（机械制造及其自动化专业论文）利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究.pdf

1 j 1 i 嬲嬲缈 f y 18 0 9 嘈岁芗 n a 巧i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s t u d y o fi m p r o v i n gm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n ga c c u r a c yb yc a t h o d ec y c l i c j u m p m o t i o n a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y h e n gc h o n g a d v i s e d b y d r l i uz h u a n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) j 、 形式进行，这种微溶解去除方式使得电解加工技术在微细制造领域有着很大的发展潜力和应用 前景。 微细电解加工中，电解液的更新、电解产物的排除是影响微细电解加工过程稳定性和加工 精度的重要因素。本文基于有助于电解液更新、电解产物排除的阴极周期跳跃式进给微细电解 加工试验机床，以工程领域中大量应用的微小孔为研究对象，引入脉冲电源，结合不同形状微 细工具电极，进行了阴极周期性跳跃排液的微细电解加工工艺试验研究，完成了以下工作： 1 、对阴极周期跳跃式微细电解加工的排液原理进行了分析，讨论了加工区域电解液、电解 产物输运方式。分析认为：微细工具电极周期性高速跳跃有助于电解液的循环更新以及电解产 物的排除，并且随着工具电极跳跃速度的增加，加工区域电解液更新、电解产物排除也会更加 充分。 2 、完善了阴极周期跳跃式微细电解加工试验系统，包括：加工电源回路通断设计、大间隙 冲液循环系统的设计，并利用虚拟仪器软件l a b v i e w 设计了专用控制程序，实现了工具电极运 动与加工电源以及冲液系统的匹配控制，为加工试验提供了很好的平台。 3 、采用电化学腐蚀法制备微细电极。以电化学腐蚀为基础，提出了一种新的加工复杂形状 微细电极的工艺方法，并且成功地制各出倒锥形微细电极。利用真空气相沉积法成功地在所加 工出的微细电极表面涂敷了厚度均匀、致密的绝缘膜。 4 、进行了阴极周期跳跃式微细电解加工试验研究。试验中，结合脉冲电源，以自制的微细 电极为加工工具，以不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 、高温合金材料g h 4 1 6 9 为加工对象，研究了不同电极 形状、加工电源、阴极跳跃加速度、阴极跳跃高度等对加工精度的影响。结果表明：倒锥形工 具电极、较高的阴极跳跃加速度、较大的跳跃高度有助于加工精度的改善；脉冲电源结合倒锥 形微细电极有利于加工深度的提高；混合电解液( 4 硫酸+ 1 氯化钠+ 1 柠檬酸) 有利于提高 高温合金材料g h 4 1 6 9 的加工深度。 关键词：微细电解加工，阴极跳跃，加工精度，电解液更新，微细电极，脉冲电源 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 a b s t r a c t e c m ( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) i sas p e c i a lp r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hm a k e st h ep a r tf o r m , b a s e do ne l e c t r o c h e m i c a la n o d i cd i s s o l u t i o no fm e t a li ne l e c t r o l y t e i nm a c h i n i n gp r o c e s s ，a n o d e m a t e r i a l sr e m o v a li nt h ef o r mo fi o n s t h i sw a yo fr e m o v a lo fm i c r o s o l u b l em a k e se c mh a v eg r e a t p o t e n t i a la n da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm i c r o - m a n u f a c t u r i n gf i e l d s i nm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，e l e c t r o l y t er e f r e s h i n ga n dr e a c t i n gp r o d u c t sr e m o v a la f f e c t t h em a c h i n i n gs t a b i l i t ya n dm a c h i n i n ga c c u r a c yi m p o r t a n t l y t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t a l s t u d yo fm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n ga b o u tc a t h o d ec y c l i cj u m pm o t i o n ，w h i c hm a d et i n yh o l e s i ne n g i n e e r i n gf i e l d sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，l e a d i n gi np u l s ep o w e ra n dc o m b i n e dw i t hd i f f e r e n t m i c r o - t o o le l e c t r o d e ，b a s e do nt h em i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gd e v i c ew i t hc a t h o d ec y c l i cj u m p m o t i o nw h i c hi sh e l p f u lt oe l e c t r o l y t er e f r e s h i n ga n dr e a c t i n gp r o d u c t sr e m o v a l c o m p l e t e dt h e f o l l o w i n gw o r k ： 1 t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o l y t er e f r e s h i n ga n dr e a c t i n gp r o d u c t sr e m o v a la b o u tc a t h o d ec y c l i c j u m pm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gw a sa n a l y z e d ；t h em o d eo ft r a n s p o r t i n ge l e c t r o l y t ea n d r e a c t i n gp r o d u c t sw e r ed i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sw e r eg a i n e dt h a th i g h s p e e dj u m po fm i c r o - t o o l e l e c t r o d ew a su s e f u lt ot h ec y c l er e f r e s h i n go fe l e c t r o l y t ea n dr e a c t i n gp r o d u c tr e m o v a l ，a n d e l e c t r o l y t er e f r e s h i n ga n dr e a c t i n gp r o d u c t sr e m o v a li np r o c e s s i n gr e g i o nw o u l db cm o r ef u l l y 讯m t h et o o le l e c t r o d ej u m pr a t ei n c r e a s i n g 2 t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fc a t h o d e c y c l ej u m pm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n gw a s i m p r o v e d ，w h i c hc o n t a i n e d ：d e s i g n i n gp r o c e s s i n gp o w e ro n - o f fc i r c u i t ，d e s i g n i n gt h ec i r c u l a t o r y s y s t e mo fl a r g eg a ph y d r o - j e t , d e s i g n i n go fas p e c i f i cc o n t r o lp r o g r a mb yv i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e l a b v i e wt h a ta c h i e v e dc o u p l i n gc o n t r o lo ft h et o o l sc a t h o d em o v e m e n t ，p o w e ra n dh y d r o - j e ts y s t e m , w h i c hp r o v i d e dag o o dp l a t f o r mf o ra c h i e v em o r ea c c u r a c ym i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 3 m i c r o - e l e c t r o d e sh a v eb e e nm a d eb ye l e c t r o c h e m i c a le t c h i n g o nt h eb a s i so fe l e c t r o c h e m i c a l e t c h i n g ，an e wp r o c e s so fp r o d u c i n gc o m p l e xs h a p e sm i c r o - e l e c t r o d e sh a sb e e nr a i s e d ，a n d m i c r o - e l e c t r o d e so fi n v e r t e dc o n e - s h a p e dh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yp r o d u c e d t h ev a c u u mv a p o r d e p o s i t i o nm e t h o dw a ss u c c e s s f u l l yu s e di nt h ei n s u l a t i o no fm i c r o - e l e c t r o d es u r f a c ew h i c hw a s c o a t e du n i f o 珈n _ t h i c k n e s sa n dd e n s ei n s u l a t i n gf i l m 4 t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nc a t h o d e c y c l ej u m pm i c r o - e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gh a sb e e n c o n d u c t e d t h ee x p e r i m e n tc o m b i n e dw i t hp u l s ep o w e r , t o o ks e l f - m a d em i c r o e l e c t r o d ea st h e 。 i 南京航空航天大学硕士学位论文 m a c h i n i n gt o o l sa n ds t a i n l e s ss t e e l1 c r l 8 n i 9 t i ，h i g h t e m p e r a t u r ea l l o yg h 4 1 6 9a st h em a c h i n i n g o b j e c t s ，w h i c hs t u d i e dd i f f e r e n tf a c t o r sa f f e c t i n gm a c h i n i n ga c c u r a c y , i n c l u d i n ge l e c t r o d es h a p e s ， m a c h i n i n gp o w e r , c a t h o d ej u m pa c c e l e r a t i o n ，c a t h o d ej u m ph e i g h ta n dd i f f e r e n te l e c t r o l y t e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ei n v e r t e dc o n e s h a p e dt o o le l e c t r o d e ，t h ec a t h o d ej u m pa c c e l e r a t i o na n dt h e i n c r e a s ei nj u m ph e i g h tc o u l da c h i e v em u c hh i g h e rm a c h i n i n ga c c u r a c y ；p u l s ep o w e rw i t hi n v e r t e d c o n e s h a p e dm i c r o - e l e c t r o d ew a sc o n d u c i v et ot h ei m p r o v e m e n to ft h ed e p t ho fm a c h i n i n g ；m i x e d e l e c t r o l y t e ( 4 s u l f u r i ca c i d + 1 s o d i u mc h l o r i d e + 1 c i t r i ca c i d ) w a sb e n e f i c i a lt ot h em a c h i n i n g d e p t ho ft h eh i g h t e m p e r a t u r ea l l o ym a t e r i a l s k e yw o r d s ：m i c r o e c m ，c a t h o d ej u m p ，m a c h i n i n ga c c u r a c y , e l e c t r o l y t er e f r e s h i n g ，m i c r o - e l e c t r o d e ， p u l s ep o w e r i i i 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 电解加工技术的原理1 1 2 电解i j n 3 ：技术的研究及其发展一1 1 2 1 微细电解加工技术2 1 2 2 数控电解加工技术2 1 2 3 脉冲电流电解加工技术3 1 2 4 电解复合加工技术4 1 3 微细电解加工技术。5 1 3 1 电液束微细电解加工5 1 3 2 掩膜微细电解加工6 1 3 3 脉冲电流微细电解加工7 1 3 4 扫描探针微细电解加工8 1 3 5e f a b 技术8 1 4 本课题来源及主要研究内容一9 1 4 1 课题来源以及研究意义。9 1 4 2 本文主要研究内容9 第二章阴极周期性跳跃排液的微细电解加工1 1 2 1 电解加工的电化学原理l l 2 2 法拉第定律1 l 2 3 阳极极化曲线及其特征1 2 2 4 微细电解加工1 3 2 4 1 微细电解加工的特点1 3 2 4 2 影响微细电解加工稳定性的因素分析1 4 2 4 3 影响微细电解加工精度的因素分析2 捌1 4 2 5 阴极周期性跳跃排液的微细电解加工1 6 2 5 1 电解液更新与电解产物输运方式1 6 2 5 2 阴极周期性跳跃式加工1 6 2 5 - 3 阴极周期跳跃式微细电解加工的排液原理1 7 2 6 本章小结2 0 v 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研 v i 3 3 1 4 2 2 阴极跳跃加速度对侧面加工间隙的影响4 5 4 2 3 阴极跳跃高度对侧面加工间隙的影响4 7 4 2 4 深微孔加工试验4 9 4 2 5 高温合金材料的加工试验5l 4 3 本章小结5 3 第五章总结与展望。5 4 5 1 论文研究工作总结5 4 5 2 对未来工作的展望5 4 参考文献5 6 致谢6 0 v 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 图表清单 图1 1 数控电解加工示意图3 图1 2 脉冲电流电解加工系统示意图3 图1 3 复合电解加工示意图4 图1 4 电液束微细电解加工原理图6 图1 5 掩膜微细电解加工样品图7i 图1 - 6 高频窄脉冲电流加工的微细结构8 图2 1 电解池原理图一1 1 图2 2 不锈钢在硫酸电解液中的极化曲线1 3 图2 3 阴极周跳跃进给的位移时间示意图1 7 图2 4 加工区域电解液补充、循环示意图。1 8 图2 5 工具阴极高速跳跃对加工区域电解液的更新作用示意图。1 9 图3 1 阴极周期性跳跃排液的微细电解加工系统示意图2 2 图3 2 阴极周期性跳跃排液的微细电解加工系统实物照片2 2 图3 3 阴极周期跳跃式电解加工试验系统控制部分示意图2 4 图3 4 阴极周期性跳跃排液的微细电解加工过程控制流程图一2 5 图3 5 加工电路控制示意图2 6 图3 6 运动控制程序框图：i 具阴极运动与加工电路匹配控制部分2 6 图3 7 阴极周期跳跃式微细电解加工控制界面。2 7 图3 8 电解液循环系统示意图2 8 图3 9 电磁阀供电回路控制示意图2 9 图3 1 0 运动控制程序框图：工具阴极运动与电解液循环系统的匹配控制部分2 9 图4 1 、e d g 技术加工的微细电极。3 2 图4 2 微细盘形电极。3 3 图4 3 电化学腐蚀法制备圆柱形微细电极的原理图3 4 图4 4 钨丝电极的腐蚀过程一3 4 图4 5 不同加工截止电流所加工的微细圆柱形电极3 6 图4 6 预期加工出的倒锥形微细电极示意图3 6 图4 7 倒锥形微细电极加工工艺流程图3 8 图4 8 电化学腐蚀法制备倒锥形微细电极的原理图3 8 v i 3 9 3 9 图4 1 1p m y l e n e 沉积过程4 l 图4 1 2 绝缘电极及其放大2 0 0 倍的薄膜形貌4 2 图4 1 3 不同电极形状与加工电源加工出的孔4 4 图4 1 4 不同电极形状与加工电源对侧面加工间隙的影响4 4 图4 1 5 不同跳跃加速度所加工出的孔4 6 图4 1 6 工具阴极跳跃加速度对侧面加工间隙的影响4 7 图4 1 7 不同跳跃高度所加工出的孔一4 8 图4 1 8 阴极跳跃高度对孔侧面加工间隙的影响4 9 图4 1 9 阴极跳跃速度示意图4 9 图4 2 02 m m 厚不锈钢板上加工出的深微孔5 0 图4 2 1 三种不同电解液所加工盲孔的形貌图一5 2 图4 2 2 不同电解液对所加工孔径和加工深度的影响。5 2 图4 2 3 混合电解液下所加工盲孔的形貌图、轮廓图。5 3 表4 1 不同型号p m y l e n e 的主要性能4 1 表4 2 加工试验条件4 3 表4 3 不同电极形状与加工电源加工出的孔直径4 4 表4 4 不同跳跃加速度加工试验条件一4 6 表4 5 不同跳跃加速度所加工孔直径4 6 表4 6 不同跳跃高度加工试验条件4 7 表4 7 不同跳跃高度时所加工孔直径4 8 表4 8 深微孔加工试验条件5 0 表4 9g h 4 1 6 9 的化学成分5 l 表4 1 0g h 4 1 6 9 力i i 试验条件5 l 表4 1 1 不同电解液所加工盲孔的结果5 2 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的 符号意义 注释表 单位 g a 。s c a c m 3 a s g v a c m 2 i 0o n l l n g a s i t i i t i g m m s t a m n n s m s 2 m s p m p m m g m p m g m g m “m 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电解加工技术的原理 电解加工( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，简称e c m ) 是利用金属在电解液中可以发生阳极溶 解的原理，将零件加工成形的一种减材制造技术。加工中，工件与工具分别接电源的正负极， 两电极之间保持较小的加工间隙，并引入电解液由极间流过，在两极之间形成导电通路，从而 在加工电压的作用下发生电化学反应。随着工具阴极相对工件阳极不断进给，工件金属不断被 溶解蚀除，反应产物随之不断地被间隙中流动的电解液带离加工区域，最终工件表面逐渐形成 与工具工作面基本相似的形状1 ，2 1 。 电解加工是利用电化学反应原理实现对工件材料的去除，加工过程中，阴、阳极是不接触 的。阳极的金属原子失去电子，变成离子状态逐个脱离阳极表面进入电解液中，发生氧化反应； 在阴极上则发生得到电子的还原反应，析出氢气。因此，电解加工具有如下优点： ( 1 ) 加工范围广。电解加工不受金属材料本身强度、硬度、韧性的限制，几乎可以加工所 有的导电材料，没有残余应力，可以加工薄壁、弹性等零件。 ( 2 ) 生产率高。在一定条件下，比切削加工的生产率还高，复杂的型孔、型面、型腔电解 加可一次成型，且生产效率、加工精度、表面粗糙度没有互相制约的关系，可同时得到提高。 ( 3 ) 表面质量好。电解加工无切削力，不会产生冷作硬化层，由于是在常温下电化学溶解， 不会产生表面变质层，没有显微裂纹，表面粗糙度好，可以达到r a 0 8 6 3 # m ，没有飞边毛 刺。 ( 4 ) 工具电极无损耗。电解加工中工具阴极仅是析出氢气，而本身不发生溶解反应，且不 与工件接触，所以理论上没有损耗。 此外，电解加工也有如下局限性： ( 1 ) 加工精度还不够高。电解加工中极间间隙状态非常复杂，间隙中电化学、电场、流场 等多种因素的交互影响，较难得到均匀稳定的加工间隙，加工精度不容易保证，其加工精度与 被加工零件的几何形状有关。 ( 2 ) 工具阴极的制备周期长。当加工型面、型腔时由于其尺寸外形复杂，工具电极制作难， 而且电极的制作通常要参考实验来实现，因此周期较长。 ( 3 ) 电解加工附属设备多，占地面积较大。机床需有足够的刚性和防腐蚀性，成本较高。 另外，电解产物需妥善处理，否则将污染环境。 1 2 电解加工技术的研究及其发展 一直以来，电解加工为了解决应用中存在的问题，特别是围绕提高加工精度而创新电解加 1 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 工工艺技术的研究仍在不断深入地进行，同时也出现了一些新颖的电解加工方法。比如 解加工技术；数控电解加工技术；在低频宽脉冲基础上发展起来的高频窄脉冲电流电解 电解与其它能量复合的加工技术，如电解与电火花的复合加工技术等f 3 1 。 1 2 1 微细电解加工技术 近年来，随着机械电子设备不断地向小型化、微型化方向发展，材料微、纳米级尺 工方法已经越来越引起人们的关注，尤其是具有优良性能的金属材料微细加工。用传统 工方法进行金属材料微细加工，会存在刀具制作困难、刀具有磨损和产生切削热等缺点，而且 加工时的切削力会使零件产生变形，在加工过程中所产生的残余应力也会影响零件的质量和性 能，所以很难胜任金属的微细加工。因而基于各种原理的精密微细加工技术层出不穷，其中微 细电解加工技术是当前的研究热点之一。由于电解加工是一种基于阳极溶解的减材技术，在加 工过程中，工件阳极上的金属原子不断地失去电子成为离子而从工件上溶解，其材料的减少过 程以离子的形式进行，因而使得电解加工技术在微细制造领域有着很大的发展潜力和应用前景。 而且电解加工中工具电极和工件不接触，工件表面不会产生加工应力、变形以及热影响区，无 工具电极损耗，加工表面质量好以及与材料硬度无关等优点，因而能够克服电火花加工、激光 加工以及机械加工中的某些缺陷，在工业生产，尤其在精密机械加工中得到了逐步的应用，例 如航空航天、精密仪器、生物医学等领域【4 捌。基于微细电解加工在国民生产和国防事业中发挥 的重要作用，近些年来微细电解加工技术成为国内外微细加工领域中新的研究热点，并在加工 精度和加工尺度上取得一些突破性进展。 1 2 2 数控电解加工技术 在加工型腔、型面时，成型电极的设计及制造困难且制造周期长，为了简化工具设计，减 少生产准备时间，从而拓宽电解加工在小批量甚至单件生产中的应用，发展了采用简单形状电 极的数控电解加工，数控电解加工是利用简单形状的电极进行多维复杂运动，加工出所需工件 形状的加工方式，如图1 1 所示。数控电解加工综合了数控和电解的两大技术特点，各尽所长， 已进入实际应用阶段。其阴极工具形状简单，可以是棒状、球状、片状等，而“切削刃”可为点、 直线、曲线；它像数控加工那样具有很好的加工柔性，并且通过不同类型的控制程序来消除成 型电极设计及制造的困难，同时延续电解加工的优点，可加工难加工材料，阴极工具没有损耗， 加工中没有切削力，生产效率高，表面质量好 6 j 。 数控电解加工可以应用于复杂形状内、外表面的加工，如发动机叶片等。俄罗斯已采用机 械仿形电火花和电解加工组合来加工带冠的整体叶轮【6 1 。南京航空航天大学从2 0 世纪8 0 年代 中期就开始研究数控展成电解加工技术【7 】，它以简单的“直线刃”电极加工叶间槽，然后再精加 工叶片型面，但还只限于加工可展直纹曲面。 2 1 2 3 脉冲电流电解加工技术 脉冲电解加工( p u l s ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ，p e c m ) 的机理是利用有规律的间歇供电 ( 脉冲电流) 进行间隙加工，在脉冲电化学加工时问内阳极发生电化学溶解，从而达到改善零件 表面质量的目的【引，如图1 2 所示。 阳极 电解液 图1 2 脉冲电流电解加工系统不慈图 研究证明，脉冲电流电解加工具有比一般直流电流加工精度高、表面微观不平度小、易于 控制加工参数、便于采用小间隙加工等优点唧。在脉冲电解加工中，由于脉冲电流的间隙作用 和阶跃变化，使加工间隙中的电解液发生振荡而产生压力波；压力波的搅拌作用大大改善了加 工间隙中电解液的流动条件，使间隙中的电解产物得到及时充分的排除，因而可以工作在比传 统直流更高的电流密度和更小的加工间隙下。高的电流密度可以提高表面加工质量，而小的间 隙可以显著改善加工精度。另外，脉冲加工提供了更多的可调参数，为过程控制提供了方便。 早期的低频宽脉冲电流电解加工较直流电解加工在加工精度和表面质量方面有明显的提高 气 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 与改善，显示了脉冲电解加工的巨大潜力。在低频宽脉冲电流电解加工下，以周期供给脉冲电 流周期进给的模式加工精度最高。前苏联最早采用此模式，据统计其成型精度可以从直流加工 的o 1 5 o 3 0 l n i l l 提高到o 1 0 o 1 5 r a m 。我国采用连续供给脉冲电流、连续进给的模式加工钛 合金叶片时，加工精度也从直流、混气电解加工的0 3 0 m m 提高到o 1 5 一- - 0 2 0 m m 。采用低频、 宽脉冲电流进行电解打孔或电解套二维柱面时，其侧面锥度误差可以 o 0 2 m m ，底面平面度可 以达到o o l m m ，粗糙度r a o 0 8 p m ，且表面无流纹，达到了较高的水平【2 1 。 低频窄脉冲电流电解加工虽然有一定的效果，但是并没有发挥出脉冲电流电解加工的潜力。 因此，近年发展了对高频、窄脉冲电解加工( h i g hf r e q u e n c ys h o r tp u l s ee l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g 。h s p e c m ) 的研究。国内外在此领域都进行了大量的实验研究，结果表明高频窄脉 冲电流能在更大程度上改善极间特性，并且有利于加工过程的稳定，便于获得更小的加工间隙， 加工精度也随之提高。荷兰菲利普制造技术中心利用极窄脉宽的电源进行电解加工，其精度达 到了前所未有的微米级水平。在国内，一些科研院所和单位相继进行了这方面的研究，并对部 分产品进行了试生产加工。例如，南京航空航天大学早在1 9 8 3 年就研制出2 0 0 0 a 的脉冲电流 电源。近几年来，华南理工大学也开展了高频、窄脉冲电解加工的研究，其最小加工间隙可达 到o 0 5 n m 【1 0 1 。 相对直流电解加工，脉冲电流电解加工表现出更好的尺寸精度控制、更垂直的侧壁、更小 的转角圆弧和更好的表面质量。但是，就目前而言，脉冲电解相对较低的加工速度和较大的投 资限制了它的广泛应用。此外，脉冲电流电解加工的机理、设备的探索和研究还需要更进一步。 1 2 4 电解复合加工技术 电解复合加工技术是指将电解加工技术与其它加工技术结合在一起，扬长避短，互相补充， 以达到更好的加工效果的加工方法【l 。受到广泛关注的电解复合加工有电解放电复合加工、超 声电解复合加工、激光电解复合加工等。电解加工方法与其他加工方法的复合如图1 3 所示【7 】。 4 图1 3 复合电解加工示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 电解放电复合加工是将电解加工与电火花加工结合在一起去除金属的加工方法。此设想由 电火花的发明人拉扎连科提出。在电火花加工中，常用的油类碳氢化合物介质在放电过程中会 产生大量碳墨，严重影响放电过程和电蚀产物的排除，影响加工速度。起初人们是在水中进行 电火花加工研究，随着对其认识的深入，人们把在电解液中进行放电作为一种独立的：2 d t _ 方法 进行研究，这便是电解放电复合：2 u t - 技术 1 2 1 。电解放电复合加工具有电解加工和电火花加工两 者的特性，具有以下工艺效果：】i n - r 速度是电解加工和电火花加工的5 - 5 0 倍；力n - r _ 精度高于电 解加工，接近电火花加工精度；表面粗糙度优于电火花加工，劣于电解加工，表面变质层结构 与电火花加工相近；电极有损耗。优于电火花，合理选择各种参数可控制在l 以内。电解放电 复合i j u t _ 在航天、汽车、电子、精密模具等领域有着广阔的应用前景，但其任有许多问题有待 进一步探索【i3 1 。 超声电解复合加工是将超声加工和电解加工结合起来的加工方法。它结合了两者的优点， 超声加工的超声空化作用、磨料冲击会加快加工中钝化膜的破坏，提高材料去除速度，同时也 能够拥有较好的加工精度和表面粗糙度，避免了电解加工中经常出现的一些问题【1 4 1 。 喷射液束电解一激光复合加工是将电解加工与激光复合的加工方法，以喷射液束下激光对 工件的热力效应为主要加工作用去除材料，同时利用喷射液束冲刷、冷却和电解作用在线去 除再铸层。应用此复合加工方法，在保证相对高的：j n t _ 效率前提下，可使再铸层厚度减薄至5 9 m 以下，而且加工表面无热影响区，加工精度更好。能够有效地解决再铸层与微裂纹现象( ”j 。 1 3 微细电解加工技术 微细电解加工技术是基于金属电化学溶解原理基础之上的，理论上表面精度和加工尺寸可 以达到微米级。微细电解加工中，加工间隙很小( 为微米尺寸) ，反应过程中工件阳极金属不断 地失去电子成为离子而溶解到电解液中去，同时阴极有氢气放出，这种微溶解方式使得其在微 细精密制造领域有着很大的发展潜力。同时微细电解加工具有工具无损耗、生产效率高、加工 表面质量好以及与材料硬度无关等优点。 目前微细电解加工发展方向主要有两方面，一是不断追求微细电解加工的极限加工能力， 探求微纳米尺度上的加工；二是针对目前工业制造中大量存在的m e s os c a l e ( 尺寸从几微米至 几百微米) 的微细结构，研究如何采用电解加工方法经济、高效地进行加工f 1 6 ，1 7 1 。近年来开展 的微细电解加工技术主要有：电液束微细电解加工、掩膜微细电解：j u r a 、脉冲电流微细电解加 工、扫描探针微细电解加工、e f a b 技术等几种。 1 3 1 电液束微细电解加工 电液束微细加工是在金属管电极加工小孔的基础上发展起来的一种微细电解加工方法，主 要用于加工航空工业中的各种小孔结构【i 引。其采用呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴抑制电化学反 5 利用阴极跳跃排液提高微细电解加工精度的试验研究 应的杂散腐蚀，高压电解液由玻璃管中的高压金属丝极化后，高速射向工 场进行金属的电化学去除加工。加工原理如图1 4 所示： 电解液 入口 电 压 + 图1 4 电液束微细电解加工原理图 采用电极不进给的方式，可以加工出直径为0 1 m m 以下的微孔，但是加工深度有限。以电 极进给方式加工时，可以加工出深径比为1 0 0 ：1 的深小孔1 8 】，微孔直径为0 2 r a m 以上。电液束 加工的独特优势还在于可以加工许多难以加工的斜孔、特殊位置的孔甚至弯孔，这归因于其玻 璃管电极形状的可变性，但存在玻璃管电极易碰碎等缺点。 1 3 2 掩膜微细电解加工 掩膜微细电化学加工，是将光刻技术与电化学加工技术相结合的一种微细电化学加工方法， 能加工出微米甚至亚微米级的复杂形状，可用于精密光栅、超大规模集成电路、印刷电路等多 种金属薄壁零件和微机电系统( m e m s ) 零件的制造，是半导体工业、微电子工业和微机械领 域的重要制造技术1 9 1 。 掩模微细电解技术原理是在工件表面( 单面或双面) 涂敷一层光刻胶，经过光刻显影后， 工件上形成具有一定图案的裸露表面，然后通过束流电解加工或浸液电解加工，选择性地溶解 未被光刻胶保护的裸露部分，最终加工出所需形状的工件。由于金属溶解是各向同性的，金属 在径向溶解的同时也横向被溶解，因此研究如何控制溶解形状、尽量减少横向溶解等对保证掩 模微细电解的加工精度非常重要2 0 1 。 为了提高加工速度和加工精度，可以在工件两面都覆盖一层图案完全相同的掩膜，从两边相 向同时进行溶解。图1 5 ( a ) 为采用单面掩膜法加工的微传感器【2 1 1 ，图1 5 c o ) ；t j 采用双面掩膜法在 厚度1 2 5 1 t m 的不锈钢板上加工的群孔结构1 2 2 1 。可以看出，利用单面掩膜法加工的微器件，侧面 具有锥度；双面掩模加工的孔侧壁垂直度非常好，且表面质量很好。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 ( a ) 单面掩膜法加工的微传感器( b ) 双面掩膜法加工的群孔结构 图1 5 掩膜微细电解加工样品图 1 3 3 脉冲电流微细电解加工 采用脉冲电源进行电解加工，改善了极间流场的理化特性，极间流场性质的变化导致加工 中极间间隙变小，而极间间隙的变化直接影响加工零件的形状和尺寸精度，间隙越小，加工精度 越高1 2 , 9 】。但是当频率较低、脉宽较大时效果仍然不明显，加工间隙较大，精度不够高，而加工 效率则有所降低。因此，脉冲电流电解加工在实际生产中还没有得到普遍的应用。 随着电子技术的发展，有学者对高频、窄脉宽电源应用于微细电解加工进行了研究，发现 当脉宽较小、频率较高时，加工工件的精度和表面质量明显改善。脉冲电解时，间隙内产生与 脉冲电流同步的脉冲压力波，其频率和强度随着脉冲频率的提高而增强，从而加强了对电解液 流