（机械制造及其自动化专业论文）ta3板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术和工业制造的快速发展，纯钛薄板的微小群孔结构在航空和宇航工业中的应 用越来越广泛，如今对海量微小群孔结构( 群孔数目达到数千以上) 也有了新的需求。另外， 纯钛属于自钝化性较强的难加工材料，本文利用活动阴极模板电解加工的方法在纯钛( r i a 3 ) 薄板上试验加工海量微小群孔结构。 纯钛加工表面容易形成致密的钝化膜，非加工表面形成点蚀影响表面质量。本文着手研究 电参数、电解液参数对微小群孔加工精度的影响情况，优化参数并选择合适的工艺参数，开展 海量微小群孔典型结构的试验加工，完成的主要工作如下。 ( 1 ) 研制电解加工装置，主要包括：机床床身、加工电源、电解液循环系统等。 ( 2 ) 在制作的电解加工装置平台上，开展基础试验研究，分析各工艺参数对群孔加工精度 的影响情况，得出优化参数。 ( 3 ) 研制新型海量群孔电解加工夹具及阴极模板，根据纯钛电解加工基础试验研究结果， 选择合适的参数进行海量微小群孔典型结构的试验加工。 试验表明：选择较小的电源占空比和高、低配合电压方式，采用1 0 n a c l 和1 0 n a n 0 3 混合溶液，可以加工出海量微小群孔典型结构。 关键词：纯钛t a 3 ，海量，微小群孔，电解加工，阴极模板，成型精度，均匀性，锥度 1 a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 a b s t r a c t w i mm em p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n 饰ct e c l l l l o l o g ) ，a l l di i l d u s t r i a lm a n u f a c 砌n g ，s 帆c t u r e so f g r o u po fi i l i c r oh 0 1 e sm a c l l i n e do nn l et i t 砌u mh 器b e e nu s e dm o r ea n dm o r ei n 仕l ef i e l do f m n a u h c sa n ds p a c en a v i g a t i o ni n d u s t r i e s n o w ，t 1 1 e r eh a sb e e nn e wn e e d sf o rs t r l l c t u r e sw “h m a l s s i v eg r o u po fi i l i c r 0h o l e s ( 锄o u 】nr e a c l l i n gn l o r e 也眦t 1 1 0 u s 锄d s ) h 1a d d i t i o n ，廿l ep 雒s i v a t i o nf i l i i l o nt i t a i l i u mi sv e r yd e i l s ea n dd i 伍c u l tt ob em a c l l i n e d h lt t l i sd i s s e r t a t i o n ，s 缸1 l c t u 】陀so fm 舔s i v eg r o u p o f1 1 1 i c r oh o l e so n l et i t a n i u ms h e e tw i l lb ee x p e r i i i 删l ym a c e db ye l e c 扫d c h e m i c a 】m a c h i n j l l g p r o c e s s 谢t l lm o v e d c a 吐1 0 d et e 玎叩l a t e t h ep a s s i v 妇gf i l m0 nt a 3e a s i l yt e r l ( 1 st of 0 1 胁0 n 吐1 em a c h i i l j h gs u m l c e ，砌c hm a k e s 吐l e m a c l l i i l i n gp r o c e s sd i 伍c u l tt op r o c e e d ，a n ds o m ec o n o s i v ep i t t i l l g su s u a l l ya p p e a ro nn o n m a c h i i l e d s u r f a c e1 e a d i l l gt o l ep o o rs u f f a c eq u a l i 够t h ep 叩e rf - 璐yf o c u s e so nm er e s e a r c ho f 砌u e n c e so f v a r i o u sp a r 锄e t e r so nm eh 0 1 e s m a c h i l l i n gp r e c i s i o n ，a n dt 1 1 肌c h o o s e so p t i i i l i z e dp a r a m e t e r st o m a c h i l l en e e d e ds 缸1 l c t i l r e s n l ef 0 1 1 0 w 堍w o r kh a sb e e nd o n ei i lt h j sd i s s e r t a t i o n 1 d e s i g na 1 1 dm a n u f a c t l l r ee l e c 仃o c h e i i l i c a lm a c h i i l i l l ge q h i p m e n t ，i n c l u d i l l gm a c h i l l e - b e d ，p o w e r e l e c 仃0 1 y t er e c y c l i i l gs y s t e m ，a n ds oo n 2 c o n d u c tb a s i ce 冲e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a 1 1 a 1 ) r z em ee 恐c to nm a c gp r e c i s i o nb ye l e c t r i c a l a n d e l e c t r 0 1 y t ep a 瞪町l e t e r s ，d b 蛐o p 僦z e dp a n u n e t e r s 3 d e s i 9 1 1a i l dm a l l u f a c n l r en e w 血t l l r e se l e c c h e i l l i c a lm a c h i 血gm a s s i v eg r o u po f h o l e s ，a n d c a 也o d et e m p l a t e c h o o s 试go p t i i i l i z e d p r o c e s sp a r a m e t e r s ，e x p d m 眺l l ym a 幽证ec l a s s i c a l s m l c t u r e sw i mm a s s i v eg r o u po fm i c r oh 0 1 e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a tc l a s s i c a ls 仃u c t u r e sw i t l lm s s i v e 铲o u po fi i l i c r oh 0 1 e sc o u l d b eo b t a i n e dw i ms m a l l e rd u 够m t i o ，l l i 曲吼d1 0 wv 0 1 t a g ei nt 1 1 ee l e c 仃o l y t eo f lo n a c l + 1o n a n 0 3 k e y w o r d s ：t i t a n i u mt a 3 ，m a s s i v e ，g r o u po fr n i c r oh o l e s ，e l e c 打o c h e i i l i c a lm a c h i n i l l g ，c a t l l o d e t e m p l a t e ，f b n n i q gp r e c i s i o n ，e v e n n e s s ，c o n i c i t y 南京航空航天大学硕士学位论文 图表索引 图1 1 采用机械钻削方法获得的微小孔1 图1 2 激光微细打孔( 函1 0 0 肛m ) 2 图1 3 电火花反拷法加工群电极流程示意图3 图1 4 微细电火花群孔加工3 图1 5 不同纳秒脉冲参数电解加工的微孔5 图1 6 电液束加工装置及其加工示意图6 图1 7 钛合金圆柱面上电喷射电解加工的群孔7 图1 8 照相电解加工工艺流程图7 图1 9 照相电解加工出的微细结构。8 图2 1 纯钛t a l 电解加工的f f 特性图1 2 图3 1 电解加工装置结构组成。1 6 图3 2 电解加工装置示意图1 7 图3 3 机床床身的三维造型示意图一1 9 图3 4 工作台实物图2 0 图3 5 工作箱三维造型视图。2 0 图3 6 工作箱实物图一2 1 图3 7 单活塞杆双作用气缸示意图。2 1 图3 8 气缸运动过程受力示意图一2 1 图3 9 气缸实物图。2 4 图3 1 0 机床床身实物2 5 图3 1 1 脉冲电源实物图2 5 图3 1 2 电解液循环系统示意图2 6 图3 1 3 主泵实物图2 7 图3 1 4 电解液槽2 8 图3 1 5 电解液循环系统管道2 8 图3 1 6 夹具中的冲液方式示意图一则流式2 9 图4 1 微小群孔活动阴极模板电解加工的工艺流程3 0 图4 2 微小孔结构及其简化示意图3 1 图4 - 3 基础试验小夹具实物。3 3 图4 4 工件毛坯设计示意图3 4 图4 5 模板的制作工艺流程3 5 图4 ：6 活动阴极模板的制作3 6 图4 7 占空比对群孔圆度误差的影响3 8 图4 8 占空比对群孔标准方差的影响一3 8 图4 9 占空比对群孔锥度的影响3 9 图4 1 0 占空比为l ：2 时群孔形貌图3 9 图4 1 1 占空比为1 ：4 时群孔形貌图3 9 v t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 图4 1 2 占空比为1 ：6 时群孔形貌图4 0 图4 1 3 电压为1 8 v 时电流数值的变化趋势4 1 图4 1 41 8 v 电压加工的群孔及单个孔形貌图4 1 图4 1 5 电压对群孔圆度误差的影响4 3 图4 1 6 电压对群孔标准方差的影响4 3 图4 1 7 电压对群孔锥度的影响4 3 图4 1 8 电压为2 3 v 下加工群孔的形貌图4 4 图4 1 9 电压为2 8 v 下加工群孔的形貌图4 4 图4 2 0 电压为2 8 v 2 3 v 下加工群孔的形貌图4 4 图4 2 1 电解液为1 0 n a n 0 3 和1 0 n a c l 的混合溶液。4 5 图4 2 2 电解液为8 k b r 溶液4 5 图4 2 3 电解液为6 k b r 和2 n a c l 混合溶液4 6 图4 2 4 不同电解液压力下加工的群孔形貌图4 7 图4 2 5 海量群孔加工夹具的上夹具实物4 8 图4 2 6 海量群孔加工夹具的下夹具实物及局部放大图4 8 图4 2 7 海量群孔加工夹具图4 9 图4 2 8 工件阳极毛坯设计图4 9 图4 2 9 海量群孔实际加工现场5 0 图4 3 0 海量微小群孔典型结构一5 0 图4 - 3 1 海量微小群孔结构局部放大图5 0 表4 11 a 3 材料的化学成分( ) 3 4 表4 2 占空比为1 ：6 时群孔尺寸数据3 6 表4 3 占空比为1 ：6 时的统计结果：。3 7 表4 4 占空比为1 ：4 时群孔尺寸数据3 7 表4 5 占空比为1 ：4 时的统计结果3 7 表4 6 占空比为1 ：2 时群孔尺寸数据3 7 表4 7 占空比为1 ：2 时的统计结果3 7 表4 8 不同电压的有效加工时间一4 0 表4 9 加工电压为2 3 v 时群孔尺寸数据4 1 表4 1 0 电压为2 3 v 时的统计结果4 2 表4 1 1 加工电压为2 8 v 2 3 v 时群孔尺寸数据4 2 表4 1 2 电压为2 8 v 2 3 v 时的统计结果4 2 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 定义p e f i l l i t i o n ) 电化学反应溶解或析出的物质质量 相对原子质量 电流效率 阴、阳极之间的电流密度 加工面积 加工时间 化合价 法拉第常数( 9 6 5 0 0 ) 电流强度 通过两相界面的电量 质量电化学当量 阳极蚀除速率 体积电化学当量 活塞杆的推力 活塞杆的拉力 活塞直径 活塞杆直径 气缸内的工作压强 气缸工作的总阻力 活塞杆材料的许用应力 材料的抗拉强度 材料的许用应力 群孔的标准差 群孔数目 群孔的孔径平均值 微小孔近似锥度 微小孔的小径 微小孔的大径 单位1 1 i t ) g n l m v i i f 甜 。 a 觚蜘献枞 n n m m h n 眈h h 一 褂 m 4 叩， 。 ， z f ， q 七 y 一r d 口 p 兄 咋 m s 一d p 协 现 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 丁 氓 v 一y 6 e 工件的厚度 间隙电解液中的电压降 阴阳极之间的电压 加工间隙 导电介质的电导率 电解加工阴、阳极电极电位值总和 n l m v v m m s m v 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 科学技术和工业制造的快速发展，迫切要求制造更多的微小结构，来满足各种类型的工业 产品的需要，对微小结构也提出了更高的要求，如多功能化、超精密性、微小化等。 微小尺寸结构已经得到了很广泛的应用，其中的微小型的群孔阵列是一种非常典型的微细 结构。目前，在航空( 如航空发动机高压压气机空气导管内的阻尼衬套等) 、航天、汽车业、光 学、微细制造、机械电子、仪器仪表等行业内，对于在高硬度、高刚度的难加工材料上加工微 小群孔阵列结构的需要，非常紧迫【l - 2 】。 1 2 微小群子l 结构的加工技术 微小群孔结构的特点是零件上的小孔数目多、孔径微小、几何尺寸精度高、孔间距小以及 群孔分布均匀。对于微小群孔的加工，国内外研究人员进行了深入的研究，提出了一系列的加 工方法，如机械加工技术、激光加工技术、电火花加工技术、电解加工技术等。 1 2 1 机械加工技术 利用机械钻削加工微小群孔的方法，目前仍然是应用最广泛、实用性最强的。机械钻削方 法具有一些优点，如生产效率高、不受材料导电性能限制、小孔深径比较大、加工表面质量和 加工精度均较高等；无论是在经济、精度还是在效率上都相对比较优越，该加工小孔的方法得 到了广泛应用，如精密机械、仪器仪表、电子等行业【3 硼。 图1 1 ( a ) 为w e d g 方法制作的钻头，直径为1 0 肛m 。图1 1 ( b ) 是利用此钻头在c u 材 料上机械钻削加工的2 0 u m 深孔。另外，还有研磨、磨料流加工工艺精冲微小孔等机械加工技 术f 5 1 。 ( a ) 直径为1 0 u m 的钻头( b ) 采用图( a ) 钻头钻削的小孔 图1 1 采用机械钻削方法获得的微小孔 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 1 2 2 激光加工技术 激光加工( l a s e rb e 锄m a c h i l l i n g ，l b m ) 是利用材料在激光聚焦照射下瞬间发生熔化和气 化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现零件材料的去除。 激光不但亮度高、方向性强，而且具有较好的单色性，激光被聚焦后形成的光斑直径可以 达到微米级。在焦点处，功率密度可以达到1 0 7 1 0 1 1 w c m 2 ，温度可以达到成千上万度，这样 的特点使得激光应用于微细加工领域具有一定的优越性【6 】。利用激光技术加工微小群孔结构也 具有显著的优点，如：精度高、通用性强、效率高以及综合技术效益较好等。另外，u ；m 技术 适合于金属、非金属以及复合材料等的加工。 图1 2 就是一种激光加工微小孔的实例，材料为钼，小孔直径要求为1 0 0 u m 刀。 图1 2 激光微细打孔( 函1 0 0 u m ) 1 2 3 电火花加工技术 在每一次的脉冲放电过程中，材料微团结构被蚀除，进而产生放电凹坑，这种过程中无数 微小放电坑的叠加，最终便形成了要求的形状和表面形貌【3 】。材料硬度对电火花加工的影响并 不大，电火花加工( e d m ) 可以加工的材料有很多，如导电性材料、石墨或硅等半导体材料、 以及磁性材料等。 为了实现微细电火花加工，需要考虑的因素很多，有微能电源、微量进给控制、微细电极 的制造、以及电蚀产物的及时排出和电极损耗状况等。另外，加工表面存在热影响层和微裂纹 等，这些同时也影响着零件质量。电火花加工群孔时，如果采用单电极加工，电极辅助的运动 时间比较长，效率较低。为了进一步提高加工效率，采用群电极的方式进行加工。目前，群电 极的加工方法有：电火花反拷技术和l i g a 技术等。 电火花反拷法的原理是：首先，利用线电极电火花磨削( w e d g ) 技术加工出简单的单圆柱 电极；然后采用电控方式控制单圆柱电极的运动轨迹路线，在易加工的中间电极表面进行微细 电火花穿孔，在加工过程中，使圆柱电极边旋转边进给，使用较小能量进行放电，有利于保证 放电加工过程的稳定性，从而在中间电极表面上加工出微孔的阵列结构。最后，将中间电极作 为e d m 工具电极，通过微细电火花工艺，在块电极表面反拷出微细群电极，如图1 3 所示的工 2 南京航空航天大学硕士学位论文 艺流程：单圆柱电极加工群电极制作群孔加工。由于微细高精度电极在线制作和定位 均存在精度问题，而w e d g 很好地解决了这样的问题，从而使得加工出的阵列微孔具有很高的 形位精度。 图1 4 ( a ) 是利用u g a 技术制作的2 0 2 0 群电极阵列，材料为c u ，且每个电极的直径d 为2 0 p m ，电极高度为3 0 0 肛m 。图1 4 ( b ) 为利用此群电极阵列在不锈钢工件上，通过电火花 ( e d g ) 加工后的群孑l 图，工件厚度为5 0 u m 8 。 3 5 6 图1 - 3 电火花反拷法加工群电极流程示意图 1 一群电极；2 一中间电极；3 一线电极；4 一脉冲电源；5 一工具电极；6 一块电极。 ( a ) l i g a 技术制作的2 0 2 0 群电极( b ) 用图( a ) 群电极加工出的群孔结构 图1 4 微细电火花群孔加工 采用群电极同时加工微小群孔阵列结构的工艺，存在一定的弊端，如群电极的制造比较困 难，虽然通过电火花反拷法和l i g a 技术可以加工获得，但是这两种工艺制作过程比较复杂， 加工成本过高，并且在电火花加工过程中电极存在损耗的现象。因此采用多个群电极加工是比 较麻烦的，进而可知微细电火花加工对于微小群孔阵列结构具有效率低、制造成本高等缺点。 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 1 2 4 电解加工技术 电解加工技术是一种阳极溶解的工艺方法。在加工过程中，电源负极接的是工具阴极，电 源正极接的是工件阳极。阴、阳极之间保持一定的间隙，电解液从加工间隙中高速流过。当电 源通上一定的电压时，阴极和阳极之间就形成电场，阳极材料发生离子溶解，随着工具阴极逐 渐进给并靠近工件阳极，工件材料不断发生溶解，同时加工间隙内的高流速电解液将蚀除产物、 析热和析气及时排出加工间隙区域，零件最终被加工的形状与工具电极相类似【9 。2 1 。 由于电解加工技术不受材料硬度的限制、蚀除率高、无刀具磨损、加工表面质量好，所以 其被广泛应用在几何形状复杂和难加工材料的零件上【1 3 - 1 4 】。目前通过电解加工工艺加工微小群 孔的技术有：成型管电极电解加工技术、脉冲电流电解加工技术、电化学射流加工技术、照相 电解加工技术等。 1 3 微小群子l 结构电解加工技术 1 3 1 成型管电极电解加工 成型管电极电解加工( s h a p e dt u b ee l e c 呐l y t i cm a c h i 】 1 i i l g ，s t e h d 最早是通用电器公司的飞 机发动机事业部为了解决在飞机发动机上的超合金材料上加工孑l 的问题，采用1 0 一2 5 的 h n 0 3 、h c l 或h 2 s 0 4 作为电解液，涂有绝缘层的钛管作为阴极电极进行电解加工，取得了较好 的结果，并成功将其转换为应用产业【1 5 】。s t e m 的加工电压通常比常规的e c d 加工电压低，主 要是s 1 e m 采用了酸性电解液具有更高的电导率的缘故。s 1 e m 通常用来加工深径比较大的孔， 深径比最高可达2 0 0 ：1 ，并且可以加工椭圆孔、矩形孔等异型孔结构1 1 。由于采用了酸性电解液， 可以及时地溶解电解加工过程中产生的沉淀物，使电解液得到及时更新，避免了因电解产物堵 塞在加工间隙引起的火花放电和短路等现象，加工过程更加稳定。但酸性电解液使得加工设备、 机床维护方面的成本大大增加，同时也污染了环境，所以对酸性电解液的维护要求比较高。 1 3 2 脉冲电流电解加工 脉冲电流电解加工的基本原理是：将传统中使用的连续供电方式，更换为以周期间隙的供 电方式，使工件周期性地、断续地发生电化学离子溶解 9 】o 脉冲电流电解加工( p e c m ) 有如下 分类： ( 1 ) 按照加工电流的特点，分为宽型或窄型脉冲、正弦波或矩形波脉冲、低频或高频脉冲 等类型。 ( 2 ) 按照进给方式、供电的配合方式可以将p e c m 分成三类：周期供给脉冲电流、周期 进给；连续供给脉冲电流、连续进给：连续供给脉冲电流与脉冲同步振动进给【9 1 。 早期，脉冲电源电解加工是以低频宽脉冲、周期供给和进给脉冲电流的模式为主。九十年 正 南京航空航天大学硕士学位论文 代后，又发展了高频、窄脉冲电流，且以连续的方式进给。这在技术上有了进一步的突破，并 且经过大量试验研究，发现技术经济成果还是很显著的。与直流电解加工相比，虽然低频宽脉 冲电流电解加工的在加工精度和表面质量方面有所提高，但是脉冲响应效果不明显。脉冲电流 e c m 的潜力没有得到很好地发挥，并且加工效率也比较低。对于周期供给脉冲电流、周期进给 的方法，加工精度虽然比较高，但去除的速度却比较低；连续供脉冲电流、连续进给的方法， 加工速度虽然较高，但是加工精度又不是太高。 针对以上系列问题，为了发挥脉冲电源的优势，则开展了对高频、窄脉冲电流电解加工工 艺的探讨和试验研究。研究表明，当采用高频、窄脉冲电源加工时，引发的极间间隙物理、化 学特性的变化，使得阳极溶解的定域性进一步提高，散蚀程度降低，有利于提高零件的加工精 度和表面质量【1 6 。1 9 1 。 南京航空航天大学朱荻教授带领自己的科研团队，搭建了针对性的平台装置，对纳秒脉冲 电流电解加工工艺进行了深入研究，使工具和工件微细结构得以连续加工，并成功实现了微孔、 微槽、微细直写加工f 2 4 】。 不同纳秒脉冲参数电解加工的微孔如图1 5 所示。试验参数：脉冲电压3 5 v 、脉冲频率 2 m h z ，工件为8 0 肚m 厚度的镍片。研究结果证明了高频、窄脉冲电流电解加工能提高阳极溶解 集中蚀除能力。 ( a ) 脉宽9 0 1 1 s( b ) 脉宽7 0 i l s 图1 5 不同纳秒脉冲参数电解加工的微孔 1 3 3 电化学射流加工 电化学射流加工1 e c t r o c h e 血c a lj e tm a c h i l l i n g ，e c j m ) 技术有毛细管钻孔c d ( c a p i l l a r y d r i l l i n g ) 技术、电液束钻孔e s d ( e l e c 仃o s 仃e a md r i l l i n g ) 技术及喷液钻孔j e d ( j e te 1 e c 仃o c h e m i c a l d r i l l i n g ) 技术。由于毛细玻璃管具有较好的柔嫩性，可以通过导向器实现轻微弯曲，来加工叶 片上带有微小角度差异的孔。 在2 0 世纪6 0 年代中期，电液束加工e s d 的研究和应用，最新开始于美国通用电气( g e ) 公司。到了7 0 年代左右，这种技术在制作航空发动机涡轮叶片的冷却孔上得到了应用，冷却孔 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 孔径一般为( 0 1 5 1 ) 姗，但是冷却孔的深径比可达到5 0 1 【2 5 】。 电液束加工装置及加工示意图如图1 6 所示。装置包括以下部分【2 5 1 。 ( 1 ) 机床及控制部分。主要作用是安装工件、喷管，控制喷管相对工件的加工方向送进运 动；同时控制工件随着工作台运动而发生移位，便于工件在不同的几何位置上进行小孔的加工。 ( 2 ) 电解液循环系统。电解液经过液压泵的高压作用，从输液管道被输向绝缘喷管，由喷 管喷出来，并形成“射流”喷向工件表面。 ( 3 ) 高压直流电源。当电解液通过工具阴极时，电解液束被“阴极化”而带上负电。当电 解液喷射到工件表面上时，则从工件喷射点处开始蚀除材料；随着工具阴极相对于工件的方向 不断进给，工件表面的材料不断被蚀除，进而形成一定深度的小孔。 ) 图1 6 电液束加工装置及其加工示意图 1 一工件；2 一绝缘层；3 一阴极：4 一高压泵； 5 一电解液箱；6 一检测及送进装置；7 一电解液；8 一高电压。 电液束加工电源是高压直流电源，相对于普通电解加工工艺，加工电压高得多，常用电压 为3 0 0 1 2 0 0 v ，电流不大，一般小于4 a ，但是多孔同时加工的电流则需要1 肛2 0 a 。另外，由 于加工孔径小，一般为o 1 5 i n m 1 m m ，则其电流密度可以达到数百c m 2 。 香港理工大学机械工程学院曾采用电喷射电解加工技术进行了打孔试验研究，工件为直径 1 2 1 1 1 1 的圆柱面，材料选用t i 6 a l 4 v 2 6 1 。金属喷嘴孔径为3 0 0 姗，加工电压和电流分别为2 0 0 v 、 4 5 n 以。加工结果如图1 7 所示。由图可以看出，孔的锥度还是很明显，说明加工过程中还是存 在一定的杂散腐蚀现象。 西安工业大学的李福援教授 27 】曾改造了其研制的磨料水射流装置，并在此平台上进行了脉 冲电射流加工小孔的试验研究，分析和研究了影响小孔加工精度的各种参数。研究表明：当加 6 南京航空航天大学硕士学位论文 工间隙为1 m m 时，小孔的成型精度较高；喷嘴内径的大小直接影响所加工小孔的直径。 ( a ) 单孔( b ) 群孔 图1 7 钛合金圆柱面上电喷射电解加工的群孔 1 3 4 照相电解加工 照相电解加工技术是为了克服电解加工过程中的杂散腐蚀并获得较高的加工精度，将光刻 技术与电解加工技术结合的一种新型加工技术。 照相电解加工技术就是在工件的表面上涂敷一层光刻胶膜，经光刻显影后，工件的表面上 就形成了一定的裸露图案；然后，通过束流或浸液电解加工工艺，选择性地溶解工件表面裸露 的部分，最终加工出合格的工件形状，其加工的工艺流程如图1 8 所示。 歪 0 圈日四日圈日田日曰 图1 8 照相电解加工工艺流程图 美国m mt j w a t s o nr e s e a r c hc e n t e r 曾经也深入研究了光刻电解加工技术2 9 3 2 】。研究发现 照相电解加工过程中，光刻胶膜的厚度、电参数的设置、电解液的成分和配比及相关参数的选 择等，对加工速度、形状精度、表面质量都有着重要的影响。胶膜厚度越薄，侧向腐蚀越严重， 锥度越大，且胶膜易脱落，严重影响形状精度；胶膜过厚，电解液不太容易进入较大的加工间 隙而接触加工表面，这样则增加了加工的难度，同时也降低了加工效率。 为了提高加工的精度和加工效率，该研究中心开展了双面照相电解加工工艺研究，这种双 面加工就是将图案相同的掩模同时覆盖在工件的两个表面，使工件的两面同时溶解。图1 9 ( a ) 为单面掩模法加工的微小孔，工件选用2 5 p m 厚度的不锈钢薄片f 3 0 】。图1 9 ( b ) 为双面掩模法 加工的群孔结构，工件选用1 2 5 u m 厚度的不锈钢板。从图中可以看出，双面掩模电解加工比 单面加工的成型精度高，表面质量好。 另外，瑞士和韩国的研究学者们在电场理论的基础上，建立了照相电解加工的二维数学模 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 型，并且对此模型进行了数值模拟以及试验验证【3 3 3 4 1 。 国内，一些高校的学者也对照相电解加工进行了参数试验研究和分析，譬如西安工业大学 范 ( a ) 单面( b ) 双面 图1 9 照相电解加工出的微细结构 1 4 课题研究的意义及主要内容 1 4 1 课题研究的意义 由以上章节可知，采用机械加工、激光加工、电火花加工、电化学射流加工、照相电解加 工等技术方法加工微小群孔结构时，都存在一些自身难以克服的不足。如机械加工中由于残余 应力集中而容易产生变形；激光加工技术和电火花技术加工后的工件表面存在热影响区，工件 容易发生热变形而导致微裂纹的产生；毛细管和电液束加工中毛细管易碎，不适合实现阵列多 孔加工，喷液加工杂散腐蚀程度较大；照相电解加工技术加工工序较烦，加工效率较低，光刻 胶膜易剥落等。 本课题组提出一种新的微小群孔电解加工工艺，即活动阴极模板电解加工技术，其中工具 阴极是由导电层和绝缘层组成的模板结构，且可以循环使用。该技术建立于电化学阳极离子溶 解的基础上，结合了其它微小群孔加工技术的一些优点，如加工表面质量好、零件无变形和毛 刺、工具阴极无损耗、不受零件材料硬度和刚度的限制、成型精度好、加工效率高等。 目前，航空发动机上各种薄壁孔板结构零件，如冷气导管、空气阻尼套等，已经得到了广 泛应用，并且对这些薄壁孔板结构零件的材料、几何尺寸和小孔数目又提出了更高的要求和挑 战，材料综合性能高( 譬如钛材) 、尺寸越来越大，小孔数目数以千计。因此，本课题中通过活 动阴极模板电解加工技术，在纯钛t a 3 薄板上进行海量微小群孔结构的试验加工很有研究意义。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题的主要内容：搭建海量群孔电解加工机床，通过活动阴极模板电解加工工艺，开展 基础试验研究，分析各种工艺参数对微小群孔结构加工精度的影响，选择优化的加工参数，在 纯钛( t a 3 ) 薄板材料上加工出海量微小群孔阵列结构。 南京航空航天大学硕士学位论文 钛属于强自钝化性金属，它的表面极易氧化而形成钝化膜，阳极溶解时从膜的薄弱处先发 生点蚀，然后随着点蚀数量不断增多，加工面积也相应变大，点蚀深度和蚀坑大小直接影响着 零件表面形貌。经过研究，纯钛的点蚀情况受电解液成分、配比、压力，电流密度f ，以及加工 时间f 等参数的影响【3 6 1 。对于纯钛的电解加工，非加工区域的杂散点蚀现象是钛电解加工工艺 中难以解决的问题之一。严重的点蚀可能会导致零件报废，实际研究证明，采取一定的措施可 以减缓甚至消除点蚀，从而提高成品率。 本课题主要从电参数和电解液参数两大方面，深入研究该工艺中各参数对微小群孔加工精 度的影响。 1 电参数 ( 1 ) 选用脉冲电源，因为在脉冲间隙内电解液冲刷加工区域，及时带走加工产生的蚀除产 物，避免产物堵住间隙使得阴、阳极导通发生短路现象。另外，电解液还能在脉问很好地排出 加工中的大量析热，这样防止间隙内热量过分集中而使电解液电导率变化较大，影响电流密度， 进而破坏工件的加工精度和表面质量。( 2 ) 选择比较合理的电源占空比，也就是很好地控制脉 宽和脉间的关系。由于纯钛( t a 3 ) 的分解电压较大，则需要高电压加工。若脉宽过长，非加 工区域点蚀严重，工件成型精度差；若脉间过长，则会降低加工效率和经济效益。所以研究占 空比对加工精度的影响情况，对海量群孔加工有实质性指导作用。 2 电解液参数 选择合适的电解液成分是电解加工工艺的首要问题。电解液除了与工件和工具阴极构成反 应的电极，实现电解加工过程以外，还排出蚀除产物，及时更新加工间隙内的电解液。另外， 电解液冷却并带走加工过程中产生的大量焦耳热，使加工区域的温度不致过高而引起沸腾、蒸 发现象，进而影响加工过程的稳定性。由于纯钛本身性能的特殊性，所以电解液的选择对于本 课题的研究很有指导意义。 本课题的研究由国家8 6 3 高技术研究发展计划项目( 2 0 0 9 a a 0 4 2 3 0 2 ) ，国家自然科学基金重 点项目( 5 0 6 3 5 0 4 0 ) ，江苏省自然科学基金项目( b 融0 0 8 0 4 3 ) 资助。 t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 第二章纯钛电解加工研究的理论基础 由于纯钛的钝化电位低，故钝化能力强。在常温下金属表面极易形成氮化物和氧化物组成 的致密钝化膜，它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，所以在电解加工过程中，分解电压较 高而使得加工变得困难。其在电解加工过程中，材料蚀除是一个循序渐进的过程：薄弱边缘点 蚀局部点蚀重叠整个表面点蚀重叠。然而，点蚀的过程也伴随着钝化的过程，钝化速 度及点蚀的速度之间的关系直接影响到最终的加工精度和表面质量。 本章主要介绍最基本电解加工机理相关知识，并结合纯钛电解加工特殊性，阐述电解液基 本理论、分析纯钛电解加工过程。 2 1 法拉第定律与电流效率 2 1 1 法拉第定律 金属发生阳极溶解时，其溶解量和通过电解池的电量存在着一定的关系。这种关系符合法 拉第定律。法拉第定律包括两个内容口5 】： ( 1 ) 法拉第第一定律：在电极的两相界面处( 金属溶液界面上) 溶解或析出的物质的质 量与通过其界面上的电量成正比。 ( 2 ) 法拉第第二定律：当相同的电量通过不同的电解质溶液时，在电极上析出或溶解的物 质的量与其化学当量成正比。 根据法拉第第一、第二定律，阳极金属若以理论的原子价溶解，则阳极溶解的金属质量可 以表示如下： 加：袖9 ：叩胁：兰7 7 纽 ( 2 - 1 ) 式中m 龟化学反应溶解或析出的物质质量( g ) ； 4 相对原子质量； 竹电流效率； f 明、阳极之间的电流密度( 从m 2 ) ； s 而口工面积( c m 2 ) ； 卜加工时间( s ) ； r 化合价； 卜法拉第常数( 9 6 5 0 0 a s m o l ，c m 0 1 ) ； 卜一电流强度( a ) ； l o 南京航空航天大学硕士学位论文 q j 歪过两相界面的电量( a s ) ； 七一单位电量溶解的元素质量，称为元素的质量电化学当量( g a s ) 。 在实际的电解加工过程中，为了表示电解加工过程的快慢，引入蚀除速率参数，表示如下： 1 ，= 刁缈f ( 2 2 ) 式中 、一阳极蚀除速率； ( ) 元素的体积电化学当量( c m 3 a s ) 。 2 1 2 电流效率 在电解加工过程中，通过法拉第定律可以计算出电解加工速度的理论值，但是得满足以下 几个主要条件p 7 。3 8 】： 1 ) 对于电解过程中生成的离子，要有固定的原子价： 2 ) 在金属表面只发生金属离子溶解反应，不存在其它任何副反应： 3 ) 金属的去除仅靠阳极溶解的方式，不存在成块机械剥落现象。 但是，理论上计算出来的加工速度数值与实际加工过程中的蚀除速度是不相等的，这是由 于以上三个条件没有同时满足所导致的。因此，如式2 2 中需引入电流效率7 7 值。引入电流效 率7 7 的概念，是为了体现实际加工过程中阳极溶解所耗电量，即对通过阳极总电量的有效利用 率。定义电流效率刁为 7 7 = m 实际m 理论= 喙际论 ( 2 - 3 ) 电流效率小于1 0 0 时，表明： 1 ) 实际溶解的原子价比理论原子价高； 2 ) 除了金属溶解消耗一部分电流外，还有副反应消耗了一部分。 电流效率大于1 0 0 时，表明： 1 ) 实际溶解的原子价比理论原子价低： 2 ) 除了阳极溶解之外，还存在块状剥落现象。 以上仅是定性的理论分析，在实际的电解加工中，以上几个因素可能同时存在，电流效率7 7 取决于它们共同作用的结果。 影响7 7 的主要因素有：加工电流密度f ；工件金属材料；电解液成分的匹配，电解液浓度及 温度等工艺条件。 2 2 电解液的基本理论 2 2 1 电解液的基本作用 电解液主要的作用是【3 6 】： t a 3 板海量微小群孔活动阴极模板电解加工试验研究 1 ) 与阳极工件及阴极工具组成电化学反应的体系，实现电解加工。同时，电解液所含导电 离子是电解池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。 2 ) 及时排除电解过程中的蚀除产物，控制浓差极化，使电解加工能正常进行。 3 ) 冷却并带走加工过程中产生的大量焦耳热，以免加工间隙内产生沸腾、空穴现象而导致 电场、流场、温度场等不稳定，确保加工过程的稳定进行。 2 2 2 纯钛加工电解液的类型 因为纯钛金属具有强氧化性而易形成致密的钝化膜，这样就给电解加工带来了困难，电解 液类型的选择便是一个解决此问题的关键因素，纯钛电解加工电解液的基本要求大致如下。 1 ) 具有良好的加工特性，溶液中的阴离子能使钛高速地溶解；尽量避免所加工的零件表面 出现蓝紫色钝化膜或者黑斑。 2 ) 为使溶液中的金属阳离子不沉积在阴极表面，因此多采用钾碱或钠碱金属中性盐溶液。 3 ) 具有较高的电导率、比较低的粘度、较高的比热特性。 4 ) 安全可靠、无毒性、腐蚀程度较小。酸性溶液不安全且腐蚀性强。尽管氰化物是比较好 的络合剂，但是c n 一、c r “、n o ，一毒性较大，所以不宜采用。 5