[发明专利]一种硅基材料微小零件电化学放电赋能微细磨削方法

权利要求书

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)。