CN114406375B - 一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，具体加工方法为：微磨具和辅助电极分别连接脉冲直流电源的负极和正极，电流经过回路时，微磨具在磨削液中发生电化学析氢反应产生氢气泡，多个氢气泡融合形成绝缘气膜并将微磨具与磨削液隔开；当电压大于临界放电电压时，气膜被击穿形成电化学放电并产生放电火花；放电区域内的工件表层材料在放电火花的作用下，一方面被直接烧蚀产生热影响层即物理改性，同时放电温升促使工件材料与磨削液发生化学反应生成硅酸盐即化学改性，改性层力学性能显著降低，能够快速高效地被微磨具磨除。本发明能够实现硬脆难导电硅基材料微小零件的高精高效低损伤加工，微磨具形状保持性好。
Description
技术领域
本发明涉及微细磨削加工技术领域，特别是涉及一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法。
背景技术
硅基材料在现代科技产业中的地位愈加重要，典型的硅基材料有单晶硅、单晶碳化硅、硅基陶瓷等，具有高强度、高硬度、耐磨损、难导电等重要特性。硅基材料主要用于制造微传感器、微流体设备、微光学元件等超精密三维微小零件，这些微小零件在航空航天、国防军事、微电子、现代医学和生物工程等尖端产业中的应用日益广泛。
由于硅基材料具有硬度高、脆性大及难导电的特性，采用现有的加工方法加工硅基材料微小零件时，加工效率与加工精度往往难以兼顾：特种加工技术中，激光加工和水射流加工能够达到较大的材料去除率，但表面粗糙度大且容易产生损伤缺陷；电子束加工和离子束加工能够实现亚微米级的尺寸精度，但其材料去除效率低；电火花加工与电化学加工材料去除率高，但表面粗糙度大且主要适用于导体材料。有学者提出采用电化学放电-磨削复合工艺加工钠钙玻璃、硼硅玻璃等硅基材料，研究发现材料去除模式主要为火花烧蚀去除，磨削工艺主要是去除少量重铸层，这对于硅基光学玻璃等易软化材料加工具有较好的效果。但是，对于单晶硅、碳化硅、硅基陶瓷等高熔点硅基材料，电化学放电很难高效熔除工件材料，从而其加工效率极低。鉴于此，亟需研发一种新的加工方法，实现高熔点难导电硬脆硅基材料微小零件的高精高效加工。
发明内容
为了克服上述现有加工方法的不足，本发明提供了一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，其主要特征为：采用电化学放电技术，用微磨具对硅基材料工件的待加工区域进行电化学放电赋能，使得放电区域内工件表层材料在物理改性和化学改性耦合作用下转变为力学性能显著降低的改性层，最后采用微磨具快速高效地磨除改性层，最终达到高精高效低损伤的加工效果，同时也能减小微磨具与工件之间的机械作用力，提高了微磨具的形状保持性和使用寿命。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案分为如下几个步骤：步骤一、电化学反应析氢成膜：脉冲直流电源的电流经过回路时，微磨具在磨削液中发生电化学析氢反应，磨削液中的H+从阴极得到电子生成氢气泡并附着在微磨具外圆周，多个氢气泡融合形成绝缘气膜，绝缘气膜将微磨具与磨削液隔开，析氢反应终止；同时辅助电极上发生析氧反应，使磨削液中的OH-失去电子生成O2，由于辅助电极的尺寸比微磨具大1~2个数量级，故辅助电极不足以形成气膜；步骤二、电化学放电：在脉冲直流电源的电压作用下，绝缘气膜的两侧积聚大量带电粒子并形成局部强电场，其中微磨具上聚集着带负电的自由电子，磨削液中聚集着带正电的阳离子，当电压达到临界放电电压时，绝缘气膜被击穿，微磨具与磨削液之间形成放电通道，带电粒子在放电通道内的高速定向运动形成电化学放电并产生放电火花；步骤三、工件材料改性：放电火花直接烧蚀其附近的工件，工件位于放电中心内的少量材料的温度能够升高到其熔化、气化温度，从而被直接蚀除；工件位于放电中心附近的材料，因为温度骤变而产生热影响层，从而实现对工件的烧蚀软化，即工件表层材料的物理改性；同时，电化学放电产生的热能作用于工件和磨削液上并使得其温度升高，温升促使硅基材料的工件与磨削液发生化学反应，化学反应包括磨削液内的H2O2在Fe2+的催化下产生*OH，*OH与硅基材料反应生成SiO2，SiO2进一步与磨削液中的OH-反应生成硅酸盐，最终实现工件的表层材料由硬脆的硅基材料转化为软质的硅酸盐材料，即工件表层材料的化学改性；物理改性产生的热影响层和化学改性产生的硅酸盐一起构成改性层；步骤四、消离冷却：脉冲直流电源进入脉冲间隔期，微磨具与磨削液之间的电压急剧降为零，放电火花和绝缘气膜消失，磨削液与微磨具恢复接触；磨削液冷却微磨具和工件，并将蚀除产物排出；步骤五、改性层磨削：在电化学放电物理改性和化学改性耦合作用下生成的改性层力学性能显著降低，微磨具高速旋转并连续进给，改性层被微磨具上的超硬磨料快速磨除，从而实现硬脆难导电硅基材料工件的高质高效高精加工；步骤六、重复步骤一至步骤五，微磨具沿预设的加工路径进给，能够在工件的表面加工出大量的微小结构。
所述磨削液各组分质量分数范围：去离子水为50%~70%、Na2CO3为16%~26%、H2O2为8%~16%、EDTA-Fe-Na为5%~9%；所述磨削液常温下与硅基材料不发生反应，而在高温下与该材料发生化学反应并产生软质的硅酸盐，其反应速率随着温度的升高显著上升。
控制所述脉冲直流电源的电参数能够实现工件的定域高效电化学放电改性，在比单一机械磨削更大的磨削参数下能够实现硬脆材料脆性去除向塑性去除转变，即增大了脆-塑性域去除转变的最大未变形切屑厚度；所述脉冲直流电源峰值电压范围为20 V~100V，脉冲宽度范围为0.1 μs~1 ms，占空比范围为0.1~0.8。
所述微磨具相对工件能够进行精密的进给运动，其加工转速大于10000 r/min，磨削深度范围为0.2 μm~25 μm，进给速度范围为0.1 mm/min~10 mm/min。
所述工件材料为单晶硅、多晶硅、单晶碳化硅、多晶碳化硅、硅基陶瓷。
实施本发明所述的硅基材料电化学放电辅能微细磨削方法加工，能够获得以下有益效果。
①实现了硅基材料的高精度加工。工件加工区域内的材料经过电化学放电赋能改性，微磨具的效能更多集中在磨除改性层及少量硬脆基体材料，弱化了超细磨粒/工件的机械力作用，有效缓解磨粒的磨损、破碎和脱落，提升了微磨具的保持性，提高了微小结构的形状精度；利用电化学放电高温将硬脆难导电材料软化，能够实现微小结构的改性区域和生成物可调可控，提高了微小零件的尺寸精度；超细磨粒微磨具磨除改性层，确保了硬脆材料的纳米级表面粗糙度。
②实现了硅基材料的高效率加工。电化学放电火花烧蚀工件导致表层材料“物理软化”，微磨具上磨粒划过工件时极易将改性层快速去除；放电火花的瞬时高热能场促使磨削液与硅基材料快速发生氧化还原反应，将硬脆硅基材料高效定域改性为硅酸盐软质层，“化学软化”进一步提高了硅基硬脆难导电材料的加工效率。
③减少/消除了加工损伤。与单一微细磨削加工相比，通过材料改性增大了低磨削速度下的脆性/延性域转变临界切深，从而减小甚至消除磨削表面/亚表面加工损伤；材料改性弱化机械去除应力，能够减少硬脆微小结构崩边、凹坑、破碎、裂纹等加工损伤缺陷。
④提升微磨具保持性和寿命。改性后的硅基材料力学性能显著降低，使得磨削时磨粒与工件的机械作用力大大减小，减轻了磨粒的磨损、破碎和脱落的演变速度，提升了微磨具的形状保持性，延长了微磨具的使用寿命，也间接提升了加工后微小结构的形状精度。
⑤微磨具可自锐。电化学放电时，微磨具工作面上的镀层材料也会被微量烧蚀，实现微磨具的自锐，有利于微磨具磨削性能的保持，提高磨削过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法的加工原理示意图。
图2为本发明一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法所需装置的示意图。
图3为图2中的微磨具的磨头（虚线框内）部分的局部放大图。
图4为本发明一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法的工件的示意图。
附图标记：1.微磨具；1-1.磨具基体；1-2.电镀层；1-3.超硬磨料；2.磨削液；3.工件；3-1.微小结构；4.辅助电极；5.加工槽；6.脉冲直流电源；7.气膜；8.放电火花；9.氢气泡；10.改性层；10-1.热影响层；10-2.硅酸盐。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图2所示，一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，包括下列步骤。
步骤一、电化学反应析氢成膜：脉冲直流电源（6）的电参数中，脉宽为60 μs，占空比为0.2，峰值电压为40 V；脉冲直流电源（6）的电流经过回路时，微磨具（1）在磨削液（2）中发生电化学析氢反应，磨削液（2）中的H+从阴极得到电子生成氢气泡（9）并附着在微磨具（1）外圆周，多个氢气泡（9）融合形成绝缘气膜（7），绝缘气膜（7）将微磨具（1）与磨削液（2）隔开，析氢反应终止；同时辅助电极（4）上发生析氧反应，使磨削液（2）中的OH-失去电子生成O2，由于辅助电极（4）的尺寸比微磨具（1）大20倍，故辅助电极（4）不足以形成气膜。
步骤二、电化学放电：在脉冲直流电源（6）的电压作用下，绝缘气膜（7）的两侧积聚大量带电粒子并形成局部强电场，其中微磨具（1）上聚集着带负电的自由电子，磨削液（2）中聚集着带正电的Na+、Fe2+、H+离子，当电压达到临界放电电压时，绝缘气膜（7）被击穿，微磨具（1）与磨削液（2）之间形成放电通道，带电粒子在放电通道内的高速定向运动形成了电化学放电并产生放电火花（8）。
步骤三、SiC工件（3）材料改性：放电火花（8）直接烧蚀其附近的SiC工件（3），SiC工件（3）位于放电中心内的少量材料的温度能够升高到其熔化、气化温度，从而被直接蚀除，放电火花（8）对微磨具（1）工作面上的电镀镍层（1-2）材料也会有微量烧蚀，微磨具（1）实现的自锐，有利于微磨具（1）磨削性能的保持，提高磨削过程的稳定性；SiC工件（3）位于放电中心附近的材料，因为温度骤变而产生热影响层（10-1），从而实现对SiC工件（3）的烧蚀软化，即SiC工件（3）表层材料的物理改性，物理改性后，微磨具（1）上金刚石磨粒（1-3）划过工件（3）时极易将改性层（10）快速去除；同时，电化学放电产生的热能作用于SiC工件（3）和磨削液（2）上并使得其温度升高，温升促使SiC工件（3）与磨削液（2）发生化学反应，化学反应包括磨削液（2）内的H2O2在Fe2+的催化下产生*OH，*OH与SiC反应生成SiO2，SiO2进一步与磨削液（2）中的OH-反应生成硅酸盐（10-2），最终实现SiC工件（3）的表层材料由硬脆的SiC转化为软质的硅酸盐（10-2）材料，即SiC工件（3）表层材料的化学改性，具体反应式分别为：
H2O2+ catalyst →*OH；
SiC+*OH+O2→SiO2+CO2+H2O；
SiO2+OH-→SiO3 2-+H2O。
步骤四、消离冷却：脉冲直流电源（6）进入脉冲间隔期，微磨具（1）与磨削液（2）之间的电压急剧降为零，放电火花（8）和绝缘气膜（7）消失，磨削液（2）与微磨具（1）恢复接触；磨削液（2）冷却微磨具（1）和SiC工件（3），将蚀除产物排出。
步骤五、改性层（10）磨削：在电化学放电物理改性和化学改性耦合作用下生成的改性层（10）力学性能显著降低；微磨具（1）以转速60000 r/min，进给速度500 μm/min，磨削深度5 μm的磨削参数进行加工；改性层（10）被微磨具（1）上的金刚石磨料（1-3）快速磨除，微磨具（1）的效能更多集中在磨除改性层（10）及少量硬脆基体材料，弱化了金刚石磨粒（1-3）与SiC工件（3）的机械力作用，有效缓解金刚石磨粒（1-3）的磨损、破碎和脱落，提升了微磨具（1）的保持性，提高了微小结构（3-1）的形状精度和微磨具（1）的寿命；与单一微细磨削加工相比，通过SiC材料改性增大了低速磨削速度下的脆性/延性域转变临界切深，从而减小甚至消除磨削中崩边、凹坑、破碎、裂纹加工损伤，最终实现硬脆难导电的SiC工件（3）的高质高效高精加工。
步骤六、重复步骤一至步骤五，微磨具（1）沿预设的加工路径进给，能够在工件（3）的表面加工出大量微小的流道（3-1）。
上述实例的具体叙述仅用于更清楚地说明本发明，并非限制本发明的范围，在本发明的公开范围之内所做的任何等同替换、修改等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，该方法所需的电化学放电辅助微细磨削装置包含微磨具(1)、磨削液(2)、工件(3)、辅助电极(4)、加工槽(5)和脉冲直流电源(6)；加工槽(5)内充满磨削液(2)，微磨具(1)、工件(3)和辅助电极(4)浸泡在磨削液(2)中；微磨具(1)是由导电的磨具基体(1-1)、导电的电镀层(1-2)和绝缘的超硬磨料(1-3)组成，微磨具(1)连接脉冲直流电源(6)的负极构成阴极；磨削液(2)是由H2O2、Na2CO3、EDTA-Fe-Na和去离子水组成，具有导电性；工件(3)的材料为硬脆难导电硅基材料，需要在其表面加工出大量的微小结构(3-1)，工件(3)放置于微磨具(1)附近；辅助电极(4)由大块惰性导电材料构成，连接脉冲直流电源(6)的正极，与导电的磨削液(2)构成阳极，辅助电极(4)的尺寸比微磨具(1)大1～2个数量级；其特征在于，加工过程为：
步骤一、电化学反应析氢成膜：脉冲直流电源(6)的电流经过回路时，微磨具(1)在磨削液(2)中发生电化学析氢反应，磨削液(2)中的H+从阴极得到电子生成氢气泡(9)并附着在微磨具(1)外圆周，多个氢气泡(9)融合形成绝缘气膜(7)，绝缘气膜(7)将微磨具(1)与磨削液(2)隔开，析氢反应终止；同时辅助电极(4)上发生析氧反应，使磨削液(2)中的OH-失去电子生成O2，由于辅助电极(4)的尺寸比微磨具(1)大1～2个数量级，故辅助电极(4)不足以形成气膜；
步骤二、电化学放电：在脉冲直流电源(6)的电压作用下，绝缘气膜(7)的两侧积聚大量带电粒子并形成局部强电场，其中微磨具(1)上聚集着带负电的自由电子，磨削液(2)中聚集着带正电的阳离子，当电压达到临界放电电压时，绝缘气膜(7)被击穿，微磨具(1)与磨削液(2)之间形成放电通道，带电粒子在放电通道内的高速定向运动形成电化学放电并产生放电火花(8)；
步骤三、工件(3)材料改性：放电火花(8)直接烧蚀其附近的工件(3)，工件(3)位于放电中心内的少量材料的温度能够升高到其熔化、气化温度，从而被直接蚀除；工件(3)位于放电中心附近的材料，因为温度骤变而产生热影响层(10-1)，从而实现对工件(3)的烧蚀软化，即工件(3)表层材料的物理改性；同时，电化学放电产生的热能作用于工件(3)和磨削液(2)上并使得其温度升高，温升促使硅基材料的工件(3)与磨削液(2)发生化学反应，化学反应包括磨削液(2)内的H2O2在Fe2+的催化下产生*OH，*OH与硅基材料反应生成SiO2，SiO2进一步与磨削液(2)中由Na2CO3水解产生的OH-反应生成硅酸盐(10-2)，最终实现工件(3)的表层材料由硬脆的硅基材料转化为软质的硅酸盐(10-2)材料，即工件(3)表层材料的化学改性；物理改性产生的热影响层(10-1)和化学改性产生的硅酸盐(10-2)一起构成改性层(10)，通过控制所述脉冲直流电源(6)的电参数，能够实现工件(3)的定域高效电化学放电改性；
步骤四、消离冷却：脉冲直流电源(6)进入脉冲间隔期，微磨具(1)与磨削液(2)之间的电压急剧降为零，放电火花(8)和绝缘气膜(7)消失，磨削液(2)与微磨具(1)恢复接触；磨削液(2)冷却微磨具(1)和工件(3)，并将蚀除产物排出；
步骤五、改性层(10)磨削：在电化学放电物理改性和化学改性耦合作用下生成的改性层(10)力学性能显著降低，微磨具(1)高速旋转并连续进给，改性层(10)被微磨具(1)上的超硬磨料(1-3)快速磨除，由于改性层(10)的产生增大了微细磨削工艺脆-塑性域去除转变的最大未变形切屑厚度，使得硬脆工件材料的去除由脆性去除向相对平稳的延性去除方向转变，从而实现硬脆难导电的硅基材料工件(3)的高质高效高精加工；
步骤六、重复步骤一至步骤五，微磨具(1)沿预设的加工路径进给，能够在工件(3)的表面加工出大量的微小结构(3-1)。
2.根据权利要求1所述的硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，其特征在于：所述磨削液(2)各组分质量分数范围：去离子水为50％～70％、Na2CO3为16％～26％、H2O2为8％～16％、EDTA-Fe-Na为5％～9％。
3.根据权利要求1所述的硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法，其特征在于：所述微磨具(1)加工转速大于10000r/min，磨削深度范围为0.2μm～25μm，进给速度范围为0.1mm/min～10mm/min。
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