© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第3卷第2期2005年6月纳 米 技 术 与 精 密 工 程NanotechnologyandPrecisionEngineeringVol.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)0220151205
MicroElectrochemicalFabricationZHUDi,WANGMing2huan,MINGPing2mei,ZHANGZhao2yang(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronautics
andAstronautics,Nanjing210016,China)
Abstract:Thispaperisfocusedondevelopingmicroelectrochemicalfabricationprocesses,includingmicroe2lectroformingandmicroelectrochemicalmachining.Theprinciple,advantageandsomeimportantissuesofmi2croelectrochemicalfabricationprocessesarediscussed.Forsometypicalmicrostructures,methodsandtechni2calroutesweresuggestedinmicroelectrochemicalfabricationbyemployingnanosecond2widthpulsecurrent,andelectrochemicalmicromachining,etc.Severalexamplesofmicroelectrochemicalfabricationareintroduced,suchasmicrobeaning,micropinsandtips,microgearmould,etc.Thepresentedmethodhasapotentialap2plicationinthemicropartfabrication.Keywords:micromachining;electrochemicalfabrication;pulsecurrent
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IC工艺中的硅片刻蚀技术,LIGA、LIGA2LIKE、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(electroforming),另一类是基于阳极溶解的减材
3收稿日期:20052032
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作者简介:朱 荻(1954— ),男,博士,教授.E2mail:dzhu@nuaa.edu.cn.© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
制造技术———电解加工(electrochemicalmachining).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IBM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KARISRUHE
研究所将微细电铸与光刻技术集成,发明了LIGA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100nm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Meso2Scale(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LIGA技术中一个重要的不可替代的组成部分.在LIGA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LIGA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 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net(a)工艺流程
(b)制备的微型齿轮
图2 准LIGA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1Cr18Ni9Ti,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.