三维微电极叠层拟合制备及其质量控制与成形磨削

The project proposes a novel method for fabricating 3D micro electrode which is used in micro EDM. In this method, wire cutting is used to fabricate the 2D copper microstructure and thermal diffusion weld is used to complete the connection of multilayer 2D copper microstructure to fit the 3D microelectrode. In nowadays, the 3D micro cavity is fabricated through layer by layer scanning electro discharge machining of 2D micro electrode. Through the process style of get up and down, 3D micro electrode can be used for fabricating the 3D micro cavity. Compared with 2D micro electrode, 3D micro electrode has high efficiency and low loss in the fabrication of 3D micro cavity and thus it can be used to process the 3D micro cavity with high depth-to-width ratio..The step effect and thermal diffusion weld quality is the key factor for affecting the machining precision of 3D micro electrode and joint discharge mark of 3D micro cavity. For the above problems, the project proposes electric discharge form grinding for reducing the step effect of 3D micro electrode and sputtering Sn film in the surface of Cu foil to improve the thermal diffusion weld quality. In the research process of above key scientific issues, the project will focus on the quantitative characterization of step loss in the electric discharge form grinding, distribution law of Sn and Sn-Cu alloy in the direction of Cu foil thickness and its impact on the EDM performance of 3D micro electrode. The research results can radically improve dimensional accuracy and quality of the 3D micro electrodes. The project will open up a new research field for fabricating the 3D micro- electrode.

本项目首次提出一种用于微细电火花加工的三维微电极制备方法。该方法通过线切割分别完成多层铜箔二维微结构的加工，再利用热扩散焊将多层铜箔二维微结构叠加拟合成三维微电极。与目前主流的微细电极逐层扫描放电加工三维微型腔的工作方式相比，三维微电极只需进行上下往返式加工，工作效率高且损耗低，可完成大深宽比三维微型腔的电火花加工。.针对台阶效应和热扩散焊质量分别是影响叠层微电极制备精度和加工微型腔产生接缝放电痕缺陷的关键因素，提出通过电火花成形磨削来消减三维叠层微电极台阶效应和在铜箔上下表面溅射锡膜以大幅提高热扩散焊质量。针对上述关键科学问题，本项目将聚焦研究电火花成形磨削过程中台阶损耗规律的定量表征和热扩散焊后锡相与铜锡合金化合物沿铜箔厚度方向的分布规律及其对放电加工性能的影响，从而可以从根本上提高三维叠层微电极的制备精度和质量。本项目的研究将开拓一种全新的电火花三维微电极制备方法和研究领域。

本项目提出采用线切割结合真空压力热扩散焊制备三维微电极并将其应用于微细电火花加工，以此减小电极损耗并提高三维微结构的加工效率。通过线切割对铜箔进行切割从而获得多层二维微结构，通过真空压力热扩散焊将多层二维微结构进行连接从而叠加拟合出三维微电极。与通过具有简单截面形状的微细电极进行逐层扫描放电加工从而获得三维微结构的加工方式相比，三维微电极只需进行上下往返式加工便可获得三维微结构，加工效率高且电极损耗低。本项目的主要研究成果如下：.（1）在脉冲宽度10μs，脉冲间隔40μs，线切割电流0.42A，电压80V，热扩散温度850℃，热扩散时间10h，压力100N的工艺参数下，使用100μm厚的铜箔制备了表面质量良好的三维微电极。在电压80V，脉冲频率0.2MHZ，脉冲宽度400ns，脉冲间隔4600ns的作用下，使用三维微电极对304不锈钢材料进行微细电火花加工，获得了表面粗糙度Ra=0.48μm的三维微结构。微细电火花加工获得的三维微结构与设计模型基本相符。.（2）为了研究三维微电极的损耗，将三维微电极进行离散化处理。离散后的三维微电极由α类电极、β类电极和γ类电极组成。通过对这三类电极的损耗进行研究发现：α类电极、β类电极和γ类电极的损耗与其所经历的加工深度呈线性关系；α类电极的拟合斜率k=-0.24071，损耗最大；β类电极的拟合斜率k=-0.21524，损耗次之；γ类电极的拟合斜率k=-0.19767，损耗最小。.（3）台阶效应是三维微电极的原理误差，本项目通过电火花成形磨削对三维微电极的台阶效应进行磨削。通过实验发现：台阶效应对三维微电极加工结果的影响与成形磨削次数正相关，成形磨削次数越多，台阶效应对加工结果的影响越小。.（4）为了消除微型腔表面的接缝放电痕，本项目制备Cu/Sn/Cu三维复合微电极。使用锡膜厚度为1μm的铜箔（50μm厚）为原材料，在900℃热扩散焊温度，15h热扩散焊时间和100N压力的作用下，制备了具有良好放电加工性能的三维复合微电极。将三维复合微电极用于微细电火花加工，微型腔表面的接缝放电痕已基本消失。