微细掩膜电解加工的孤岛有限元仿真研究.pdf

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1、《电加工与模具)2014年第4期设计·研究微细掩膜电解加工的孤岛有限元仿真研究唐仪，黄志刚，郭钟宁，黄红光，何长运(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)摘要：在微细掩膜电解加工初期，被加工表面会形成孤岛结构，不利于加工出形状、精度良好的浅表面微结构，故减小电解加工过程中的孤岛结构很有必要。采用有限元方法建立了微细掩膜电解加工的数学模型，并利用该模型分析掩膜厚度和加工间隙对孤岛变化的影响．进而推论出电解加工开始时，被加工面上不均匀的电流密度分布是形成孤岛的原因。通过增加被加工表面的电流密度的均匀性．可提高浅表面微结构的加工质量。

2、关键词：孤岛；电化学加工；电流密度；微结构中图分类号：TG662文献标识码：A文章编号：1009—279X(20l4)04—0020—04StudyontheIslandofMicro-maskElectrochemicalMachiningBasedonFEMTangYi，HuangZhigang，GuoZhongning，HuangHongguang，HeChangyun(GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China)Abstract：Intheearlystageofmi

3、cro—maskelectrochemicalmachining，machinedsurfacewillformanisland，thestructureisnotconducivetoformingmicrostructureofshallowsurfaceshapewithgoodprecision，SOitisnecessarytoreducetheeffectoftheislandinECM．Amathematicalmodelofmicro-maskelectrochemicalmachiningisestablishedbyf

4、initeelementmethod，andtheeffectofmaskthicknessandmachininggapontheislandareanalyzedbythismodel，andthenaconclusionismadethatthecauseoftheislandistheunevendistributionofcurrentdensityonmachinedsurfaceatthestart．Theprecisionofshallowsurfacecanbeimprovedbyhomogenizingcurrentd

5、ensity．Keywords：island；electrochemicalmachining(ECM)；currentdensity；microstructure光刻胶掩膜微细电解加工是一种制作表面微过程的影响，会导致加工间隙分布极不均匀且变化细阵列结构的电化学方法，该方法先利用光刻技术规律复杂，因而使过程的监测和控制非常困难。此在工件表面形成特定图案，再利用电解加工技术将外．电解加工过程中涉及工件材料、电解液、控制参裸露部分蚀除，形成一定的表面结构。数等十几种影响因素，根据加工条件的变化，其组实验发现，在掩膜微细电解加工初期，被加工合

6、非常复杂。本文采用有限元仿真研究掩膜厚度和表面会形成一个中间突起的“孤岛”[1】，这对于深表加工间隙对孤岛的影响，进而推导出孤岛形成的本面微电解的影响不大，但对于浅表面微电解影响较质原因。大。因为当加工深度极小时，若孤岛未被除去，将会l建立有限元模型破坏表面加工质量。当前的研究集中在深表面微细根据掩膜电化学加工机理，取图1所示的虚线电解加[2-4]，而对浅表面的加工研究较少，所以孤区域为有限元分析的物理模型。岛是浅表面加工的重要研究方向。实验方法便于对具体工况进行研究，但电解加工过程中电极之间的电场、流场分布及电化学反应收稿日期：2014

7、—03—03基金项目：国家自然科学基金资助项目(11172072)；国家自然科学基金重点资助项目(U1134003)第一作者简介：唐仪，男，1987年生，硕士研究生。图1电化学加工分析的物理模型一20一设计·研究《电加工与模具}2014年第4期1．1建立数学模型方法设置模型边界的运动，预设模型、、为假定电解加工过程中的电场为满足拉普拉斯(图3)。方程的恒稳电声．根据法拉第电解加工定律可知．阳极金属的溶解速度与其表面的电流密度成正比，故可通过模拟工件加工表面各点的电流密度大小．估算工件表面凹坑的变化过程。图2是用于极间分析的数学模型，其中，

8、加工间隙为日，掩膜厚度为h，掩膜间隙为d。考虑到实际加工中的阳极电压是加在整个工件上，故在阳极端增加了一个长为D、高为s(s趋于0)的小区域，而以往的仿真没有这一部分。图3动l网格速度预设图考