丙三醇水溶液電火花加工硅晶體特性研究

段亞俊，邱明波，陳浩然，劉志東，趙劍峰，沈理達(dá)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

丙三醇水溶液電火花加工硅晶體特性研究

段亞俊，邱明波，陳浩然，劉志東，趙劍峰，沈理達(dá)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

為了提高硅晶體電火花成形加工效率、降低電極損耗，采用丙三醇水溶液作為工作介質(zhì)。分析了介質(zhì)中的碳、氫、氧元素對(duì)加工效果的影響，以及電導(dǎo)率、粘度、介質(zhì)成分對(duì)加工特性的影響，研究表明：擊穿放電間隙受電導(dǎo)率與粘度的影響，丙三醇水溶液可提高放電間隙，增強(qiáng)加工穩(wěn)定性；丙三醇分子會(huì)在放電高溫下分解出碳分子，其自身的微觀爆炸力可促使碳分子和極間蝕除產(chǎn)物向兩極移動(dòng)，增強(qiáng)了電極的涂覆效應(yīng)，降低了電極損耗。工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：丙三醇水溶液的加工特性優(yōu)于去離子水，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液加工時(shí)的最佳占空比為1∶7，加工效率為11.88 mm3/min，電極損耗比為3.7%。

電火花加工；硅晶體；丙三醇水溶液；加工效率；電極損耗

硅晶體為硬脆性半導(dǎo)體材料，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方式無法實(shí)現(xiàn)其異形加工[1]。電火花加工無宏觀切削力，用熱能蝕除材料，故許多學(xué)者研究了半導(dǎo)體的電火花加工特性[2]。潘慧君研究了半導(dǎo)體加工時(shí)的小壓降及電流爬坡式上升現(xiàn)象[3]。邱明波研究了半導(dǎo)體硅材料的單脈沖蝕除形式[4]。劉志東研究了基于脈沖概率檢測(cè)的線切割控制系統(tǒng)[5]。黃賽娟針對(duì)硅成形加工，研究了銅電極在去離子水介質(zhì)中無法加工的原因，指出在含氧工作介質(zhì)內(nèi)，放電過程中蝕除產(chǎn)物堆積可能形成不導(dǎo)電氧化銅層，使加工無法繼續(xù)[6]。

電火花成形加工中的工作介質(zhì)主要起到介電、極間冷卻、消電離、排屑等作用。常用的工作介質(zhì)有高分子碳?xì)浠衔铮ㄈ缁鸹ㄓ停?，也有去離子水、蒸餾水、乙醇水溶液、乳化液等。為了實(shí)現(xiàn)硅晶體的成形加工，本文建立了基于脈沖概率控制的硅晶體加工系統(tǒng)，提出采用丙三醇溶液作為工作介質(zhì)，研究介質(zhì)中的碳、氫、氧元素對(duì)加工特性的影響及電導(dǎo)率、粘度、介質(zhì)成分對(duì)加工特性的影響，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了適宜的丙三醇濃度，并與去離子水中的加工效果進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

采用自主搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其原理見圖1，實(shí)物見圖2。ARM單片機(jī)控制器（微處理器）控制斬波器輸出脈沖電壓，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。通過檢測(cè)電路將主回路的電壓信號(hào)處理成ARM單片機(jī)可接收的數(shù)字脈沖，用霍爾電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)并處理為數(shù)字脈沖?？刂破鲗?duì)檢測(cè)到的電流電壓脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，推測(cè)極間狀態(tài)，再實(shí)時(shí)調(diào)整電極的前進(jìn)和后退，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。在圖1中，與硅晶體接觸的銅片能改善硅晶體的進(jìn)電，使其與硅晶體之間形成良好的歐姆接觸[7]。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1.2 伺服控制系統(tǒng)

半導(dǎo)體的電阻率介于金屬和絕緣體之間，且電阻率易受溫度影響。在半導(dǎo)體放電加工時(shí)，放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫及體電阻在電流通過時(shí)產(chǎn)生的歐姆熱，導(dǎo)致加工過程中的電阻率很不穩(wěn)定，故金屬加工常用的間隙電壓、間隙電流控制法已無法實(shí)現(xiàn)對(duì)硅晶體的穩(wěn)定加工。

基于脈沖概率檢測(cè)的伺服控制系統(tǒng)原理見圖3。通過對(duì)一定周期內(nèi)電壓脈沖個(gè)數(shù)n和電流脈沖m計(jì)數(shù)，計(jì)算其放電概率Rate。若放電概率值等于100%，則進(jìn)行抬刀操作，以排出極間蝕除產(chǎn)物并增大極間間隙；若放電概率值小于設(shè)定目標(biāo)放電概率p與允許波動(dòng)范圍s的差值，則電極前進(jìn)一步。同時(shí)，對(duì)放電概率進(jìn)行采樣，計(jì)算其平均值是否達(dá)到目標(biāo)放電概率p，若未達(dá)到，則減小波動(dòng)范圍s來提高跟蹤速度；反之，則增大波動(dòng)范圍s來降低跟蹤速度，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的半導(dǎo)體電火花加工。

圖3 伺服控制系統(tǒng)原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)材料與條件

實(shí)驗(yàn)中，采用電阻率為6 Ω·m的硅晶體作為工件，電極為直徑為5 mm的圓形石墨棒，均采用浸液式加工并輔以側(cè)沖液。

2 丙三醇水溶液的加工特性

為結(jié)合去離子水加工效率高、火花油電解損耗小的優(yōu)點(diǎn)，水、油混合工作介質(zhì)得到一定的探索[8]，但水、油無法相容且乳化困難，適宜的混合比例難以確定。考慮到火花油的主要成分是碳原子數(shù)為C11-C17的高沸點(diǎn)烴類化合物，其與水混合的主要成分為碳、氫、氧，故以包含這三類元素的丙三醇水溶液作為加工介質(zhì)，研究不同濃度的丙三醇水溶液的加工效果差異。表1是25℃時(shí)不同工作介質(zhì)的參數(shù)對(duì)比。

表1 不同工作介質(zhì)的技術(shù)參數(shù)

2.1 對(duì)擊穿放電間隙的影響

采用單脈沖實(shí)驗(yàn)觀察丙三醇溶液濃度對(duì)擊穿放電間隙及峰值電流的影響，從而確定電導(dǎo)率及粘度對(duì)擊穿放電間隙和峰值電流的影響。依舊使用上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)過程如下：對(duì)刀，記錄Z軸坐標(biāo)；將電極抬升到一定高度后，向下進(jìn)給，且每進(jìn)給一步給一個(gè)電壓脈沖；電流傳感器檢測(cè)到放電后，停止進(jìn)給，用當(dāng)前坐標(biāo)減去對(duì)刀記錄的坐標(biāo)即為擊穿放電間隙。

用單脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)得開路電壓為180 V，同等條件下火花油的擊穿間隙達(dá)200 μm，不同濃度的丙三醇溶液的擊穿放電間隙變化曲線見圖4。可見，隨著丙三醇溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，擊穿放電間隙先增大后減小。分析原因：溶液濃度增加使粘度增大、電導(dǎo)率減小，而電導(dǎo)率越小，則絕緣強(qiáng)度越高，對(duì)放電間隙的增大有促進(jìn)作用。當(dāng)溶液濃度進(jìn)一步增加，溶液粘度的增大會(huì)對(duì)放電通道產(chǎn)生壓縮作用，并限制放電間隙進(jìn)一步增大。

圖4 丙三醇溶液濃度對(duì)擊穿放電間隙的影響

當(dāng)放電間隙為20 μm時(shí)，各工作介質(zhì)中的放電波形見圖5。通道1為50 V/div，通道2為1 V/div，時(shí)間軸為20 μs/div；通道1為極間電壓波形，通道2為霍爾電流傳感器（檔位為100 mV/A）測(cè)得的電流波形。由圖5可見，在去離子水中，峰值電流約為13 A；在丙三醇溶液中，峰值電流先隨著溶液濃度的增加而逐漸增大，并在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液中達(dá)到15 A，而后又下降，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的丙三醇溶液中約為12 A；而在火花油中，電流波形接近短路。此外，放電電流也隨著丙三醇溶液濃度的增加先增大再減小，與擊穿放電間隙的變化吻合。雖然火花油的絕緣強(qiáng)度高，但它在放電過程中熱分解形成的碳會(huì)造成極間狀態(tài)惡化，降低絕緣強(qiáng)度，故小間隙放電時(shí)接近短路。

在相同條件下，放電間隙越小，峰值電流越大。采用某一峰值電流值進(jìn)行加工時(shí)，適宜濃度的丙三醇溶液比去離子水所達(dá)到的目標(biāo)電流的放電間隙更大。放電間隙越大，工作介質(zhì)越易進(jìn)入極間，排屑、冷卻、消電離等作用均會(huì)有所改善，從而提高加工效率，降低電極損耗。雖然火花油的擊穿放電間隙達(dá)到了200 μm，但其熱分解形成的碳造成極間狀態(tài)惡化，從而導(dǎo)致拉弧，影響了加工穩(wěn)定性。

圖5 不同工作介質(zhì)對(duì)峰值電流的影響

2.2 對(duì)電極涂覆效應(yīng)與消除積碳的影響

圖6是丙三醇溶液的極間狀態(tài)示意圖。位于放電通道兩端的電極放電蝕除坑溫度極高，其周圍的丙三醇分子受熱分解出碳分子，而碳分子在丙三醇分子的微觀爆炸力作用下會(huì)增強(qiáng)對(duì)電極的涂覆作用，從而減小電極損耗。

圖6 丙三醇溶液的極間狀態(tài)示意圖

當(dāng)采用石墨電極時(shí)，水電解生成的氧氣與電極蝕除產(chǎn)物中的碳、丙三醇分子分解的碳結(jié)合生成氣體逸出，可有效減弱極間分解的碳分子在工件表面的積聚，避免產(chǎn)生積碳，提高了加工效率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用精度為0.1 mg的電子秤測(cè)量加工前后電極的質(zhì)量差，并除以密度可得到電極損耗體積，再除以材料蝕除體積可得到電極損耗比。

3.1 丙三醇適宜濃度分析

采用石墨電極時(shí)，丙三醇溶液濃度對(duì)加工效率、電極損耗的影響曲線見圖7。選用的電參數(shù)如下：極間電壓 180 V、脈沖寬度 40 μs、占空比 1∶21。丙三醇溶液濃度為0時(shí)，即為去離子水。

圖7 丙三醇溶液濃度對(duì)加工效果的影響

粘度影響著介質(zhì)流動(dòng)性，對(duì)極間冷卻、消電離、排屑也有重要影響[9]。分析可知，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液相比，雖然質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的丙三醇溶液的擊穿放電間隙較小，微觀爆炸力小，但其粘度適宜，利于排屑，故加工效率更高。若溶液濃度進(jìn)一步增加，會(huì)使粘度過大，導(dǎo)致加工效率降低。因此，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的丙三醇溶液加工效率最高。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的丙三醇溶液與去離子水的放電間隙都為20 μm，故加工效率近似；但兩者的電極損耗比相差較大，分別為3.6%、7.2%（圖7）。分析原因：丙三醇溶液能分解出碳分子，其微觀爆炸力有利于增強(qiáng)電極涂覆效應(yīng)，使電極損耗比降低；放電間隙增大有利于改善極間狀態(tài)，故隨著溶液濃度不斷增加，其電極損耗先減小、后增大，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液的電極損耗比最小。

3.2 丙三醇溶液與去離子水的加工效率對(duì)比

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液與去離子水的加工效率對(duì)比見圖8?？梢?，采用相同的脈沖能量，取極間電壓為180 V、脈沖寬度為40 μs時(shí)，丙三醇溶液加工時(shí)的占空比可大幅減小。占空比影響著極間冷卻、消電離、排屑等過程，占空比越大，極間狀態(tài)越好。但當(dāng)極間狀態(tài)已足夠好時(shí)，繼續(xù)增大占空比會(huì)減少有效放電時(shí)間、降低加工效率。

圖8 占空比對(duì)加工效率的影響

由圖8還可看出，用丙三醇溶液加工的占空比為 1∶7時(shí)，加工效率最高，為 11.88 mm3/min；用去離子水加工的占空比為1∶21時(shí)，加工效率最高，為3.96 mm3/min。分析原因：在丙三醇溶液中加工的極間狀態(tài)比在去離子水中更穩(wěn)定，且放電間隙增大可優(yōu)化極間狀態(tài)、改善排屑情況，粘度增大也會(huì)改善排屑情況，故可采用更小的占空比。

3.3 丙三醇溶液與去離子水的電極損耗對(duì)比

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液與去離子水的電極損耗對(duì)比見圖9?？梢?，在穩(wěn)定加工的情況下，占空比對(duì)電極損耗的影響較小。用丙三醇溶液加工的占空比為1∶7時(shí)，加工效率最高，此時(shí)的電極損耗比為3.7%；用去離子水加工的占空比為1∶21時(shí)，加工效率最高，此時(shí)的電極損耗比為7.2%。分析原因：丙三醇溶液中放電間隙的增大可改善極間狀態(tài)、減小電極損耗比，丙三醇分子的分解可增強(qiáng)電極涂覆效應(yīng)，也會(huì)減小電極損耗比。

圖9 占空比對(duì)電極損耗的影響

4 結(jié)論

（1）電導(dǎo)率和粘度均會(huì)對(duì)擊穿放電間隙大小產(chǎn)生影響。電導(dǎo)率越小，絕緣強(qiáng)度越高，放電間隙越大；粘度越大，對(duì)放電通道壓縮會(huì)導(dǎo)致放電間隙減小。放電間隙隨著丙三醇溶液濃度的增加先增大、后減小。當(dāng)極間電壓為180 V時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液的放電間隙最大，為111 μm，而去離子水的放電間隙僅為20 μm。

（2）工作介質(zhì)中分解出的碳會(huì)增強(qiáng)電極涂覆效應(yīng)，減小電極損耗。放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使含碳的丙三醇分子分解出碳，且丙三醇自身的微觀爆炸力會(huì)促使極間蝕除產(chǎn)物向兩極移動(dòng)，從而增強(qiáng)對(duì)電極的涂覆效應(yīng)，減小電極損耗。

（3）丙三醇溶液加工的極間狀態(tài)比去離子水更穩(wěn)定，故可采用更小的占空比。采用相同的脈沖能量，取極間電壓為180 V、脈沖寬度為40 μs時(shí)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的丙三醇溶液加工的占空比可大幅減小，且當(dāng)占空比為1∶7時(shí)加工效率最高，達(dá)到11.88 mm3/min，電極損耗比為3.7%；去離子水在占空比為1∶21時(shí)加工效率最高，為3.96 mm3/min，電極損耗比為7.2%。

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Study on Processing Characteristics of Silicon EDM Using Glycerol Solution

DUAN Yajun，QIU Mingbo，CHEN Haoran，LLU Zhidong，ZHAO Jianfeng，SHEN Lida
（ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ）

To improve the machining efficiency and decrease the electrode wear of silicon EDM，the glycerol solution was proposed as working solution.The impact of carbon，hydrogen and oxygen in working solution，and the influence to processing characteristicsofconductivity，viscosity and components were analyzed.The study shows that the breakdown distance is influenced by conductivity and viscosity，glycerol solution can improve discharge distance which may improve the state of discharge gap and the processing stability.Glycerol molecules can partly decompose into graphite under the high temperature of discharge channel，meanwhile，its explosive power may push graphite and erosion materials towards electrode，enhance the coating effect to electrode，and reduce the electrode wear.Processing experiment results show that the processing performance of glycerol solution is better than that of deionized water.When the concentration of glycerol solution is 30%，the best duty ratio of pulse power is 1∶7，the machining efficiency is 11.88 mm3/min，and the electrode wear is 3.7%.

EDM；silicon；glycerol solution；machining efficiency；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2017）05－0006-04

2017-05-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U1532106，51675272，51575271）

段亞俊，男，1992年生，碩士研究生。