅射技术在Si(100)表面沉积了M oS2薄膜,探讨了薄膜表面污染物及薄膜结构对其微观摩擦磨损性能的影响;他们还利用离子束增强交替溅射技术在Si(100)基片上组装了T eflon Si3N4多层膜,考察了多层薄膜的结构以及力学和微观摩擦学性能,发现T eflon Si3N4多层膜的强度略低于Si3N4薄膜的强度,但韧性明显较优.3 硅材料表面离子注入和表面纳米化硅材料是典型的脆性材料,其磨损行为主要取决于接触表面的微观结构和形貌,并强烈依赖于接触表面的物理化学性质.离子注入可以改善材料表面和近表面区域的性能,尤其是表面韧性和抗疲劳性能,在硅材料表面改性方面得到了广泛应用.对单晶硅表面的离子注入研究始于20世纪80年代,早期的相关研究大多着眼于离子注入对表面结构的影响[29].20世纪90年代以来,针对单晶硅表面C+、N+及A r+等多种离子注入改性层的摩擦学性能研究受到了高度重视,并取得了长足进展.Gup ta等[30]利用循环纳米压入试验考察了单晶硅和多晶硅表面不同剂量O+、N+、P+和A s+注入改性层的化学性质和抗变形能力,发现硅表面经O+和N+注入处理后化学性质发生变化,从而导致表面抗变形能力有所提高,卸载过程中的滞后现象明显减弱,而P+和A s+注入改性效果不明显.L ekk i等[31]考察了单晶硅表面A r+注入改性层的摩擦磨损性能,发现注入过程中的化学反应不能改善表面改性层的摩擦磨损性能,而A r+离子束轰击导致硅次表面产生缺陷,从而有利于降低摩擦力.Ko2 dali[32]等采用不同剂量的C+、N+以及C++N+对单晶硅(100)表面进行注入处理,发现经不同剂量C+注入后硅表面的摩擦磨损性能明显改善,其原因在于改性层中形成了非晶Si C,而N+注入改性效果不明显.最近,基于离子束、电子束及光子束轰击或喷丸处理的整体材料表面纳米化研究受到了高度关注,在材料表面强化方面显示了巨大的应用潜力[33].当整体材料的晶粒尺度达到纳米量级(1～100nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而显示出许多特有的物理化学性质.与此同时,晶粒尺寸达到纳米量级的纳米结构材料可能具有超塑性,从而显示出优异的变形能力[34].研究表明,利用离子注入可使陶瓷表面发生纳米化并形成纳米微晶,从而显著改善表面微观摩擦磨损性能.徐洮等[14～18]系统研究了离子注入对Si O2单晶表383第4期孙 蓉等: 单晶硅表面改性及其微观摩擦学性能研究进展层结构和摩擦学性能的影响,发现随N+离子注入剂量的增加,Si O2单晶表层由单晶结构转变成晶粒尺寸为2Λm左右的多晶结构以及晶粒尺寸为10～60nm 的纳米微晶结构,并最终导致Si O2单晶表层形成非晶结构,从而在不同程度上改善Si O2单晶的抗磨性能.其原因在于,当Si O2单晶的次表层产生完全非晶化而其表层处于由晶态向非晶态转化的中间状态即纳米微晶态时,Si O2表面在保持较高硬度的同时具有很强的塑性变形能力,从而使Si O2单晶表面的抗磨性能大幅度提高.因此可以认为,离子注入导致的Si O2单晶表面纳米化效应是其抗磨性能显著提高的主要原因.Jagielsk i等[35]对多晶Α2A l2O3陶瓷表面进行了A r+、K r+和In+注入处理,发现A l2O3陶瓷表面经8×1016i on c m2的In+注入后形成了尺寸为80～100nm的纳米微晶,从而使得摩擦系数及其波动均显著减小.4 结束语关于硅材料表面改性及其微观机械性能和摩擦磨损性能的研究业已取得长足进展,与之相关的材料和技术在M E M S N E M S系统中具有广阔的应用前景.然而,针对M E M S N E M S的微观摩擦磨损和润滑本质的研究和相关认识还远未臻于完善,关于硅材料表面改性技术及改性层微观摩擦学性能的研究仍有待于深入;对改性层微观结构同其微观力学和摩擦学性能之间内在联系的认识仍有待于深化;今后应着重加强有关硅材料表面离子注入及表面纳米化的研究,从而满足M E M S N E M S等高技术领域的应用和发展需要.参考文献:[1] Yan J,Syo ji K,T am ak i J.Som e observati ons on the w ear ofdiamond too ls in ultra2p recisi on cutting of single2crystal silicon[C].In:P roceedings of14th Internati onal Conference on W earof M aterials,W ash ington D C,U SA,2003.[2] Am ato I.Fo r m enting a revo luti on,in m iniature[J].Science,1998,282:4022405.[3] Sh ro triya P,A llam eh S M,Soboyej o W O.O n the evo luti on ofsurface mo rpho logy of po lysilicon M E M S structures during fa2tigue[J].M echanics of M aterials,2004,36:35244.[4] M uh lstein C L,How e R T,R itch ie R O.Fatigue of po lycrys2talline silicon fo r m icroelectrom echanical system app licati ons:crack grow th and stability under resonant loading conditi ons[J].M echanics of M aterials,2004,36:13233.[5] Gatzen H H,Beck M.Investigati ons on the fricti on fo rceaniso tropy of the silicon lattice[J].W ear,2003,254:112221126.[6] Bhushan B,Israelachvili J N,L andm an U.N ano tribo logy——F ricti on,w ear and lubricati on at the atom ic2scale[J].N ature,1995,374:6072616.[7] Bhushan B.H andbook of M icro N ano tribo logy,2nd Editi on[M].Boca R aton(FL):CRC P ress,1999.[8] L iu H W,Bhushan B.N ano tribo logical characterizati on ofmo lecularly th ick lubricant fil m s fo r app licati ons to M E M SN E M S by A FM[J].U ltram icro scopy,2003,97:3212340. 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硅片线切割有限元热分析王 亮,刘志东,黄因慧,田宗军,邱明波,史 勇(南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室,江苏南京210016) 摘要:硅片放电切割是一种新型的工艺方法,硅片放电切割技术能直接得到大尺寸、超薄硅片,且不受硅片各向异性的影响,设备成本很低,切割效率较高。
该文用有限元方法对低电阻率单晶硅片的放电加工温度场和应力场进行分析,探讨放电参数对加工表面形貌及性能的影响。
关键词:硅片;电火花线切割加工;有限元;热分析中图分类号:TG661Finite Element Thermal Analysis of Line Cutting SiliconWang Liang,Liu Zhidong,Huang Y inhui,Tian Z ongjun,Qiu Mingbo,Shi Y ong(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China) Abstract:Wire electrical discharge machining(WEDM)of silicon wafer is a kind of new techno2 logical approach.The slicing method for silicon ingot with electrical discharge machining which has no influence of anisotropy can get the kind of wafer which has bigger size and is ultra2thin.The equip2 ments which can make cutting process more effective are cheap.This article mainly describes the result of the temperature field as well as the stress field of the wire cutting progress of single crystal silicon wafer with low resistivity by finite element method.The article studies the influence that the discharg2 ing parameters did to the appearances and properties of the machining surface.It is of great meaning to the selection of special and high efficient pulse power used for WEDM.K ey w ords:silicon wafer;WEDM;finite element;thermal analysis 集成电路(IC)是现代信息产业的基础,IC所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等,全球90%以上IC 材料都采用硅片[1]。
电解线切割加工技术试验研究朱 兵 朱 荻 曾永彬 王少华南京航空航天大学,南京,210016摘要:分析了应用电解线切割加工工艺在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的可行性㊂为解决加工高深宽比结构时的排屑问题,在分析该工艺特点的基础上,采用了轴向冲液的方法㊂在自行搭建的加工系统中,进行了不同加工参数的一系列试验,以研究加工电压㊁电极丝进给速度㊁电解液浓度和冲液速度对该工艺的影响㊂最后,对电解线切割加工参数进行优化,加工出了缝宽为160μm ㊁深宽比高达30的微型花键㊂关键词:电解线切割加工;线电极;轴向冲液;高深宽比中图分类号:T G 662 文章编号:1004 132X (2010)08 0963 05E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho n W i r eE l e c t r o c h e m i c a lM a c h i n i n gZ h uB i n g Z h uD i Z e n g Y o n g b i n W a n g Sh a o h u a N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s ,N a n j i n g,210016A b s t r a c t :T h ef e a s i b i l i t y o fm a c h i n i n g t h i c ks t a i n l e s ss t e e l s t r u c t u r e sw i t hh i g ha s p e c tr a t i ob yw i r e e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g w a ss t u d i e dh e r e i n .A c c o r d i n g t ot h et e c h n o l o gi c a l c h a r a c t e r i s t i c so f w i r e e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ,e l e c t r o l y t ew h i c hf l o w sa l o n g t h ew i r ee l e c t r o d ew a su s e dt oc a r r ya w a y r e a c t i o n p r o d u c t s .I no r d e r t oa n a l y s e t h e i n f l u e n c e so f p r o c e s s i n gpa r a m e t e r s ,w e c a r r i e do u t a s e r i e s o f e x p e r i m e n t s .A m i c r o s p l i n e s t r u c t u r ew h i c h i s f o r m e db y th e g r o o v eo f 160-m i c r o m e t e r i n w i d t ho nt h et h i c ks t a i n l e s ss t e e l ,i s m a c h i n e db y w i r ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g i nt h e m a c h i n i n gs ys t e m.K e y w o r d s :w i r e e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g ;w i r e e l e c t r o d e ;e l e c t r o l y t ef l o w s a l o n g t h e w i r e e l e c t r o d e ;h i g ha s pe c t r a t i o 收稿日期:2009 08 07基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50635040);国家863高技术研究发展计划资助项目(2009A A 04Z 302);江苏省自然科学基金资助项目(B K 2008043)0 引言电解线切割加工技术是电解加工中金属阳极电化学溶解原理和线切割加工形式的结合㊂该技术不但继承了电解加工的优点,而且还有其自身的特点:采用简单的线电极,结合二维平面运动,能够简单地实现复杂微结构的加工,不用在加工准备阶段制造复杂的成形电极,加工准备时间短,成本低;由于电解线切割的工具电极为线电极,因而更容易加工出普通加工方法很难加工的高深宽比结构㊂国内外针对电解线切割开展了一系列研究,文献[1]利用电解线切割加工技术加工出了微群缝结构;文献[2‐4]对电解线切割的加工机理进行了研究,并利用该加工方法加工出了一系列缝宽仅为12μm 的微结构㊂然而,国内外开展的相关研究都是前沿探索性研究,加工的工件厚度大多在100μm 左右㊂本文尝试用电解线切割的方法在厚度为5mm 的不锈钢(304S S)工件上加工高深宽比结构㊂在分析电解线切割加工工艺特点的基础上,采用轴向冲液的方法,解决了在厚不锈钢板上加工高深宽比结构时的排屑问题㊂通过一系列加工试验,分析了主要参数对加工效果的影响;最后采用优化的加工参数,以直径为20μm 的电极丝在5mm 厚的不锈钢板上加工出了一系列缝宽为160μm 左右㊁深宽比高达30的微结构㊂1 电解线切割加工原理介绍电解线切割加工是基于电化学阳极溶解原理来去除工件材料的㊂在电解线切割加工中,工件接电源正极,线电极接电源负极;当在工件和线电极上施加一加工电压后,加工区域内的工件即开始以离子形式溶解;通过运动平台带动线电极和工件做相对运动实现零件加工成形,其加工原理如图1所示㊂从理论上讲,若固定工件的安装台和带动电极丝进给的运动平台能够进行五轴联动,则可实现一切直纹面的加工㊂由电解线切割加工的原理可知,要应用该方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构,就需要延长电极丝的有效加工部分的长度㊂然而,仅仅只依靠延长电极丝的有效加工部分的长度,是无法实现在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的㊂因为㊃369㊃图1 电解线切割原理图随着不锈钢板厚度的增加,积聚在狭长加工间隙内的电解产物(絮状反应产物和气泡)的排出变得更加困难㊂如果不能及时地将电解产物从加工间隙中排出,加工间隙中的电解液不能及时更新,就有发生短路的可能,轻者影响加工稳定性和加工质量,重者使加工无法继续㊂所以,采用电解线切割方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的核心问题,就是如何平稳顺畅地将电解产物从加工间隙中排除㊂在用电解方法加工高深宽比结构时,为解决排屑问题,经常采用的方法有旋转电极法和冲液方法㊂如在加工深小孔时,采用的是旋转螺旋电极法[5]及向空心管状电极中通高压电解液的方法[6]㊂结合电解线切割加工的特点,用该工艺加工高深宽比结构时选用冲液的方法㊂因为试验中采用的电极为线状且直径只有20μm,电解液的冲击易引起电极颤动,从而造成短路㊂为了尽量减小冲液所引起的电极丝振动,冲液方向只能为电极丝的轴向㊂2 冲液电解线切割加工系统笔者建立了应用冲液电解线切割工艺在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的试验系统,其示意图见图2㊂系统由4个部分组成:①电解加工单元;②电解液循环系统;③精密三轴位移台;④运动伺服控制系统㊂2.1 电解加工单元电解加工单元主要由电极丝㊁工件㊁直流电源㊁电解槽和电解液组成㊂工件通过夹具固定在电解槽上;电极丝通过夹具连接到运动平台的主轴上;运动平台X轴㊁Y轴的运动带动电极丝在X Y平面内向工件做进给运动从而实现切割㊂为了减小杂散腐蚀,获得好的表面加工质量,电解液选择钝化电解液N a N O3㊂为了沿着电极丝的轴向对加工间隙进行冲刷,排除电解产物,固定电极丝的夹具应具有轴向冲液功能㊂加工要稳定进行,电极丝的振动应尽图2 冲液电解线切割加工系统示意图可能地小,这就要求电极丝尽量张紧㊂为了方便电极丝的安装与张紧,冲液夹具设计为组合式㊂该夹具主要由三部分组成:夹具基体㊁导流槽挡块和端盖,夹具的三维造型及实物图见图3㊂(a)冲液夹具三维造型图(b)冲液夹具实物图图3 冲液夹具在设计的冲液夹具上装丝的具体过程如下:采用砝码悬挂法(将电极丝挂上比其所能承受的㊃469㊃最大质量略小的砝码,使电极丝获得最大张紧力后,将其固定)将电极丝缠绕在夹具基体上,然后将夹具组装成形㊂设计的轴向冲液夹具能对加工间隙进行冲刷,及时带走电解产物,更新电解液;但是,在厚不锈钢板上加工高深宽比结构时,由导流槽冲出的电解液并不能持续稳定地充满整个狭长的加工间隙,为了使加工稳定进行,作为工具阴极的电极丝有效加工部分和工件必须同时浸入电解液,即浸液加工,冲液排屑㊂由图2可知,电解液由入液口进入冲液夹具,流经导流槽后沿电极丝的轴向对工件和电极丝之间的加工区域进行平缓冲刷,使电解产物及时排出并更新电解液,从而使加工区域中电解液的电导率维持恒定,加工能够顺利进行㊂电解槽中的液面高度由溢液板控制㊂在不断向电解槽中冲液的同时,电解槽中的电解液也通过溢液板经出液口流回储液箱,维持电解槽中液面高度并实现整个系统中电解液的循环㊂2.2 电解液循环系统电解液循环系统主要由储液箱㊁过滤器㊁泵㊁流量调节阀㊁流量计和电解液净化器组成㊂流量调节阀的作用是控制冲液速度;过滤器主要由致密的过滤网组成,其主要功能是防止电解液中飘浮的细小的毛发类杂质进入冲液管道进而缠绕在电极丝上影响加工的稳定性;而电解液净化器是用来去除阳极溶解而产生的F e(O H)2㊁F e(O H)3等絮状反应产物的,维持电解液电导率的恒定,使加工具有好的稳定性和一致性㊂2.3 精密三轴位移台及控制系统为了保证慢速进给的精确性和加工的稳定性,运动平台使用的是高精度的位移台㊂固定有电极丝的冲液夹具随着位移台向静止的工件做进给运动,即线电极的进给运动为间歇式进给方式㊂本文采用的运动控制系统和数据处理核心是N I 公司的P C I-7344多功能运动控制卡,能够实现对N I公司的高精密位移台X㊁Y㊁Z3个方向加工进给的伺服控制,最小可以保证每步0.08μm的进给分辨率和2μm的定位精度㊂在本文的试验中,位移台进给分辨率设置为每步0.25μm㊂3 工艺试验及分析3.1 加工电压对缝宽的影响为了研究加工电压对加工工艺的影响,进行了以下一组对比试验㊂试验参数如下:电解液是质量浓度为10g/L的N a N O3溶液;电极丝进给速度为0.5μm/s;冲液速度为0.75m/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304S S);切割深度为1.5mm㊂加工电压分别取9.2V㊁10.2V㊁11.2V㊁12.2V时,对应的切割缝宽大小如图4所示㊂图4 加工电压对缝宽的影响从图4可知,在其他加工条件不变的情况下,切割缝宽随着加工电压的升高而逐渐增大,即切缝的加工精度随着电压的升高而减小㊂在电解加工中,平衡加工间隙为Δb=ηωσU R/v(1)式中,η为电流效率;ω为金属体积电化学当量, mm3/(A㊃h);U R为电解液的欧姆电压降,V;σ为电导率, 1/(Ω㊃mm);v为进给速度,μm/s㊂当工件材料㊁电解液参数及进给速度均保持不变,即ηωσ/v=C(常数)时,Δb=C U R,加工间隙与加工电压成正比,切缝加工的电化学反应区域随着电压的升高而扩大㊂电压为9.2V时,相对于电极丝0.5μm/s的进给速度,加工间隙偏小,反应为产物排除变得困难,短路时常发生,加工不稳定;而取11.2V和12.2V的加工电压时,切割缝宽较大㊁加工精度变低且杂散腐蚀变大㊂考虑到加工过程的稳定性和高深宽比的要求,加工电压取在10.2V左右较为合适㊂3.2 电极丝进给速度对缝宽的影响试验采用10.2V的加工电压;电解液是质量浓度为10g/L的N a N O3;冲液速度为0.75m/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304S S);切割深度为1.5mm㊂采用不同电极丝进给速度对应的切割缝宽大小,如图5所示㊂从图5电解线切割的缝宽随电极丝进给速度变化的曲线可知,电极丝进给速度对缝宽的影响较为显著㊂这是因为进给速度的增加,也就是位移台单步停留时间缩短,单位时间内的蚀除量减小,加工间隙变小㊂然而,加工间隙并不会随着进给速度的成倍增大而成倍减小,这是因为在固定式阴极电解中,随着加工的进行,加工间隙逐渐增大,工件的蚀除速度随之减小㊂㊃569㊃图5 电极丝进给速度对缝宽的影响电极丝进给速度增大,缝宽随之变窄,冲液排屑变得更加困难,加工的稳定性变差㊂经试验验证,加工速度取0.5μm/s时试验成功率更高㊂3.3 电解液浓度对缝宽的影响在加工电压10.2V㊁电极丝进给速度0.5μm/s㊁冲液速度0.75m/s㊁线电极直径为20μm钨丝的条件下,分别采用质量浓度为10g/L㊁20g/L㊁40g/L㊁50g/L的N a N O3溶液,对5mm厚的不锈钢(304S S)工件进行了切割试验,切割深度为1.5mm,加工结果如图6所示㊂图6 电解液质量浓度对缝宽的影响由图6可知,电解液质量浓度是影响电解线切割切缝宽度的又一主要因素㊂随着电解液浓度的增大,缝宽明显增大㊂由平衡加工间隙公式式(1)知,在工件材料不变,加工电压和进给速度一致的情况下(即ω㊁U R㊁v为常数),加工间隙随着σ升高而增大㊂电解液质量浓度的增大使得溶液中的导电介质增多,溶液的电导率σ变大;在相同的加工电压下,质量浓度高的电解液加工电流更大,导致电解腐蚀区域变大,切缝更宽㊂然而σ值增大却使得电解加工的定域性变差,杂散腐蚀变得严重㊂在保证稳定加工和一定加工效率的前提下,为了获得良好的表面加工质量,电解液的质量浓度选用10g/L的N a N O3溶液㊂3.4 冲液速度对缝宽的影响冲液是电解线切割加工技术在厚不锈钢板上加工高深宽比结构能够稳定进行的关键因素㊂为了研究冲液速度对加工工艺的影响,进行了以下一组对比试验㊂试验参数:加工电压为10.2V;电解液是质量浓度为50g/L的N a N O3溶液;电极丝的进给速度为0.5μm/s;线电极是直径为20μm的钨丝;工件是厚度为5mm的不锈钢(304 S S);切割深度为1.5mm㊂采用不同的冲液速度对应的切割缝宽大小如图7所示㊂图7 冲液速度对缝宽的影响从图7可知,电解线切割的切缝宽度随着冲液速度的增大而减小㊂狭长加工间隙内的电解产物㊁微小氢气泡及电解热主要靠冲液来排除㊂冲液速度越慢,加工区域聚积的电解产物㊁氢气泡及电解热就越多,加工的定域性就越差,切缝就越宽且不均匀㊂然而,更高的冲液速度必然引起更为剧烈的振动,所以,冲液速度的合理选取必须综合考虑冲液所引起的振动以及排屑效果对加工稳定性的双重影响㊂3.5 电解线切割加工微型花键采用最优的参数组合在5mm厚的不锈钢板上加工了实际中广泛应用的花键结构,以初步验证电解线切割实际加工高深宽比结构的可行性和稳定性㊂将线电极接电源负极,5mm厚的不锈钢板(304S S)接电源正极;电源电压为10.2V;电解液是10g/L的N a N O3溶液;电极丝的进给速度为0.5μm/s;冲液速度为0.75m/s㊂电极丝进给的路程为5.57mm,包络出的花键结构的切缝宽度在160μm左右,其深宽比将近30,如图8所示㊂在加工进行的全过程中没有一次短路现象出现,加工过程稳定㊂试验结果验证了用电解线切割结合冲液的方法在厚不锈钢板上加工高深宽比结构的可行性㊂采用不同的加工参数进行试验后表明,采用最优的加工电压㊁N a N O3电解液质量浓度㊁电极丝进给速度和冲液速度的参数组合进行加工能够有效地抑制电解加工中的杂散腐蚀,且加工过程稳定,加工过程前后的一致性好;一次加工成形的表面质量好,粗糙度R a仅为0.5μm左右,优于传统的切削加工方法和一些热加工技术㊂特别是和昂贵的慢走丝电火花机床相比,用冲液电解线切割方法获得的加工质量的代价是较低廉的,值得继续㊃669㊃(a)微型花键结构俯视图(b)微型花键结构侧视图图8 微型花键结构深入研究㊂4 结论(1)电解线切割加工厚不锈钢板时,存在电解产物无法顺利排除,加工无法稳定进行的难题㊂本文设计的轴向冲液夹具将轴向冲液的方法引入到了电解线切割中,很好地解决了该难题㊂ (2)在自制的加工系统中,进行了冲液电解线切割加工试验㊂通过试验发现,减小加工电压㊁降低电解液浓度㊁提高电极丝进给速度和增加冲液速度都能提高电解加工的定域蚀除能力,使切割缝宽变窄㊂但缝宽在缩小的同时,电解产物排除变得困难,加工稳定性变差㊂(3)在5mm 厚的不锈钢板上稳定地加工出了花键结构,该花键由缝宽为160μm ,深宽比高达30的窄缝包络而成㊂试验结果证明采用电解线切割在厚不锈钢板上加工高深宽比结构是可行的㊂本文为电解线切割这一电解加工新方法进一步走向实际应用奠定了基础㊂参考文献:[1] K i m B H ,N aC W ,L e eY S ,e ta l .M i c r oE l e c t r o -c h e m i c a l M a c h i n i n g o f3D M i c r o S t r u c t u r e U s i n g D i l u t eS u l f u r i cA c id [J ].A n n a l so f t h eC I R P ,2005,54(1):191‐194.[2] 王昆,朱荻,张朝阳.微细电解线切割加工的基础研究[J ].中国机械工程,2007,18(7):833‐837.[3] Z h uD ,W a n g K ,Q u N S .M i c r o W i r eE l e c t r o c h e m i c a l C u t t i n g b y U s i n gI nS i t uF a b r i c a t e d W i r eE l e c t r o d e [J ].A n n a l s o f t h eC I R P ,2007,56(1):241‐244.[4] 王少华,朱荻,曲宁松,等.微细缝结构电解加工研究[J ].中国机械工程,2009,20(8):965‐970.[5] 王明环,朱荻,徐惠宇.微螺旋电极在改善微细电解加工性能中的应用[J ].机械科学与技术,2006,25(3):348‐351.[6] W a n g W ,Z h uD ,Q uN S ,e t a l .E f f e c to fE l e c t r o d e I n s u l a t i o n T h i c k n e s s o n S i z e A c c u r a c y o f B o r e d H o l e i nE C DP r o c e s s [C ]//9t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r -e n c eo nP r o c e s sof M a c h i n i ng T e ch n o l o g y S wi t z e r -l a n d .2009,407/408:667‐671.(编辑 何成根)作者简介:朱 兵,男,1984年生㊂南京航空航天大学机电学院硕士研究生㊂研究方向为微机电系统及微细制造㊂朱 荻,男,1954年生㊂南京航空航天大学校长㊁博士研究生导师,教育部 长江学者”特聘教授㊂曾永彬,男,1978年生㊂南京航空航天大学机电学院讲师㊁博士研究生㊂王少华,男,1981年生㊂南京航空航天大学机电学院博士研究生㊂(上接第945页)[8] 姜万录.基于混沌性质和多分辨分析的故障诊断理论及试验研究:[D ].秦皇岛:燕山大学,2001.[9] 李俭川,胡茑庆,秦国军,等.贝叶斯网络理论及其在设备故障诊断中的应用[J ].中国机械工程,2003,14(10):896‐900.[10] S uH o n g S h e n g .M u l t i -s o u r c e F u z z y I n f o r m a t i o nF u -s i o nM e t h o dB a s e d o nB a y e s i a nO p t i m a l C l a s s i f i e r [J ].A c t aA u t o m a t i c a S i n i c a ,2008,34(3):282‐287.[11] 王玉珍.基于贝叶斯理论的分类模式挖掘方法研究[J ].微型计算机应用,2007,28(6):664‐668.[12] 朱永利,吴立增,李雪玉.贝叶斯分类器与粗糙集相结合的变压器综合故障诊断[J ].中国电机工程学报,2005,25(10):159‐165.[13] L i uS i y u a n ,J i a n g W a n l u ,N i u H u i f e n g .F a u l tD i a g -n o s i s o fH y d r a u l i cP u m p B a s e do nR o u ghS e t a n d P C A A l g o r i t h m [C ]//P r o c e e d i n g so f5t hI n t e r n a -t i o n a lC o n f e r e n c eo n F u z z y S y s t e m sa n d K n o w l -e d g eD i s c o v e r y.J i n a n ,2008:256‐260.[14] B e z d e kJC .P a t t e r nR e c o g n i t i o nw i t hF u z z y O b j e c -t i v eF u n c t i o nA l g o r i t h m s [M ].N e w Y o r k :P l e n u m P r e s s ,1981.[15] 韩捷,张瑞林.旋转机械故障机理及诊断技术[M ].北京:机械工业出版社,1997.(编辑 何成根)作者简介:姜万录,男,1964年生㊂燕山大学机械工程学院教授㊁博士研究生导师㊂主要研究方向为现代检测技术㊁故障诊断与智能信息处理㊁控制理论及应用㊂获国家科技进步二等奖2项,省部级科技进步奖6项㊂出版专著1部㊁教材3部,发表论文130余篇㊂刘思远,男,1981年生㊂燕山大学机械工程学院博士研究生㊂㊃769㊃。
金属钨小孔电火花–电解复合能场加工工艺研究
张彦;陈超
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2024(67)3
【摘要】钨具有一系列优良的物理化学性能,可以满足航天材料的性能要求,已广泛应用于卫星、飞机及航空发动机等设备的一些关键部件。
在使用传统加工技术制造零件时,加工过程通常受到零件和刀具界面处发热、弹性和塑性变形、高刀具磨损率及工件材料特性改变等问题的限制。
电火花加工(EDM)技术是导电材料最有效的加工工艺之一,但对于金属钨小孔的制造,现有的电火花加工工艺可靠性和加工效率仍无法满足加工需求。
提出在具有一定电导率的盐溶液下电火花–电解复合能场加工金属钨小孔的方法,分析加工时材料去除的机理,该方法利用电解作用在工具电极端产生氢气并形成气膜,促进两极之间等离子体放电通道的快速形成。
开展了加工工艺优化试验,分析不同参数对加工特性的影响规律。
在脉冲宽度3μs、脉冲间隙20μs、峰值电流14.17A、工作液浓度18 g/L的NaNO3电解液下获得了高效率高质量的金属钨小孔。
【总页数】9页(P14-22)
【作者】张彦;陈超
【作者单位】南京工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG6
【相关文献】
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5.基于电火花-电解复合加工的钨材料微小孔加工研究
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单晶硅的磨削辅助电火花线切割机理研究
贾祯;李淑娟;麻高领;邵伟;乔畅;张晨
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2022(33)20
【摘要】针对目前磨削辅助电火花线切割(A-WEDM)微观切割机理尚不明确的问题,以单晶硅为加工对象,通过设计电路对最大放电间隙进行了测量。
通过采集和分析加工中的放电波形、观测加工后工件表面形貌同时比较磨粒出刃高度与放电间隙的大小,研究了A-WEDM材料去除机理。
考察了4个因素(脉冲宽度、占空比、进给速度和线锯速度)对A-WEDM切割单晶硅的材料去除率和表面粗糙度的影响。
实验结果表明,A-WEDM切割单晶硅的最大放电间隙为57μm,在加工的初始阶段先产生放电腐蚀作用;当加工处于稳定阶段时,在每个脉冲宽度内,工件材料在放电腐蚀与金刚石颗粒磨削的耦合作用下被去除;而在每个脉冲间隔内,放电腐蚀作用停止,金刚石颗粒的磨削作用仍然存在,从而去除了放电产生的部分重铸层与电蚀坑。
【总页数】10页(P2459-2467)
【作者】贾祯;李淑娟;麻高领;邵伟;乔畅;张晨
【作者单位】西安理工大学机械与精密仪器工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG661
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5.基于响应曲面法与改进非支配遗传算法电火花线切割单晶硅工艺优化
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三维微结构微细电火花和电解组合加工实验研究胡满红;李勇;佟浩;马晓宇【摘要】提出一种微三维结构的微细电火花和微细电化学组合加工工艺,利用三维伺服扫描微细电火花加工快速去除三维型腔材料和微细电解铣削加工形成高精度和高质量三维型腔轮廓表面的互补优势,实现三维微结构的高效率和高精度加工.该组合加工工艺可在同一台微细电加工装置上进行.以在四方体型腔内形成设计尺寸为400 μm×400 μm×180 μm四棱柱结构的加工为例,实验加工出尺寸为410μm×406 μm×181 μm的四棱柱结构,加工材料的去除速度分别为微细电火花加工31 182 μm3/s,微细电解加工11 017 μm3/s,得到了加工效率和加工精度的优化组合.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2010(000)002【总页数】6页(P28-32,37)【关键词】微三维结构加工;组合加工工艺;伺服扫描微细电火花加工;微细电解铣削加工【作者】胡满红;李勇;佟浩;马晓宇【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TG661微细电火花加工技术和微细电化学加工技术都适于三维微结构的加工。
微细电火花加工依靠电能在放电间隙放电产生的热能熔化蚀除金属;而微细电解加工利用电流流过加工间隙,使金属在电解液中以阳极离子形式溶解来蚀除金属。
两种加工技术都是利用电能蚀除金属材料,在加工设备上有很大的共性,都是由三维运动平台、脉冲电源、工作液循环系统等组成,可方便地在一台设备上实现两种加工技术的复合或组合。
三维结构的电加工方法可分为成形电极法和简单电极分层扫描成形法。
而对于三维微结构加工来说,由于微细成形电极的制造本身就很困难,且在微细电火花加工中电极损耗相对严重,在微细电解加工中平衡稳定的加工间隙难以控制,所以成形电极法在三维微结构加工中很少采用。
