当今世界日益突出的能源危机、环境污染等问题，使得表面功能结构制造成为国际学术研究的热点之一。微细电加工(微细电解加工和电火花加工)是实现表面功能结构制造的主要技术手段之一；而该技术的必备工具——三维微电极，难以通过常规机械加工方法制备。因此，在当前，微细电加工过程通常是利用微柱状电极、以逐层扫描铣削放电的方式开展，并用于制备各种复杂三维微型腔。但是，逐层扫描放电加工效率较低，而且微柱状电极横截面积十分微小，导致其抗干扰能力较差、容易损坏。


为此，针对三维微细电加工技术上述所述不足之处，本研究借助于增材制造原理，将铜箔等材料用于叠层制造三维微电极。所制电极质量可靠、抗干扰能力较强，可用于具有大深宽比和复杂结构特征三维微型腔的高效电加工。该技术是对微柱状电极工艺方法的有益补充。本文在总结国内外大量相关文献的基础上，对本课题所提方法的加工机理以及关键应用技术进行了深入研究。


完成的主要工作内容如下:


(1)提出具有微孔结构和倒锥度特征烧结式三维叠层微电极、以及捆绑式三维叠层微电极的制备方案。对振动辅助微细电解加工极间间隙电解液的运动规律进行模拟仿真，以验证所设计电极结构具备合理性。对电极箔层间的压力云分布进行仿真计算，以预测应力集中和形变最严重的位置。对电极箔片可承受的载荷极值进行计算，以便电极工作部位各箔层间保持紧密贴合，从而获得具有较高形状精度的叠层微电极。结合仿真和计算的结果，使用镀锡铜箔叠层坯料，运用飞秒激光切割与真空压力热扩散焊组合工艺，制备出含有微孔和倒锥度特征和的烧结式三维叠层微电极；并且，为提高电极制备效率，运用飞秒激光切割结合专用电极夹具，快速制备出捆绑式三维叠层微电极。


(2)开展了烧结式三维叠层微电极微细电解加工的机理和应用研究。使用含有碳化硼(B_4C)磨粒的硝酸钠(NaNO_3)电解液，进行振动辅助单向进给微细电解加工，并且结合振动研磨抛光工艺，对加工至指定深度后的微结构表面进行研磨抛光处理，以制备高表面质量的微结构。以不同振幅、振动频率、研磨时间以及B_4C浓度等参数作为实验的主要影响因素，进行振动辅助微细电解加工实验研究。并以所得微结构底面粗糙度作为研究指标，对加工结果的成形机理进行对比分析。结果表明，B_4C磨粒的振动磨削作用，大大减少了电解产物在电极工作面的沉积，保持了电极工作面良好而均匀的导电性，从而提高了电解加工的定域性，降低了杂散腐蚀程度，进而实现了高效稳定的电解加工，并显著改善了具有较大深度和复杂孤岛特征微结构的表面质量。


(3)在微细电解加工基础上，进一步提出运用捆绑式三维叠层微电极进行负极性微细混粉电火花加工，所用火花油电介质同时含有均匀悬浮的石墨粉(Gr粉)和铜粉(Cu粉)。分析并总结了混粉微细电火花加工过程中、加工结果底面出现接缝放电痕和微凹坑的主要成形机理。同时，采用优化的工艺参数，包括粉末浓度、电压脉宽和脉间、以及加工电压等，对于该技术在典型工业金属材料上的应用进行了全方位验证，制备多种三维微结构实例。


结果表明，在负极性混粉电火花放电的作用下，极间等离子放电通道均匀分布，使得电极工作面箔层间可形成完整连续的自焊接；合适的粉末浓度促成可靠积碳层保护膜的有效形成，进一步改善了电极工作表面质量，并显著降低了电极损耗，且电容储能作用的减小大大降低了潜布电容加工和电弧放电的可能性，从而实现高效稳定、精密、大深度、底面无接缝放电痕微结构的制备。