（机械制造及其自动化专业论文）厚不锈钢板的微细电解线切割加工技术研究.pdf

、1 m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y z h u b i n g a d v i s e d b y p r o f z h ud i 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 f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 lrp ， j1 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 1 电解线切割加工( w h 工新方法。该方法不但继承 结合二维平面运动，能够简 电极，准备时间短，成本低；又由于电解线切割的工具电极为线电极，这就使其更容易加工出 普通加工方法很难加工出的高深宽比结构。 本文以电解线切割加工厚度为5 m m - - 2 0 m m 的不锈钢板为研究对象，围绕如何促进狭长加工 间隙中电解液循环更新，使加工稳定顺畅进行，开展了如下工作： i 、针对电解线切割的特点，提出两种促进电解液循环更新措施：轴向冲液和走丝方法。设 计了满足冲液要求的轴向冲液夹具，能对加工问隙进行平稳冲刷：设计了走丝装置，以无缝对 接的铜圈为电极，运动的线电极造成加工间隙中电解液的扰动实现电解液循环更新。 2 、搭建了电解线切割加工的试验平台，设计了电解液循环系统，对线电极对刀和运动平台 控制系统做了改进和优化。 3 、进行了冲液电解线切割加工工艺试验研究。确定了影响加工精度和加工稳定性的主要因 素，并通过微缝的加工试验，分析了加工电压、进给速度、电解液浓度和冲液速度对加工的影 响规律。最后，采用优化的工艺参数组合在5 m m 厚的不锈钢板上加工出了一系列缝宽为1 6 0 # m ， 深宽比高达3 0 的微结构。 4 、进行了走丝电解线切割加工探索试验。首先，对5 m m 厚不锈钢板进行了切割试验，加 工出的窄缝均匀、没有锥度，且加工过程稳定。最后，还成功对l o m m 和2 0 m m 厚不锈钢板进 行了切割加工，切缝深宽比达7 0 。且随着工件厚度的增加，进给速度保持不变，充分体现了电 解线切割加工的优势。 关键词：电解线切割，轴向冲液，走丝，电解产物排出，高深宽比 lr只 e c m t h et e c h n o l o g yo f f e r su n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha ss h o r tl e a d i n gt i m ea n dl o wc o s t i nt h i sp a p e r ，m a c h i n i n gs t a i n l e s ss t e e l 谢mt h i c k n e s so f5 m m - 2 0 m mb yw i r ee c mw a s s t u d i e d f o c u s i n go nh o w t oi m p r o v et h ee l e c t r o l y t ec i r c u l a t i o ni nm a c h i n i n gg a p ，t h ef o l l o w i n gt a s k s w e r eu n d e r t o o k ： ( 1 ) e l e c t r o l y t ef l o w i n ga l o n gt h ew i r ee l e c t r o d ea n dw i r ew i n d i n gw e r ep r o p o s e dt os p e e d u p t h ee l e c t r o l y t er e f r e s hi nm a c h i n i n gg a p a s s e m b l yw i r ee l e c t r o d ef i x t u r ew a sd e s i g n e d ，i nw h i c h e l e c t r o l y t ef l o w sa l o n gt h ew i r ee l e c t r o d e ，i no r d e rt or i 1 娼em a c h i n i n gg a ps m o o t h l y a w i r ew i n d i n g s e t u pw a sd e s i g n e di nw h i c hc o p p e rc o i lw i t hj o i n t l e s sc o n n e c t o rw a su s e dt oa c c e l e r a t er e a c t i o n p r o d u c t sr e m o v a l ( 2 ) a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fw i r ee c mh a sb e e ns l r u c t u r e d ，i n c l u d i n gm o t i o np l a t f o r ma n d c o n t r o ls y s t e m ，w i r ee l e c t r o d es y s t e m ，e l e c t r o l y t ec i r c u l a t i o ns y s t e m ，t o o ls e t t i n gs y s t e ma n do n l i n e d e t e c t i o ns y s t e m ( 3 ) 1 1 1o r d e rt oa n a l y s et h ei n f l u e n c eo f p r o c e s sp a r a m e t e r s ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u t e f f e c t so fs e v e r a lp r o c e s sf a c t o r s ，s u c ha sm a c h i n i n gv o l t a g e ，f e e ds p e e d ，c o n c e n t r a t i o no f e l e c t r o l y t e a n df l o w s p e e d o f e l e c t r o l y t e o n m a c h i n i n ga c c u r a c y a n d s t a b i l i t y w e r e i n v e s t i g a t e d f i n a l l y ，b yu s i n go p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s ，as e r i e s o fm i c r og r o o v e sw i l 16 0 - m i c r o m e t e rw i d t hi n5 m m - t h i e ks t a i n l e s ss t e e lw e r eo b t a i n e da n dt h ea s p e c tr a t i oa c h i e v e dn e a r l y 3 0 ( 4 ) m a c h i n i n ge x p e r i m e n t so f t h e w i r ew i n d i n gw e r ec a r r i e do u t a tf i r s t ，5 r a m - t h i c ks t a i n l e s s s t e e lw a sm a c h i n e da n dt h ew i d t ho ft h eg r o o v ew a su n i f o r m 谢mn ot a p e ra n dm a c h i n i n gp r o c e s s w a ss t a b l e i no r d e rt o 州匆w h e t h e ro rn o tm o r et h i c k e rs t a i n l e s ss t e e lc o u l db em a c h i n e db yt h i s n e wm e t h o d ，e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta n dl o m m - t l l i c k ，e v e n2 0 m m - n l i c ks t a i n l e s ss t e e lw e r e m a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l y t h ea s p e c tr a t i oo ft h eg r o o v e si nt h e2 0 r n m - t h i c ks t a i n l e s ss t e e lw a s n e a r l y7 0 t h er e s u l ts h o w e df e e ds p e e dd i dn o tn e e dt os l o wd o w nw h i l et h et h i c k n e s so fs t a i n l e s s j1 m i v 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 微细加工技术1 1 2 1 硅微细加工技术1 1 2 2 微细切削加工技术。2 1 2 3 激光微细加工技术。3 1 2 4u g a 和准l i g a 技术4 1 2 5 微细电火花加工技术5 1 2 6 微细电解加工技术6 1 3 微细电解线切割的研究和发展7 1 4 课题的研究意义及主要内容。1 0 1 4 1 课题的研究意义及主要目的1 0 1 4 2 本文研究的主要内容1 l 第二章电解加工机理1 2 2 1 电解加工基本原理1 2 2 1 1 电解加工成形原理1 2 2 1 2 电解加工的特点1 3 2 1 - 3 法拉第定律1 4 2 2 电解加工中促进电解液循环方法1 5 2 2 1 冲液方法1 5 2 2 2 旋转螺旋电极1 6 2 2 3 阶跃进给1 7 2 3 微细电解加工特点1 8 2 3 1 微细电解加工特点1 8 2 3 2 微细电解加工间隙1 9 2 4 本章小结。2 0 第三章冲液电解线切割加工系统2 l 3 1 电解线切割加工系统特点2 l 3 2 冲液电解线切割加工系统总体方案与布局2 2 3 2 1 总体方案2 2 3 2 2 布局设计2 3 3 3 冲液线电极系统2 4 3 4 电解液循环系统2 6 3 5 线电极对刀2 7 v 厚不锈钢板的微细电解线切割加工技术研究 3 6 运动平台及其控制系统2 7 3 6 1 运动平台2 7 3 6 2 控制系统实现2 8 3 7 本章小结3 0 第四章冲液电解线切割加工工艺试验研究3 1 4 1 影响加工工艺的因素分析3 1 4 1 1 影响切缝宽度的因素3 1 4 1 2 影响加工稳定性的因素3 2 4 2 加工工艺试验研究3 2 4 2 1 加工电压对缝宽的影响3 3 4 2 2 电极丝进给速度对缝宽的影响3 4 j 4 2 3 电解液浓度对缝宽的影响3 6 4 2 4 冲液速度对缝宽的影响一3 8 4 3 典型零件加工4 0 4 4 本章小结4 1 第五章走丝电解线切割加工初探4 2 5 1 冲液电解线切割的局限性4 2 5 2 走丝电解线切割加工系统4 2 5 2 1 线电极走丝系统。4 3 5 2 2 走丝电解线切割加工系统布局设计4 6 5 3 走丝电解线切割加工试验4 6 5 4 本章小结5 0 第六章总结与展望一5 l 6 1 本论文工作总结5 l 6 2 对未来工作展望5 1 参考文献5 3 致谢5 7 攻读硕士学位期间发表( 录用) 论文情况。5 8 v i 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 05 t t m 电极丝及加工的微结构9 图1 112 9 m 电极丝及加工的微结构9 图2 1 电解加工示意图1 2 图2 2 电解加工成形原理1 3 图2 3 正流式小孔加工示意图1 5 图2 4 反流式多孔加工示意图。1 6 图2 5 旋转螺旋电极加工示意图1 7 图2 6 阴极周期进给加工过程示意图1 7 图2 7 窄缝加工时的加工间隙。1 9 图3 i 冲液电解线切割加工系统总体设计图2 2 图3 2 冲液电解线切割加工系统布局设计图2 3 图3 3 冲液电解线切割加工系统实物图2 4 图3 4 冲液电解线切割加工区局部放大图2 4 图3 5 冲液电解线切割加工示意图2 5 图3 6 冲液夹具2 5 图3 7 电解加工单元示意图2 6 图3 8 对刀过程示意图2 7 图3 9 伺服进给机构的闭环控制结构图2 8 图3 1 0 加工控制系统软件模块图2 9 图3 1 1 加工控制系统流程图2 9 图3 1 2 控制系统界面图。3 0 图4 1 加工电压对缝宽的影响3 3 图4 2 不同加工电压加工的切缝3 4 图4 3 电极丝进给速度对缝宽的影响3 5 图4 4 不同电极丝进给速度加工的切缝3 6 图4 5 电解液浓度对缝宽的影响3 7 图4 6 不同浓度电解液加工的切缝3 7 图4 7 冲液速度对缝宽的影响3 8 图4 8 不同冲液速度加工的切缝3 9 i 厚不锈钢板的微细电解线切割加工技术研究 v i i i 冲液速度对加工稳定性的影响3 9 0 微型悬臂结构。4 0 1 微型花键结构4 0 走丝电解线切割加工示意图4 3 走丝装置示意图4 3 走丝装置实物图4 4 电极线圈实物图4 5 图5 5 走丝电解线切割加工区局部放大图4 6 图5 65 m m 不锈钢板4 0 0 9 m 切缝图4 7 图5 75 m m 不锈钢板3 0 0 t t m 切缝图4 7 图5 8l o m m 不锈钢板3 0 0 t t m 切缝图4 8 图5 92 0 m m 不锈钢板3 0 0 p m 切缝图4 9 j 图5 1 02 0 m m 不锈钢板曲线切缝图5 0 表3 1 伺服进给机构性能指标2 8 表4 1 不同加工电压下对应的切割缝宽3 3 表4 2 不同进给速度下对应的切割缝宽3 5 表4 3 不同电解液浓度对应的切割缝宽。3 7 表4 4 不同冲液速度下对应的切割缝宽3 8 南 电流强度 加工时间 相对原子质量 化合价 法拉第常数 电流密度 加工面积 工件蚀除速度 电流效率 元素的体积电化学当量 电流密度 端面间隙 侧面间隙 加工进给深度 线电极直径 电解液的电导率 间隙电解液中的电压降 初始间隙 电极丝走丝速度 齿轮系传动比 电机转速 主动轮周长 9 6 4 8 7 c m t o l a c m 2 c m 2 c m s 伽砸s ) a c m 2 肛m i x m ，挖玎l p m l ( 0 m m ) y p m m s r s m r i x a 了壮 朋 叩 七 q ， f 彳 z f ， s 可 ， 以 4 西 d 盯 锄 ” e 刀 d f 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着科学研究和工业技术的发展，高新技术产品向智能化、超精密化、功能集成化和外形 小型化方向发展，零部件的尺寸日趋微小化n 柚1 ；同时，随着新兴的微机电系统( m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 的蓬勃发展，作为m e m s 技术核心组成部分的微细加工技术变得 尤为重要，并日益成为研究的热点。此外，难加工的高深宽比微结构( h i g ha s p e c tr a t i o m i c r o s t r u c t u r e s ，h a r m s ) 因可以使得微器件的性能，如驱动力，使用频率范围，灵敏度和位 移量得到提高，成为了微机电系统的关键技术之一删。 在电解加工过程中，工件阳极金属不断失去电子成为离子而进入到电解液当中，工件材料 的减少过程是以离子形式进行的，由于金属离子的尺寸非常微小，因此这种微溶解去除工件材 料的方式使得电解加工在金属微细制造领域有着广泛的应用前景。线切割加工形式简单，结合 二维平面运动能够实现复杂结构的加工，无需制造复杂的成型电极，准备时间，短成本低；且 因其工具电极为线电极，这就使其更容易加工出普通加工方法很难加工出的高深宽比结构。电 解线切割加工技术正是电解加工中金属阳极电化学溶解原理和线切割加工形式的结合。利用该 加工技术能够低成本高效地制造出满足m e m s 、航空航天、精密仪器、生物医疗等领域迫切需 求的微细零件，比如两维复杂形状、高深宽比的微小零件，复杂直纹可展曲面类微小零件和微 群缝槽加工等，因此本课题具有很好的研究意义和实用价值。 1 2 微细加工技术 微细加工技术是发展m e m s 的关键技术，是制约一个国家m e m s 发展水平的瓶颈。从目 前来看，微细加工技术主要分为以下3 大类型：l 、由i c 工艺技术演变发展起来的硅微细加工 技术( 掩膜、曝光、刻蚀) ；2 、在特种加工和常规加工基础上创新发展形成的微细制造技术( 微 细电铸、微注塑、微细电火花、准分子激光、微细铣削、微成型等) ；3 、由前两类技术中的有 关方法创新集成的新方法( l i g a 、l i g a l i k e ) 口一。 1 2 1 硅微细加工技术 由于微细加工起源于半导体制造工艺，因此，直到现在，硅微细加工仍在微细加工中占有 重要的位置。硅微细加工技术，是由集成电路的二维平面加工工艺发展而成的微三维加工技术。 其主要内容有：体硅微细加工技术：表面硅微细加工技术；键合技术。这些技术在实际应用过 程中还要借助于集成电路加工工艺，如光刻、扩散、离子注入、 外延和淀积等技术。 厚不锈钢板的微细电解线切割加工技术研究 微细加：1 ：技术，主要包括湿法或干法刻蚀与自停止腐蚀技术。体硅微细加工技术以单 为加工对象，通常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键合技术将两 微结构结合在一起形成机电装置。当腐蚀剂为液体时所进行的腐蚀为称为湿法腐蚀， 气体时则称为干法腐蚀。体硅的自停止腐蚀技术是硅微细加工技术中的关键技术之一。 止腐蚀技术主要是利用了不同的晶格取向的硅和掺杂浓度的不同使硅在不同的腐蚀液 不同的腐蚀性能。 硅微i j d - r ：技术是以硅片为基体，利用微电子加工技术中的氧化、淀积、光刻、腐蚀等 工艺，在硅片表面上形成多层薄膜图形，然后把下面的牺牲层腐蚀掉，以保留上面的微结构图 形。其特点是可以充分利用集成电路工艺中大量成熟的工艺技术，缺点是加工出的微结构深度 比较小。图1 1 给出了表面微器件制各的基本过程：在硅片上沉积一隔离层，用于电绝缘或 基本保护层；沉积牺牲层并进行图形加工；溶解牺牲层，形成悬臂梁的微机械结构n j 7 3 。 结构层 隅蓼雳钐钐钐 基体 微结构 i i 基体 l ( a ) 牺牲层制备( b ) 结构层制备( c ) 微悬臂 图1 1 表面微加工工艺示意图 1 2 2 微细切削加工技术 微细切削是微细加工研究领域中，由硅微工艺跨入非硅工艺、由电加工跨入非电加工、由 二维加工跨入三维加工的一项童要的先进制造技术。由于它具有高效率、高柔性、能加工复杂 三维形状和多种材料的特点，而在未来的电子、汽车、模具、国防等行业具有明显的应用前景， 近几年受到国内外广泛关注怕。们。微细切削加工技术是利用小型精密高速设备和微细刀具加工 微细结构。由于微细切削的切削深度极小( 通常小于材料的晶粒直径) ，切削只能在晶粒内进行， 此时的切削方式相当于对一个个不连续体进行切削，使微细切削具有断续切削的性质。微细切 削加工要求高精度的基础元部件( 如空气轴承、气浮导轨等) 、高精度的定位检测元件( 如光栅、 激光检测系统等) 及高分辨力的微进给机构。机床本身采用恒温、隔振及净化措施，被加工工 件必须质地均匀且没有缺陷。 图1 2 ( a ) 是y o u n g - b o n gb a n g 等在自行设计搭建的微型5 轴铣床上用直径为2 0 0 # m 的硬 质合金立铣刀加工的薄壁结构。薄壁之间的间距为2 0 0 p m ，薄壁厚2 5 # m ，高6 5 0 a n ，其深宽 比高达2 6 1 ，从图中能够看见加工的薄壁表面很平整。图1 2 ( b ) 是日本f a n u c 公司采用单 刃单晶金刚石球形铣刀( r 3 0 # m ) ，在1 8 k 金材料上加工出的三维自由曲面，其直径为l m m ， 2 南京航空航天大学硕士学位论文 表面高度差为3 0 z m ，加工后的表面粗糙度值为r z 0 0 5 # m n 钉。 ( a ) 薄壁结构 一j 竺竺一。 c o ) 自由曲面 图1 2 微铣削加工的微细结构 1 2 3 激光微细加工技术 激光加工( l b m ，l a s e rb e a mm a c h i n i n g ) 是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和 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材料的去除，可对金属、非 金属以及复合材料进行加工。激光经聚焦后能形成直径为几微米的光斑，焦平面上的的功率密 度可达到1 0 5 1 0 1 2 w c m 2 ，温度高达上万度，这就使得激光可被应用于微细加工领域。 在m e m s 制造中主要采用的激光微细加工技术有：激光直写微细加工、激光l i g a 、激光 微细立体光刻等引。经聚焦( 理论上光斑直径可达l 弘m 以下) 后，激光加工的功率密度很高， 因此能对超硬质合金、金刚石等超硬材料的进行微细加工；激光加工所用的工具是激光束，是 非接触加工，没有明显的机械力，微细工件不会产生机械变形；激光加工过程中功率、脉宽、 聚光强度等参数易于控制，便于实现加工过程自动化，且加工速度快、效率高。但由于激光加 工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，工件表面易产生热影响区、变质层以及微裂纹等； 同时激光加工影响因素较多，因此其精密微细加工精度( 尤其是重复精度和表面粗糙度) 不易保 证，必须进行反复试验，寻找合理参数才能达到一定的加工要求n 叼。 图1 3 ( a ) 是m a l c o l mc o w e r 利用激光微细加工技术在镍材料上加工的直径为4 7 0 # m ， 厚度为1 3 0 z m 的微结构n 刀；国内也对激光微细加工技术展开了深入的研究，图1 3 ( b ) 是采 用脉冲闪光灯泵浦固体n d ：y a g 激光在3 1 6 l v m 无缝管上加工的新型微孔结构支架结构n 射。 ( a ) 镍基结构彻血管支架结构 图1 3 激光加工的金属微结构 3 辐射 显影 电铸 剥模 充模 鬯! 翼墅墼耋爹 e ! ! ! 三! ! e 三! 耋型胶图形 金属 光刻胶图形 基盘 模体 模腔 模体 模材料 底盘 注入孔 脱模匿鋈翌e 篓鋈翌三p 塑料图形 电铸 完成 金属 塑料图形 霪夹孔 臣 互】壁鑫翳图 图1 4l i g a 技术的工艺流程 l i g a 加工技术中用于辐射曝光的x 射线，有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光 谱，使得l i g a 技术能够制造出深宽比高达5 0 0 、厚度大于1 5 0 0 # m 、侧壁光滑且平行度偏差在亚 微米范围内的立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的n 町。图1 5 ( a ) 是用l i g a 技术制作 的镍铁合金微齿轮系统啪1 。 但是由于l i g a 技术需要极其昂贵的x 射线光源和制作复杂的掩模板，使其工艺成本非常高， 限制了该技术在工业上的推广应用。针对这一问题，国际上出现了一类应用低成本光刻光源和掩 模制造工艺的新加工技术，通称为准l i g a 技术或l i g a 1 i k e 技术。如，用紫外光源曝光的u v - l i g a 技术，准分子激光光源的l a s e r - l i g a 技术和用微细电火花加工技术制作掩模的m i c r o e d m l i g a 技术，用d r i e t 艺制作掩模的d e m 技术等伫卜勰】。与l i g a 技术相比，准l i g a 技术在保证制造性 能稍微下降的情况下大幅降低了制造成本，是近年来微加工领域的研究热点，尤其在制造高深宽 比复杂形状m i c r o m e s o 尺度结构方面更具工艺优势。图1 5 ( b ) 为l i g a - m i c r o e d m 组合加工出 4 南 w c - c o 微齿轮删。 ( a ) 微齿轮系统( b ) w c - c o 微齿轮 图1 5l i g a 技术加工的典型微结构 1 2 5 微细电火花加工技术 随着微型机械对制造技术的需要，微细电火花线切割加工技术近年来取得了迅速的发展， 在国防、医疗、化学、仪器仪表等许多生产领域发挥了重要的作用啪1 。微细电火花加工技术 ( m i c r o - e d m ) 与传统电火花加工在物理过程上并无本质区别，其可加工材料的范围广，可加 工各种金属、单晶硅、多晶硅等导电材料，三维加工能力强，加工尺寸通常在数十微米以下， 加工单位( 每次加工的材料去除量) 一般只有o 1 加o l # m 啪3 。图1 6 ( a ) 是日本研究人员利 用简单形状的微细电极通过微细电火花铣削加工的0 5 m i n x 0 2 r a m x 0 2 m m 微型汽车模具；图 1 6 ( b ) 是在直径l m m 的不锈钢台面上加工的微型压气机啪s s 。 ( a ) 微型三维型腔 ( ”微型压气机 图1 6 微细电火花加工的典型微结构 电火花线切割加工是电火花加工的一种重要形式，因其能实现非接触加工、宏观作用力小 等特点而适用于微细加工。微细电火花线切割加工技术，加工成本相对较低廉、具备较高的生 产效率和较好的加工精度，使得微细电火花线切割加工成为一种应用性极强的微细加工技术。 但微细电极丝( 圣l o - 5 0 p m ) 的电火花线切割加工一直是电火花线切割加工的难点，因为随着 电极丝直径的减小，其物理、化学与机械特性都会发生很大的变化，主要表现在：电极丝所能 承受的电流一级张力变得更小，这样会使电极丝在加工过程中容易发生磨损和断丝现象，使加 工效率和加工精度无法得到可靠的保证，从而不能进行正常加工。但由于采用微细电极丝加工 可获得更好的加工表面与加工精度，且特别适用于微小零件窄槽、窄缝的加工，因此得到了国 5 图1 7 微细电火花线切割加工的典型微结构 微细电火花线切割加工呈现加工间隙小( 数微米至十数微米) 、电蚀产物排出困难、工具电 极损耗严重、加工稳定性不易控制、电源利用率低、伺服进给灵敏度和精度要求高等特点，使 其在进微结构加工时，对脉冲电源、工具电极制备、伺服进给及其控制系统、加工机床、工作 液及其循环系统等的要求特别高，特别是加工高深宽比、复杂形状三维微结构或器件，还需要 作大量的研究和探索工作哺1 。 1 2 6 微细电解加工技术 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 ，e c m ) 是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的 原理，将工件上多余的材料蚀去除，材料的去除过程是以离子尺度进行的，金属离子的尺寸通 常小于十分之一纳米，因此电解m i 的这种以离子去除的微溶解的减材方式非常适合微细结构 的加工。从原理上讲，电解加工可以实现加工精度和微细程度在微米级甚至更小尺度的微加工。 o l 删。而高频窄脉冲电源的应用，则充分发挥了微细电解加工的潜力，使微细电解加工在微细 加工领域占据了举足轻重的地位啪一们。 在电解加工中，工具阴极和工件阳极之间互不接触，加工过程中没有切削力，不会产生由 切削力所引起的残余应力和变形，可以获得良好的表面加工质量；且没有重铸层产生，能够满 足航空航天领域某些特殊零件的要求；工具阴极在理论上不会损耗，能够长期使用。 电解加工因其在微细加工中有原理上的优势，近十余年来，西方工业发达国家对其给与了 高度重视，进行了大量投入，取得了长足的进步，纳秒级超短脉冲微细电解加工技术是其中最 为突出的科学发明创造之一。加工间隙是影响电解加工精度的核心工艺参数，德国马普研究所 6 南京航空航天大学硕士学位论文 的r s c h u s t e r ，v k i r c h n e r 等人采用脉冲宽度为纳秒级的超短脉冲电流进行电解微细加工， 精密控制加工间隙至l l m 左右，成功得到了数微米尺寸的微细零件，加工精度可达几百纳米， 充分发挥了脉冲电流微细电解加工的潜力啪。图1 8 ( a ) 是在0 2 m o l l 的h c i 电解液中，用直 径2 p m 钨丝电极，以2 v 电压、3 n s 脉宽、3 3 m h z 频率，在镍板上加工出的微螺旋结构，深度 为5 a m h 们。韩国国立汉城大学研究人员，用微细电火花制作前端为盘形的电极，然后用微细电 解加工出了微细结构，微棱柱为2 0 # m x 4 0 z m x 8 5 t i n 且几乎无锥度如图1 8 ( b ) 所示h ( a ) 微螺旋结构彻微棱柱结构 图1 8 微细电解加工的典型微结构 目前，微细电解加工还存在微细电极制作困难、加工效率不够高、加工中存在杂散腐蚀、 电解产物不易排除等问题；尚不能精确控制电解加工间隙中的电场和流场参数，从而难以精确 控制加工过程；对高频窄脉宽脉冲提高微细电解加工定域性的机理研究尚不完善，因此微细电 解加工在工业应用中仍然需要进一步的研究发展。 1 3 微细电解线切割的研究和发展 电解线切割加工技术是以电极丝作为工具阴极对工件进行切割加工的一种电解加工新方 法。该方法不但继承了电解加工的优点，而且还有其自身的特点：采用简单的线电极，结合二 维平面运动，能够简单实现复杂微结构的加工，避免了在加工准备阶段制造复杂的成型电极， 准备时间短，成本低；又由于电解线切割的工具电极为线电极，这就使其更容易加工出普通加 工方法很难加工出的高深宽比结构。 微细电解线切割加工与目前已有的电火花线切割加工有相近之处，但是在本质上完全不同： ( 1 ) 电火花线切割是依靠电火花放电进行材料去除，其工具电极丝在加工过程中会损耗，因此 电极丝必须有较大的直径，普遍采用1 3 0 - 3 0 0 微米直径的线电极，国外特殊配置的微细电火花 线切割设备也至少采用3 0 微米以上的电极丝，所以，电火花线切割的微细加工能力受到较大限 制；( 2 ) 电火花线切割加工中线电极会损耗，所以必须使线电极进行较快速的运动以进行损耗 补偿，因此不可避免带来一定程度的运动误差。而电解线切割方法是基于电化学阳极溶解，原 理上线电极不会损耗，可以采用微米级直径的电极丝，并且电极丝不需运动，因此可以较容易 实现微细加工。微细电解线切割加工与使用微尺度针状电极的微细数控电解加工有本质的不同。 7 厚不锈钢板的微细电解线切割加二 技术研究 目前能在线制备的微尺度针状电极中，直径处于微米级的有效加工部分的轴向长度一般不超过 几十微米，且其轴向各处也很难保证电极的直径大小一致。由于线切割加工多用细长金属丝作 工具电极，如果采用电化学腐蚀法在线制备微尺度的线电极，就可以获得几毫米甚至是几十毫 米长且直径均匀的微尺度线电极，有望解决普通微细电解加工中难以加工出的高深宽比微细槽 阵列等微细结构1 。 国内外针对电解线切割开展了一系列研究，b h k i m 等利用电解线切割在不锈钢板( 3 0 4 s s ) 上加工出了微群缝结构如图1 9 所示h 钔。作为工具的电极丝为圣1 0 肛m 铂丝，电解液选用 0 i m o l l 的h 2 s 0 4 溶液；电压6 5 v ，脉宽7 5 n s ，周期6 5 肛s ；为防止铂丝电极和工件发生短路 现象，进给速度为0 1 p m s 。 图1 9 微细电解线切割加工的微缝结构 本课题组在微细电解线切割加工技术上也进行了深入的研究。高精度的微细电化学线切割 加工需要微米尺度甚至亚微米尺度的线电极。如果直接选用铂丝作线电极，必将使微细电化学 线切割的加工尺度向更微细的方向发展受到限制。能购买到的其他细金属丝不但尺寸受到限制， 而且其表面会有很难去除的氧化层，也不适合直接用来做微细电化学加工的线电极。目前用来 制备微电极的方法主要是线电火花磨削法( w e d g ) h ，但是用此方法来制作微细线电极，加 工效率低m 1 。 本课题组提出一种电化学腐蚀法制备微米尺度线电极的新方法，利用电化学腐蚀的方法将 钨丝加工到所需精度。这样使微细电化学线切割的线电极制作和后续加工能在同一工艺系统中 连续完成，工艺兼容性好，电极装夹后不必拆卸，对于提高微细加工精度十分有利。 试验中选用了能够承受一定短路电流的钨丝作为线电极，钨丝装在夹具上，并使钨丝定位 在盛有n a o h 溶液的不锈钢圆筒的中心线上。将待加工钨丝接电源阳极，不锈钢圆筒作为电化 学腐蚀的阴极，开通电源，电化学反应开始进行，钨丝在强碱溶液中发生电化学反应，被氧化 成w 0 4 2 一离子进入溶液，从而钨丝被溶解。实时采集钨丝上电流大小，并最终由计算机实时 计算出钨丝的电阻变化，进而能获得实时的钨丝直径估计值，控制它腐蚀到所需的尺寸h 射。图 1 1 0 ( a ) 所示，即为电化学腐蚀法制备的直径为5 睥l 的钨丝电极；以该电极在1 0 0 l m 厚的镍 板上加工的五角星和桨叶微结构如图1 1 0 ( b ) 所示h 酊。 8 ( a ) 电极丝 嘞五角星和桨叶微结构 图1 1 05 1 t m 电极丝及加工的微结构 随着研究的深入，本课题组博士研究生发现在用电化学腐蚀法制备微细电极的过程中，反 应初始阶段，在外加电场的作用下，钨丝均匀溶解。随着反应的进行，钨丝周围溶解的w 0 4 2 - 离子越来越多，当w 0 4 z 离子产生的速度大于它向周围溶液扩散的速度时，在钨丝的周围就会 形成一层保护层，称为扩散层。扩散层会逐渐越来越厚，并且扩散层具有浓度梯度，这样就阻 碍了溶液中o h - 离子穿过扩散层到达钨丝的表面参加反应，溶解过程受到一定的限制；与此同 时，由w 0 4 z - 离子组成的扩散层在重力作用下沿着钨丝向下移动，形成上小下大的包裹状结构 包裹在钨丝的周围，钨丝下部由于具有较厚的保护层溶解较慢，这样钨丝又有溶解成上小下大 的“纺锤”状结构的趋势，并且上端较细处会率先溶断，阻碍了线电极继续加工到直径更细的 水平。为了保证制备出直径均匀的微圆柱体结构线电极，他们采取以下两种措施：( 1 ) 采用脉 冲电源进行加工。脉冲电源加工过程中，每个脉冲周期都存在着两种加工状态：当脉冲电源处 于脉宽部分时，钨丝正常溶解；当脉冲电源处于脉间部分时，钨丝停止腐蚀，w o 产继续向四 周溶液扩散。与直流电源相比，脉冲电源更有利于加工过程产生的w o 产的扩散，减弱了扩散 层，有效的促进线电极的均匀腐蚀。( 2 ) 将电解池放入超声装置中，利用超声震动来阻止w o 产 扩散层的生成。线电极电化学腐蚀加工中引入超声清洗，直接破坏了扩散层，保证了圆柱状线 电极的直径均匀。采用以上两种方法成功的制备出了直径