论文总字数：20273字

摘 要

随着现代微机电系统的发展和创新，对于微型零件制造的需求也变得越来越多。作为众多微细加工技术的一员，微电子化学加工技术在微机电系统和微加工中越来越受到重视，特别是在微轴类、孔类零件的加工中，以及一些微观织构例如微细槽，微细群孔。模板电解加工作为微细电解加工中极为重要的一种加工方式其加工尺寸可以达到微米级。由于模板电解加工中工具阴极和工件阳极之间零接触，使其具有众多的加工优势，如在阳极表面不会产生残余应力，工件不会像切削加工那样产生塑性变形以及切削温度的影响。

本课题将从模板特征结构入手，具体探讨阴阳极板之间的距离a，模板图案处的深径比AR以及各孔之间的间距s这些模板特征结构对于加工表面电流密度分布的影响，本课题将采用模拟仿真软件comsol,通过改变研究参数数值的方法来研究初始加工表面的电流密度分布并分析其对最后加工结果的影响并探讨出最优的模板特征结构。

关键词：模板电解加工 模板特征结构

Feature structure design of mask in electrochemical machining

Abstract

With the development and innovation of modern mems, the demand for the manufacture of miniature parts has become more and more. As a member of many micro-machining technologies, micro-electronic chemical machining technology has been paid more and more attention to in mems and micro-machining, especially in the processing of micro-axis and pore parts, as well as some micro-textures such as micro-grooves and micro-pores. As one of the most important machining methods in micro electrochemical machining, the machining size of template electrochemical machining can reach micron level. Because of the zero contact between the tool cathode and the workpiece anode in the template electrochemical machining, it has many processing advantages, such as no residual stress on the anode surface, the workpiece will not produce plastic deformation as in the cutting process and the influence of cutting temperature.

This topic from the template feature structure of concrete to explore the distance between the plates of Yin and Yang, a template design in depth to diameter ratio of AR and the spacing between each hole s characteristics of these template structure for processing the surface current density distribution, the influence of this subject will use the simulation software comsol, by changing the parameters of the numerical method to study the initial current density distribution on the surface of the processing and analyzing its influence on finishing results and the features of the optimal template structure.

Key words: template electrochemical machining template characteristic structure

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1微细加工的方法 1

1.1.1 LIGA技术 1

1.1.2微细切削加工 2

1.1.3超声波微细加工 3

1.1.4微细电解加工技术 5

1.2 模板电解加工技术研究现状 7

1.2.1光刻电解加工技术 7

1.2.2电解转印加工技术 8

1.2.3 覆铜板掩模电解加工技术 9

1.3研究背景和意义 10

1.4主要研究内容 10

第二章 模板电解加工基本理论及电场仿真 1

2.1电解加工基本原理 1

2.1.1阳极溶解原理 1

2.2电场仿真 3

2.2.1 物理模型及边界条件 3

2.2.2 影响因素及仿真条件 4

2.2.3 基于COMSOL的电场模型建立及仿真 5

第三章 基于电场模型的有限元分析 1

3.1不同阴阳极板间距下对初始电流密度影响 1

3.2不同孔间距下对初始电流密度影响 3

3.3模板深径比对初始电流密度影响 5

3.4 模板电解加工初始阳极成形 7

第四章 经济性分析 9

4.1模板特征结构对初始电流密度影响总结 9

4.2模板电解加工试验设备经济性分析 9

参考文献 11

致谢 1

第一章 绪论

1.1微细加工的方法

微细加工原指在极小型零件上进行高精度加工的方式，在机械领域展开的微精制造，从加工出零件的大小可以分为三种类型，第一种是尺寸在1mm-10mm的微小机械，第二种尺寸在1𝜇𝑚-1mm的微型机械。第三种是尺寸在1nm-1𝜇𝑚的纳米机械，微细加工指的是加工尺寸从微米级到纳米级的加工方式统称。微细加工的内容包含从现代特种加工到微细切削加工多种加工方式。在微型机械的制造过程中往往将会是多种微细加工方式结合在一起。集成电路是一种微型电子器件，它的兴起与发展离不开微细加工在其生产过程中发挥得重要作用，正是由于微细加工的帮助才使得先进的电子产品达到如此先进的高度。现今，对于微细又有了更高的要求，对于微细加工也为其赋予了更多的内涵，现在在特种新型设备，电子电气装置以及微细零件的加工和一些微观织构分析中发挥着日趋重要的作用。如今微细加工已不再简单微细机械加工方法，像电，磁，声等可利用的加工手段也慢慢的被结合到了微细加工当中。

1.1.1 LIGA技术

LIGA技术是结合了光刻技术以及微机电系统进行加工的方法（其加工过程如图1-1），其主要加工过程包括利用x射线同步辐射光刻胶形成所需形状，随后利用电铸技术形成模具，最后在模具中注塑形成要求的加工产品。由于LIGA技术所利用的x射线具有良好的平行度以及较高的辐射强度，这些优点使得该技术能够加工出大深径比的孔，其加工出的结构表面光滑同时位置度公差可以控制在亚微米级的范围内浮动，上述所提到的这些加工特点是其他微细加工所不具有的。LIGA技术在几十年的发展到如今依旧具有很强的生命力。利用LIGA技术不仅能够加工出微米乃至纳米级的微观结构如（图1-2）还可以加工出毫米级的微细结构。南京电子技术研究所以及大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室为了能在金属内部制作出用于降温的微型通道，开始了利用UV-LIGA进行高精度金属微通道制作的相关技术研究。在实验过程中成功解决了如何制作较大厚度胶膜的难题，同时成功的利用了电解铸造技术完成金属相关微细结构的制作。实验最后得出的金属散热基板总体宽度仅有100 𝜇𝑚，金属内部加工出的管道深径比也都大于5，该项实验过程揭示了该种方法的高效率以及制作出产品精度高，实物如图1-3所示。

1.1.2微细切削加工

微细切削加工是指在极小的零件上进行精密的金属切除的加工方法，它发展于常规金属加工采用的大型机床设备的。主要包括在微观条件车削回转类零件，铣削微观三维结构，钻孔以及磨削表面等。微细车床可以加工一些微小的盘装零件或者是轴类零件，其也具有着与普通车床相似的结构，它也具有机床的反馈环节和机床的操控系统，但是由于其尺寸很小所以对于微细车床的主轴与刀具上具有着更高的要求。图1-4乃是采用微细车床加工出的微型丝杠。微细钻床的难点在于加工出合格的微型麻花钻，而微细麻花钻的制备又要依赖于微细磨削与电火花加工相结合的特殊加工方式。图1-5为微细麻花钻的加工过程。微细铣削虽然加工零件尺寸微小但该种加工方式依旧可以和宏观的铣削加工一样加工出复杂的三维结构，在完成快速铣削的同时机床的本身还可以加装多种应用模块来增加机床的功能。2005年哈尔滨工业大学成功的制造出了国内第一台微型铣削机床，该机床的成功为我国以后的微型机床的发展打下了基础。该微型铣床采用卧式结构并可以达到三轴联动，该机床的外廓尺寸大致为300mmx150mmx165mm，该机床虽然微型化但是铣床的检测和控制设备依旧具备，机床主轴采用日本NSK生产的空气动力主轴，主轴转速可以达到2500r/s，其机床功率21kw，同时机床配备了PMAC的运动控制设备，样机如图 1-6所示。

1.1.3超声波微细加工

超声波微细加工常用于打孔以及零件表面的抛光，其加工的基本方式是利用超声波发生器先将交流电源输出的电能转化为一种频率超过20000hz的电振荡，随后换能器再将高频电振荡转变为此频率下的机械振动，最后通过变幅杆末端的工具带动悬浮液中的微小颗粒撞击需要加工的工件表面来实现材料的去除。（原理图如图1-7所示）当利用其来加工零件表面的微观结构时，主要是依靠振动加工间隙的磨粒来达到加工凹坑和微槽的目的，如果改变振动工具的形状还可以适应在微孔中加工出想要的微观形貌。在20世纪初期超声波加工开始出现并得到应用，很适合于加工一些常规方式无法加工或难加工的材料，与此同时该种方法还兼具能够完成高精度表面加工的优点。

南京航天航空大学的霍树青采用超声加工工艺，装配了一套超声加工设备。该套设备主要由四个模块组成，包括超声波发生器，变幅杆，换能器以及匹配电路[19]。大连理工大学的杨晓辉与东京大学的增泽隆久采用超声加工技术在不同的板材上加工出微孔并进行试验，试验研究了不同振动幅值，不同硬度的材料等因素与刀具寿命之间的关系^[20]。太原理工大学的甘露华在小孔中利用极细金属线进行超声去毛刺加工并分析了不同工艺参数对于加工结果的影响 ^[21-22]。张余升，荆怀靖等人利用超声加工辅助电火花打孔技术，最后加工出平均直径为120𝜇𝑚深径比达29的通孔^[23]如图1-8所示。贾宝贤，边文凤等人成功的在超声辅助微细机床上加工出了13𝜇𝑚的小孔，如图1-9所示^[24]。

1.1.4微细电解加工技术

电解加工中首先是将连接好的工具和待加工工件放入电解液中随后通电，通电后阳极会在电解液中发生电化学腐蚀，并依据所给的成形阴极来获得所需加工形状。从加工机理上看，电解加工是从原子层面将失去电子的金属原子从工件上去除，区别于切削加工的整块切削的去除而是从微观上去除材料。这种从金属离子角度去除材料的特性让其具备发展成为微细加工的可能性。因为在整个过程中阴阳极自开始到结束都不会实际接触，所以工具阴极理论上无损耗，且加工完全不受材料本身的物理特性的影响，如材料的硬度，塑性等，具有有着能够加工大多数金属材料的优点。由于无接触所以也就不存在加工时的残余应力和金相组织变化，其加工出的表面具有低的表面粗糙度^[1]。微细电解加工技术是电化学领域当中极具生命力和发展潜力的加工方式^[2]。

请支付后下载全文，论文总字数：20273字