《电解加工》PPT课件.ppt

纳秒脉冲在微细电解加工中的应用,学生：樊 曼 学号：10721175 导师：汪希平,目录,1.微细电解加工原理、发展现状,1.微细加工 在微细加工范围内 , 应用特殊方式加工得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。,1.微细电解加工原理、发展现状,2.微细电解加工原理 微细电解加工（Electrochemical micromachining，简称EMM），是金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工过程。,3.微细电解加工常用的电解质 电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶液三大类。最常用的有NaCl、NaNO3、NaClO3等。当加工材料时，被加工材料接正极，工具电极接于负极。化学反应如下： 工件阳极： 工件阴极：,1.微细电解加工原理、发展现状,1.微细电解加工原理、发展现状,4.微细电解加工的特点,优点： 高的加工效率, 良好的成形精度, 容易对材料的去除进行控制, 适合加工的材料范围广, 不需考虑工件材料的强度、硬度等机械特性, 加工过程工具无磨损, 工件上不产生应力 缺点： 电化学反应的定域性较差。 电解液对设备有腐蚀作用，电解产物难以处理和回收，故应采取防护措施。,5.微细电解加工研究现状,1.微细电解加工原理、发展现状,2.影响微细电解加工精度的因素,1.两个重要的精度指标 （1）定域性 定域性（Localization）是指加工区和非加工区材料去除量的比值，虽然电化学加工在原理上具有优势，但是由于电化学反应的杂散腐蚀现象，造成其加工的定域性较差。 （2）侧面间隙 工具电极直径与所加工槽的宽度之差是加工的侧面间隙，它可以作为加工精度的评价指标；因为侧面间隙越小，说明电化学反应的定域性越好，所加工零件的成形精度越高。,2.加工精度和稳定性 2.1脉冲宽度对加工的影响,2.影响微细电解加工精度的因素,随着脉冲宽度的减小，工具电极和工件之间的侧面间隙由15m减小至7.5m，加工精度越来越高。,2.2占空比对加工的影响,2.影响微细电解加工精度的因素,占空比为1：10时，微细电化学加工的定域蚀除能力较强，侧面加工间隙只有10m左右，加工精度较高,2.3电压幅值对加工的影响,2.影响微细电解加工精度的因素,可看出4V电压加工时，加工区周围基本无杂散腐蚀，微槽的侧壁垂直度较好；电压幅值增大为5V后，微槽的周围开始出现杂散腐蚀，加工区的表面质量变差，定域蚀除能力降低，杂散腐蚀程度增加。,2.4电解液浓度对加工的影响,2.影响微细电解加工精度的因素,电解液浓度较低，槽宽越小，但电解液浓度过低，反应速率慢，降低了加工效率。,2.影响微细电解加工精度的因素,综合以上影响微细电解加工加工速度、精度、表面质量及加工效率的因素可知, 要使微细电解加工得以进行, 必须具备的条件有：,具备的条件,加工电压要低,加工电流要 小,电解液的 浓度要低,电解液的流动速度 和压力要低,脉冲电源的 脉宽尽量窄,工件材料的 金相组织要细微均匀,3.纳秒脉冲微细电解加工,1.纳秒脉冲实现微细电化学加工的作用及机理 由于电化学反应的杂散腐蚀现象，造成其加工的定域性较差。因此，要想实现微细电解加工，必须要解决好定域性的问题。,电极/溶液界面通电后的变化过程示意图,3.纳秒脉冲微细电解加工,电极暂态的加工模型,3.纳秒脉冲微细电解加工,（1）利用电解液的特性 存在钝化区的阳极极化曲线，它包括溶解区、过渡钝化区、稳定钝化区和超钝化区。利用钝化电解液的非线性特性，使加工区处于超钝化溶解，非加工区产生钝化反应基本不溶解。,3.纳秒脉冲微细电解加工,（2） 纳秒脉冲微细电化学加工提高加工定域性的根本原因就是：使加工区和非加工区的极化过电位产生显著差别，从而影响工件材料在不同区域的溶解蚀除量。,因此，在外加纳秒脉冲电源作用下，选用合适的加工脉冲参数：， 可以使加工区过电位高于分解电位，电流密度大，工件材料的电化学蚀除量大；非加工区的过电位低于分解电位，电流密度小，几乎不发生电化学反应。从而显著增强定域蚀除能力，减小影响加工精度的杂散腐蚀，实现微米级的电解加工。,3.纳秒脉冲微细电解加工,3.纳秒脉冲微细电解加工,2.纳秒脉冲微细电解直写加工试验台 在实现微型腔的纳秒脉冲电化学加工基础上，可以将CAD/CAM技术引入微细电化学加工试验中，利用CAD/CAM软件先设计微型图案，再由数控加工模块生成NC加工代码，控制微细电化学加工机床进行三维或二维运动，从而实现微细电化学直写加工。,3.纳秒脉冲微细电解加工,2.1微细电解加工系统 工具电极装夹在自行研制的微细电化学加工机床主轴z 上作垂直进给；工件固定于电解液槽内安装在x-y 二维工作台上作平面运动。电解液为酸性溶液(如HCl、H2SO4等)，采用循环流动方式，用微量泵将电解液抽出，经过滤器后沿工具电极进给方向平缓流入加工区，可以避免侧面冲液造成的电极振动。试验中使用的脉冲电源可以输出电压幅值为5 V，最小脉宽为5 ns 的脉冲电流。采用020 mA 测量范围的霍尔电流传感器检测加工中的电流，可以使加工回路和检测回路相隔离。,3.纳秒脉冲微细电解加工,2.2微细工具电极的制作 Anode： Cathode：,右图是用直径300m的钨丝在5V的电压条件下，1.5mol/L的KOH溶液中所制作的工具电极，前端部分长400m，直径10m，后端直径300m的部分用于装夹。,3.纳秒脉冲微细电解加工,2.3微细电解加工的控制系统 加工间隙是决定电解加工的主要因素，在微细电解加工中，极间间隙只有几微米。数据处理和运动控制系统采用PC810 工控机和NI 公司的PCI- 7344多功能控制卡，以实现xyz 三个方向加工进给的反馈控制，从而保证加工进给时0.08 m/步的运动精度。PCI-7344 控制卡的模拟量输入通道用于采集加工回路的电流信号，通过对所采集信号的数据处理，判断加工状态。然后，利用两个模拟量输出通道分别控制纳秒脉冲电源和电解液泵的启动(或停止)。,下图所示是在10 m 厚镍片上加工的“NUAA”字形孔的原理装置。加工电压为3.8V，脉宽为40ns,频率为2MHz。“NUAA”字形孔宽度为60m，宽度为20m，字母线条的宽度为20m左右。,3.纳秒脉冲微细电解加工,从“N”字的放大SEM照片可以看出：线条的周围无杂散腐蚀，转折处的锐角清晰可辨，电化学反应被集中限制在工具电极周围不足10m的加工区域内，说明侧面加工间隙已经被有效控制。微细电化学直写加工所具有的突出定域蚀除能力，使其完全能够满足复杂微型图案的加工要求。,3.纳秒脉冲微细电解加工,4.结束语,通过介绍了微细电化学反应的的原理以及特点，从而引出了微细电化学加工特有的优越性。通过设置脉冲电源的脉冲宽度、加工速度和输出电压等参数，并根据加工电流实时检测加工状态，显著提高电化学反应的定域性，实现了微米级的电化学加工。利用微细电解加工系统，进行了典型微细结构的加工试验，得到了很高的加工精度。 因此，纳秒脉冲微细电化学加工方法为特殊性能材料的微细加工提供了新的加工途径，为特种加工技术开拓了新的发展方向。,五.参考文献,1Zhaoyang Zhang,Di Zhu, Ningsong Qu,Kun Wang, ELECTOCHEMICAL MACHINING OF MICRO-STRUCTURES WITH NANOSECOND PULSES,Proceedings of MNC2007 MicroNanoChina07 January 10-13, 2007, China. 2黄宗南.先进制造技术M.上海交通大学出版社，2010 3彭思平,徐家文,李 颖, 杨 倩.微细电解加工机理探讨J，电加工与模具，2005 年第2 期 4张朝阳，纳秒脉冲电流微细电解加工技术研究D，南京：南京航空航天大学，2006年12月 5李洪友，江开勇，田磊，陈向智.CAD/ CAM的电化学微细加工技术J，华侨大学学报( 自然科学版)，2005 年4 月 6张朝阳,朱 荻,王明环.纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验J，机械 工程学报，2007年1月 7B. Bhattacharyya*, S. Mitra, A.K. Boro，Electrochemical machining: