（机械制造及其自动化专业论文）纳秒级脉冲电源研制及微细电解工艺试验.pdf

摘要 电解加工是利用电化学阳极溶解的原理将零件加工成型，具有工具无损耗、 加工表面质量好、与零件材料硬度无关、加工后工件无应力和变形等优点。而且 加工过程中材料是以“离子”溶解的方式去除，这种微去除方式使得电解加工在 微、纳米加工领域有着很大的发展前景。 国内外大量研究表明，应用高频脉冲电源是提高电解加工精度最有希望的技 术途径。采用纳秒脉冲电源进行微细电解加工，可将电化学反应集中在电极周围 很小的区域内，也即可以实现定域蚀除，从而实现微米级的电化学加工。 本文针对微细电解加工的要求，成功研制出用于微细电解加工的纳秒级脉冲 电源，其最小稳定输出脉宽5 0 n s ，额定电流1 a ，占空比和频率均独立可调；针 对微细电解加工工艺的特点设计了快速保护电路，短路保护控制在5 i t s 以内；为 实现高精度的微细电解加工提供了保证。 该电源采用直流加斩波输出方案，直流部分采用稳压集成块调压，电路简单， 可靠，成本低廉。设计的高频信号发生器工作频率范围宽，波形调节方便；快速 驱动信号具有陡峭的上升和下降沿，为斩波器提供了良好的驱动保证。斩波主器 件采用快速互补功率场效应管作为斩波开关，解决了波形失真问题。电源实际输 出波形良好，体积小，效率高，方便携带。 用本电源样机进行了微细电极加工实验。采用l o o n s 的脉宽、5 2 v 电压，在 微细电解装备上加工出直径约为2 0 t t m 长约9 0 0 t t m 的均匀圆柱体电极和l o o n s 的 脉宽、4 5 v 电压下加工出直径6 0 i lm 、长4 2 r a m 的螺旋电极，得出了加工电压 对电极形状的影响。还用本电源进行了微细孔加工实验，采用3 0 0 n s 的脉宽、 1 3 0 t t m 直径的电极加工出直径为1 7 0 t t m 的微细孔。试验结果验证了纳秒脉冲电 源有利于提高加工的精度，同时也验证了此电源实用，性能稳定、可靠。 关键词：脉冲电源纳秒级脉冲微细电解加工加工精度 奎三些查兰三兰2 圭兰堡兰兰 a b s t r a c t 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 ) i sa na n o d i cd i s s o l u t i o np r o c e s so fw o r k p i e c e i naf l o w i n ge l e c t r o l y t ew h e r et h es h a p eo ft h et o o la sc a t h o d ei sc o p i e di n t ot h e w o r k p i e c ea sa n o d ew i t ht h er e m o v a lo ft h ea n o d ei o nb yi o n i tw i l lb et r e m e n d o u s p o t e n t i a l i nt h em i c r o - m a n u f a c t u r i n gf i e l dw i t ha d v a n t a g e sa sh i g hm a c h i n i n g e f f i c i e n c y ，w i d em a t e r i a l ss u i tt of a b r i c a t e ，n or e s i d u a ls t r e s sa n d n oh e a tt r e a t m e n t b o r n eo nt h ew o r k p i e c es u r f a c e m a n yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s s h o wt h a t ，b yu s i n gh i g hf r e q u e n c yp u l s e p o w e rs u p p l yt h ee c mp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y a n db y u s i n gn a n o s e c o n dp u l s ep o w e rt h e l o c a l i z a t i o nc o u l db es i g n i f i c a n t l y e n h a n c e d t h i sw i l lh e l pe c ma p l l yi nt h em i c r o - s c a l em a c h i n i n gf i e l d s i nt h i sp a p e r ，an a n o s e c o n dp u l s ep o w e rs u p p l yf o rm i c r o - e c mi sd e s i g n e da n d m a d e i tc a np r o d u c et h ep u l s es h o r t e n e dt o5 0 n sa n di n d e p e n d e n t 丘e q u e n c ya n d d u t y - c y c l ea d j u s t m e n t s ，w h i c hi sp r o v i d i n gt h ef o u n d a t i o nf o rm i c r o - e c m t h ef a s t o v e r c u r r e n t p r o t e c t i o nc i r c u i tc a nb ec o n t r o l l e dw i t h i nf i v em i c r o s e c o n d s t h ep o w e rs u p p l yi sd e v e l o p e db ya d o p t i n gt h es c h e m eo fd c p l u s - c h o p p e r t h i sc a nr e d u c et h ec o s ta n dw e i g h to ft h ep o w e rs u p p l y ，a n di m p r o v ei t se f f i c i e n c y t h er i s et i m ea n df a l lt i m eo ft h ed r i v e rw a v e f o r mc o u l db ei nf e wn a n o s e c o n d s 。s oi t w i l lo f f e rg u a r a n t e et od r i v et h ec h o p p e rd e v i c e c o m p l e m e n t a r ym o s f e ti sa p p l i e d i nt h ec h o p p e rc i r c u i tw h i c ha v o i dt h ew a v e s h a p ed i s t o r t i o ni nm a c h i n i n g t h e r e f o r ， t h ep o w e rs u p p l ya c h i e v es u c ha d v a n t a g e sa sg o o dw a v e f o r m ，s m a l lv o l u m e ，h i g h e f f i c i e n c y , a n di tc a nb ee a s i l yc a r r i e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn a n o s e c o n dp o w e rs u p p l y ，t h et e c h n i c a le x p e r i m e n th a s b e e nd o n e t h ee f f e c t so fv o l t a g eo nt h es h a p eo fe l e c t r o d e sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t h e x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t t h ep u l s ew i d t hi s 1o o n sa n dt h ev o l t a g ei s5 2 v u n i f o r mc y l i n d e ro ft u n g s t e nf i l a m e n te l e c t r o d ew h i c hh a s2 0 i l md i a m e t e ra n d 9 0 0 9 ml e n g t ha n ds c r e we l e c t r o d ew i t h6 0 “md i a m e t e ra n d4 2 r a ml e n g t hc a nb e i l m a c h i n e dw i t hm i c r o e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n e w i t hs a m ep o w e rs u p p l y ，w et r i e dt o m a c h i n em i c r of i n e s t r ai na n o t h e re x p e r i m e n t i nt h i se x p e r i m e n taf i n e s t r ao f17 0 i _ t m d i a m e t e rm a c h i n e dw i t hp u l s eo f3 0 0 n sa n de l e c t r o d eo f13 0 1 a md i a m e t e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td e c r e a s i n gp u l s ed u r a t i o na n dv o l t a g ec a ne n h a n c e t h el o c a l i z a t i o na n di m p r o v ee l e c t r o c h e m i c a lm i c r o - m a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h a tt h e p o w e rs u p p l yc a n b eu s e di nr e a l i t ya n dh a v es t a b l ec a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：p u l s ep o w e rs u p p l y ；n a n o s e c o n dp u l s e ；m i c r o - e c m ：m a c h i n i n ga c c u r a c y 1 1 1 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 ：彬私绳 论文作者签字：陬啦斋 2 0 0 7 年5 月2 0 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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，开发具有 优良性能的微细金属零件( 微、纳米级尺寸) 的加工方法，越来越引起人们关注【i 】 在微细特种加工方法中，电火花加工、激光束加工和集中离子束加工等虽然 都具有很好的微细加工能力，但微细电火花加工在加工过程中有工具损耗和热影 响层，激光束加工在加工过程中也会产生热影响层，且激光束加工和集中离子束 加工因其设备昂贵和加工成本高而无法广泛应用。 电解加工又称电化学加工( 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 ) ，是一种基于 阳极金属以“离子”形式溶解去除材料的方法，具有加工效率高、工具无损耗、 加工后工件表面无热影响层、结构表面光滑、无内应力、无裂纹、加工不受材料 硬度的限制等优点，已在小型、微型、薄型、整体结构、特型零件加工领域中发 挥出显著优势口1 。 随着电化学理论的不断完善、电解加工技术的发展和频率越来越高、脉宽越 来越窄的脉冲电源的在电解加工中使用，大大减小了加工阃隙并加强了集中蚀除 能力，使电解加工技术在微细加工领域已成为很有发展前景的重要技术之一p 训 1 2 本课题的研究背景 电解加工已成为国内外军工生产中不可缺少的关键工艺，但其加工精度仍然 不够高。电源是电解加工设备的关键部分【2 1 ，自二十世纪五、六十年代电解加工 应用于工业生产以来，人们一方面探索电解加工本身的规律以获得良好的加工质 量【5 6 1 ，另一方面就是开发新型电源以达到更优的加工效果。电源的输出波形、 电压、稳压精度和短路保护功能都直接影响电解加工阳极溶解过程，从而影响电 解加工的精度、表面质量、稳定性和经济性，而且机床和电解液系统的规格都取 决于电源的输出电流l ”因此，为了不断改善和提高电解加工的技术和工艺，研 广东工业大学工学硕士学位论文 制新型电源尤其重要。 高频、窄脉冲电源是提高电解加工精度的最关键途径f 7 一l ，近年来已成为国 内外研究的热点。传统的直流电解加工精度不够高的主要原因是其电化学阳极溶 解过程的集中蚀除能力较低，散蚀能力过强以及加工间隙偏大不能形成定域溶 解，限制了电化学微细加工的发展。试验研究表明，随着频率的提高、脉宽的变 窄、加工间隙的变小，集中蚀除能力将进一步加强，有望实现极小面积的定域溶 解。高频脉冲电源及其控制方案己成功用于加工薄型、微小型、特型复杂整体结 构以及微孔型槽，取得了显著效果。荷兰p h i l i p s 公司采用此种工艺技术，研制的 脉冲电解加工精密电动剃须刀( 图1 1 ) 全自动流水生产线，以四个工序代替了 原用的数十个加工工序，年产量达3 千万片【鲥。现德国w i b a 公司，p e m 公司均有 生产不同类型的脉冲电源及电解加工设备，可加工精密小型、薄型型腔、齿轮、 刻花纹图案等。 图l 一1 高频脉冲电解加工电动剃须刀的静片 f i g 1 一la p p l i c a t i o n so fe c m 大幅度地提高脉冲电源频率，实现超短脉冲电流、微间隙加工就成为微细加 工发展的重要途径，研制更高频、超短脉冲电源就成为其关键手段( 9 1 。在国内， 哈尔滨工业大学、清华大学、广东工业大学均进行了高频、窄脉冲微细电解加工 的试验研究，图1 2 a 为哈尔滨工业大学采用脉宽与脉间都为4 0 u s ，脉冲幅值为 5 5 v 的电源在不锈钢薄片上加工的直径约为6 0 u m 微细曲梁【1 0 】，图1 2 b 为南京航 2 第一章绪论 空航天大学采用6 0 n s 脉宽，脉冲频率为2 5 m h z ，4 v 电压的电源，利用侧壁绝缘、 巾1 1 0 u m 的铜丝电极加工出的由1 6 0 u m 微小孔【1 ，可以看到孔的周围无杂散腐蚀， 侧壁垂直度较好。 图1 2 ( a ) 微细曲梁2 ( b ) 微小孔 f i g 1 2t h em i c r o s t f u c t u r eb ye c m 研究表明，当采用纳秒级的超短脉冲电流时，加工间隙可缩小到微米级。将 纳秒脉冲电流与低浓度电解液、加工间隙的实时检测及调整等技术结合，可以实 现微米、亚微米级精度的加工1 1 2 以孔。图l 一3 为德国r s c h u s t e r 等采用巾2 l lm t 具 电极在不同的脉宽下在镍金属表面上加工的沟槽，从s e m 图中可以看出，随着脉 冲宽度的减小，加工的精度越来越好【1 4 l 。日本学者c h i k a m o r i c 从减小间隙入手进 行电解微细加工试验，通过采用脉冲电源、低电压、低电解液浓度，成功地将加 工间隙控制在1 0pm 以下【l 。美国i b m 公司亦进行了电解微细加工薄壁结构微细 零件的试验研究。 图1 3 电解加工精度与脉冲宽度的关系 f i g 1 3t r o u g h se t c h e dw i t hv a r i o u sp u l s ed u r a t i o n s 3 广东工业大学工学硕士学位论文 尽管微细电解加工技术在近年来得到了很大的发展，但由于存在杂散腐蚀、 加工稳定性差等缺陷，加工精度仍然不够理想 1 6 , 17 】。特别是我国由于电源等加 工设备的影响，与国外先进加工水平相差甚远。其主要原因之一是目前国内的 微细电解加工电源的输出频率不够高、脉宽不够窄，实际加工过程中，最小脉 宽通常被限制在微秒级以上，与国外的皮秒级脉宽水平相差甚远，严重阻延了 我国微细电解加工技术的发展。为了达到更高的加工精度和表面质量，我们迫 切需要研究具有更高频率、更精确可调电压以及能实现快速自动检测与保护的 微细电解电源l l s 】。 1 3 微细电解加工的原理及研究现状 1 3 1 电解加工原理 电解是指在一定外加电压下，将电流通过电解液，使工件阳极处失去电子发 生氧化反应，工具阴极处得到电子发生还原反应的电化学过程。以电解铁为例， 其电化学过程可以用下列电极反应方程式描述： 阳极f e 一2 e = f e 2 + ( 铁阳极溶解) f e ”+ 2 0 h = f e ( o h ) 2i ( 墨绿色絮状物) 4 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 + 0 2 = 4 f e ( o h ) 3i ( 黄褐色沉淀物) 阴极2 h + + 2 e h 2l ( 氢气逸出) 在阳极表面，铁失去电子被氧化，发生阳极溶解的氧化反应；在阴极表面， 氢离子得到电子被还原，即进行还原反应。 电解加工是利用以上电解过程中的阳极溶解原理并借助于成型的阴极，将工 件按一定形状和尺寸加工成型的一种工艺方法。如图1 4 所示，在工件和工具分 别接直流电源的正极( 阳极) 和负极( 阴极) ，两极之间的电压一般为l 2 4 v ， 两极之间保持0 1 l m m 的小间隙，电解液以6 6 0 m s 的速度流过间隙，使两极之 间形成导电通路，并在电源电压的作用下产生电流。于是，工件被加工表面的金 属，将不断地产生电化学反应而被溶解，电解的产物不断地被高速流动的电解液 带走。工具阴极不断地向工件进给，工件的金属不断地被溶解，致使工件与工具 4 第一章绪论 阴极各处的间隙趋于一致，将工具阴极的型面复制在工件上，从而得到所需的零 件形状【2 1 。 2 l l 、直流电源2 、工具阴极3 、工件阳极4 、电解液泵5 、电解液 图1 4 电解加工示意图 f i g 1 - 4t h ep r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 1 3 2 复合电解加工 复合电解加工，如电解机械复合研磨( 抛光) 、电解磁力研磨( 抛光) 、电解电 火花机械复合磨削、电解电火花复合加工等，是指加工过程中电解( 电化学阳极 溶解) 与其他能量加工的复合，从加工机理上有其特殊的复合作用而达到特殊的 加工效果。在保证加工表面质量高且无表面应力的前提条件下，加工速度一般比 单一能量加工有所提高。加工过程中的能量复合加工，己成为特种加工的重要研 究方向1 2 。在某些特定的场合，复合电解加工能发挥其特殊的作用。 1 3 3 数控展成电解加工 2 0 世纪8 0 年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工一一数控展 成电解加工的思想开始形成，它以软件控制代替复杂的成型阴极的设计、制造， 以阴极相对工件的展成运动来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简 单，设计制造方便，应用范围广，具有很大的加工柔性，适用于小批量、多品种、 甚至单件试制的生产中f l s 。 广东工业大学工学硕士学位论文 波兰华沙工业大学的k o z a k 教授于1 9 8 6 年率先提出了电解铣削的思想，以棒 状旋转阴极作类似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面，成功地应用于直 升机旋翼坐驾型面的加工，精度可达士0 0 1 0 0 2 m m ，表面粗糙度达r a 0 1 6 o 6 3 pm 【1 9 , 2 0 1 。 波兰c r a c o w 金属切削学院的a r u s z a j 和j c e k a j 教授利用形似球头铣刀的工 具阴极，进行了型面光整加工的试验研究，取得了形状误差小于0 0 1 m m 的加工 效果 1 9 , 2 1 。 美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用，美 国g e 公司的五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表 了数控电解加工整体叶轮的国际先进水平。 南京航空航天从2 0 世纪8 0 年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技术的 研究，已在设备研制、加工机理、工艺试验等方面取得了重要进展1 1 8 】。 1 3 4 微细电解加工 微细电解加工是指在微细加工范围内( 1 m m 以下) 应用电解加工得到高精度、 微小尺寸零件的加工方法【2 2 1 。高频、窄脉冲电源微细电解加工的基本原理就是 以高频周期性的间歇供电代替传统的连续直流供电，从而使工件发生周期性的电 化学腐蚀，在电解液中发生周期性的断续溶解，并利用脉间的断电间歇去极化、 散热，冲刷电解生成物，使间隙的电化学特性、流场、电场恢复到电解加工的起 始状态【2 孙。该方法极大改善了加工间隙的理、化特性，对去除材料的阳极过程 可以提高其溶解过程的集中蚀除能力，对沉积材料的阴极过程则可以提高其散蚀 能力( 匀度能力) 2 4 】。 微细电解加工技术是在9 0 年代末开始研究的。1 9 9 8 年i b m 公司以专集的形 式发表了其研究成果，包括在1 2 5 l im 厚的不锈钢板上加工密集的直径为5 0um 的高速喷墨打印机喷嘴板，在2 5 0 m m 2 5 0 m m 的大面积铝板上加工直径为2 0 l i m 的1 2 0 0 0 0 个均匀分布的显示器用光栅罩等，其直径的最大误差不超过1 0 。 并成功的将这项技术用于高速打印机的喷嘴、微型锥接触器、印刷电路板、微小 孔金属网筛、磁记录装置的滑车悬架等产品的大批量生产中。2 0 0 0 年7 月德国 f r i t zh a b e ri n s t i t u t eo fm a xp l a n ks o c i e t y 以r o l fs c h u s t e r 和g e r h a r de r t l 为首的 6 第一章绪论 研究小组，基于电化学反应基本原理，采用1 0 1 1m 的p t 圆柱电极，在纳秒级脉 冲电压作用下进行三维微结构的加工研究，成功地在铜基体上加工出底座为1 5 | lm 1 51 1m 1 0 i lm 、上部棱柱为5 1 1m 1 0 i im 1 2 i im 的叠加三维结构( 图l 一5 ) ，加工精度达1 0 1 1m 【1 3 l 。韩国学者利用微细电解加工出直径为5 0 1 1m ，长 为4 m m 的微细轴，该轴具有很大的长径比且直径均匀。日本学者c h i k a m o r i 从 减小间隙入手进行微细电解加工试验，通过采用脉冲电源、降低加工电压和降低 电解液浓度，成功地将加工间隙控制在1 0 l lm 以下1 1 5 。 图1 5 微细三维结构 f i g 1 5m i c r o g r a p ho fa3 dc o m p o n e n t 用超微电极和纳秒级脉冲电源进行无掩膜三维微细零件的电化学微米级尺 寸加工是电化学微细加工的重要发展方向之一【1 1 。当脉冲电源的频率提高到兆赫 兹量级，脉冲宽度减小到纳秒量级时，可以将电化学反应集中在电极顶尖很小的 区域内，即可显著地减小电解加工的杂散腐蚀，提高溶解蚀除的定域性【2 5 7 1 。 加工过程中，电解液可得到高频率的间断及周期性的更新，使得间隙中的电解产 物( 溶解的金属、析出的氢气及产生的焦耳热) 得到及时排除，加工可在更高的电 流密度和更小的加工间隙下进行，高电流密度使表面加工质量亦随之提高，而小 间隙可以显著改善加工精度。 图l 一6 为德国科学家以扫描隧道显微镜的探针为工具电极加工l1 1m 深的三 角沟槽【1 4 i ，用5 0 0 p s 的脉冲宽度在一定的溶液浓度下，获得了几十纳米的加工精 度。 7 广东r i = 业大学工学硕士学位论文 图1 6 微细三角沟槽 f i g 1 6m i c r ot r i a n g u l a r 国内南京航空航天大学的张朝阳等人利用超短脉冲电流微细电解技术，在 5 0 0 n s 周期，5 0 n s 脉宽，4 v 电压条件下，用直径1 5 pm 钨电极加工出直径3 0 pm 的 微小孔，加工间隙为7 1 1m 【2 8 1 。 1 。4 脉冲电源的发展概况 电解加工脉冲电源随着功率半导体开关期间的发展而发展，最早的脉冲电源 是8 0 年代用硅整流二极管或可控硅( s c r ) 建立的，容量大，电流上万安，但由 于频率较低，脉宽较长，只有正弦波类型，导致其加工效果不够理想1 2 9 1 。随后 g t o ( 可关断晶闸管) 发展到了l 1 0 4 a ，8 k v ，高频g t o 工作频率达到3 k h z ， 在相当范围内取代了s c r 3 0 1 。比起s c r 电源，g t o 斩波脉冲电源的频率显著提高， 调节范围增大，稳定性和可靠性都较好，主要用于叶片、模具的加工，工艺试验 表明此种电源加工的零件加工精度和表面粗糙度比直流电解加工有很大提高 9 0 年代以来m o s f e t 、i g b t 等功率器件的快速发展1 3 1 1 给开发高频、窄脉冲、 大电流及中小电流、更高频、超短脉冲电源提供了条件。国内相继研制出各种参 数的高频、窄脉冲电解加工试验的电源样机。 8 第一章绪论 1 4 1 高频、窄脉冲电解电源 华南理工大学已研制出1 0 0 0 a 、2 0 0 0 a 的工程化样机 3 2 , 3 3 】，并与机床配套， 主要用于中小型精密电解成型加工的需要。加工精度可达0 0 5 r a m ，表面粗糙度 r a 为0 5 6 0 6 6 i lm 。其电源主要规格性能如下： 额定电流：1 型一一脉冲输出1 0 0 0 a ( 峰值) ，直流输出1 0 0 0 a ，2 型一一脉冲 输出2 0 0 0 a ( 峰值) ，直流输出2 0 0 0 a 。 最大输出电压：脉冲输出2 0 v ( 峰值) ，直流输出2 4 v 。 频率可调范围：1 0 0 h z 2 0 k h z ，连续可调。 输出波形：矩形波。脉冲宽度2 5 l ls 5 m s ，连续可调；占空比可调范围o 3 0 7 ，连续可调。 快速短路保护：m o s f e t 功率器件过流切断时间1 0 l ls ，确保在主电源允许 的正常工作条件下加工短路时，不损坏功率器件。 北京理工大学研制的具有新型脉冲形式的高频群脉冲电解加工电源( 图l 一 9 ) ，输出最高脉冲频率2 0 k h z ，峰值电流数百安，过流保护微秒级。主要用于微 小型电解加工l 3 4 】。 图l 一9 电源系统框图 f i g 1 9p r i n c i p l eo fp o w e rs u p p l ys y s t e m 广东工业大学研制的高频窄脉冲电解开关电源，采用全桥变换器加斩波脉冲 输出方案，省略了铜、铁损耗大的工频变压器，体积小，重量轻，效率优，频率 较高。其电路原理如图l 一1 0 ( a ) 所示，工频电压经过整流滤波电路得到直流电 9 广东工业大学工学硕士学位论文 压，变换器用脉宽调制法对电压进行闭环控制，为斩波器提供一个稳定可调的直 流电压，经斩波器输出脉冲电流。研制的样机的电压范围：5 2 4 v ，额定峰值 电流1 0 0 a ，频率范围l o 1 0 0 k h z ，占空比0 1 o 5 连续可调。该电源主要用于电 解抛光和多型腔微细零件的加工0 5 1 。图l 一1 0 ( b ) 为该电源在不同脉宽下加工 的小孔，表面质量较好。 图1 1 0 ( a )电源原理框图 f i g 1 1 0 ( a ) p r i n c i p l eo fp o w e rs u p p l ys y s t e m 图l 一1 0 ( b ) 不同脉宽的微细孔加工 f i g 1 10 ( b ) m i c r o - h o l e sm a c h i n e dw i t hv a r i o u sp u l s ed u r a t i o n s 合肥工业大学研制的微秒级可调脉冲电源，用单片机8 0 3 l 编程控制定时计数 器产生微秒级脉宽( 1 9 9 肛s ) 、占空比可调的方波，经过电平转换和放大后驱 动功率开关，从而将直流电源调制为脉冲输出 3 6 1 。其电路的主体结构如图1 1 1 。 此电源缺点是输出脉宽范围窄，且频率较低。 1 0 第一章绪论 图l 1 1 微秒脉冲电源总体结构 f i g 1 一l1p r i n c i p l eo fm i c r o s e c o n dp u l s ep o w e rs u p p l y 1 4 2 更高频、超短脉冲微细电解加工电源 清华大学设计的微细电化学加工电源系统包括硬件和软件两个模块。计算机 通过驱动d a 将软件设定的加工电压转换为相应的模拟量，然后再通过增益放大 将电压信号进行放大，放大过幅值的电压信号又经过功率放大环节对其功率进行 放大，并输出于加工电极和工件之上，图1 1 2 。加工过程中的电压信号通过电 图1 一1 2 微细电化学电源原理框图 f i g 1 12p r i n c i p l eo fm i c r o - - e c mp u l s ep o w e rs u p p l y 平调整经a d 转换之后输入计算机，电流信号通过采样电阻获取，然后再经过电 流放大，最后通过a d 转换之后输入计算机进行处理。其将信号发生与加工状态 ( 加工电流和加工电压) 的检测集成于一体，为实现加工过程的自动化控制提供了 便利条件。该电源系统可产生多种波形，且能实现对加工过程的自适应控制，输 广东工业大学工学硕士学位论文 出电压范围为1 2 + 1 2 v ，输出电流范围为o 3 a ，输出信号频带为1 m h z ，反馈 通道采样频率达1 0 0 k h z 。在频率l k h z ，峰值5 8 v ，电解液为l o 的n a n 0 3 溶液的 条件下，以铜做加工电极，用该电源在不锈钢上加工出的微小孔孔径约2 7 0 l l m 3 7 1 。 哈尔滨工业大学研制的微细电解加工脉冲电源( 图l 一1 2 ) 【3 8 】，该电源用计 算机控制单片机发出脉冲，经过驱动级放大后，驱动功放级的m o s f e t 场效应管 i r f 7 3 0 进行斩波，其上升和下降时间分别为1 5 n s 和1 4 n s ，该电源能稳定输出的最 小脉宽为3 0 0 n s ，电压0 h 1 0 v 和电流o 2 a 可调。在微细电解加工过程中，加工 间隙的状态由短路检测模块进行实时检测、采样，通过p i c 单片机a d 送入上位 机。上位机根据采样的信号值来判断是否发生短路，进行伺服进给或回退，起保 护作用。该电源的特色是：用计算机进行控制，可以利用计算机强大的计算功能； 存在的不足：( 1 ) 占空比不可调( 2 ) 实际加工中未能达到纳秒级脉宽。在该电 源脉宽与脉间都为4 0 l ls 的条件下，在厚度为3 0 0 pm 不锈钢( s u s 3 0 4 ) 上加工 的曲梁，表面质量较好。 图i 1 2 微细电解加工脉冲电源结构原理图 f i g 1 1 2p r i n c i p l eo fp o w e rs u p p l yi nm i c r o e c m 取 样 电 阻 2 0 0 7 年2 月，南京航空航天大学朱狄等人研制出微米级电化学加工的脉冲电 源，其构成原理框图见1 1 3 ，该电源能够输出电压为o 5 v 的脉冲信号，脉冲 宽度可在2 0 n s 5 0 0 n s 范围内变化【3 9 1 。该电源的不足是输出脉宽和电压的调节范 围都较窄，没有过流保护功能，且输出功率小。 1 2 第一章绪论 图l 1 3 纳秒脉冲电源构成框图 f i g 1 一l3p r i n c i p l eo fn sp u l s ep o w e rs u p p l y 目前德国f r i zh a b e r 研究所应用的电源频率最高达到2 0 0 m h z ，脉宽最小达到 5 0 0 p s l l4 1 ，但对于超短脉冲电源的制作没有给出相关的论述。图l 一1 4 为r s c h u s t e r 等采用脉宽为3 n s ，脉冲幅值为2 v ，频率为3 3 m h z 的超短脉冲电源进行电化学微 细加工，成功地在金属镍上加工出5 p m 深螺旋，其表面光滑，侧面加工间隙只有 6 0 0 n m 【14 1 。 图l 一“微细电极加工的深螺旋 f i g 1 1 4s p i r a lt r o u g hm a c h i n e db ym i r o e l e c t r o d e 广东工业大学工学硕七学位论文 1 5 课题研究概况 1 5 1 课题来源 本论文的课题来源于张永俊教授主持在研的两个项目： 1 国家自然科学基金( 5 0 4 7 5 0 4 6 ) 2 广东省自然科学基金( 0 4 0 0 9 4 5 5 ) 资助项目 1 5 2 课题研究内容及意义 随着科学技术的不断发展，产品的微型化、智能化、精确化必然是未来工业 发展的主导方向，对微细器械、微结构的需求必将越来越大，而目前主要的微细 加工技术并未能满足发展的要求 1 , 4 0 , 4 1 】。电化学加工技术由于其独特的优势已成 为微细加工领域中极有发展前景的重要技术之一。 高频、窄脉冲电源是微细电解加工设备的核心部件之一。随着微细电解加工 技术的日益发展，对其电源的频率、波形等输出特性提出了更高的要求f 4 2 1 ，国 内现有的电化学脉冲电源已不能满足需求。因此研究更高频率和更窄脉宽的脉冲 电源，对提高微细电解的加工精度和表面质量具有重要的意义 目前，国内研制的电化学电源最小脉宽通常只有几微秒，与国外皮秒级脉宽 电源水平相差甚远。为了保证较高的加工精度和表面质量，微细电化学加工电源 应具有更高的频率、更小的脉冲占空比、更精确的可调电压以及实现快速的自动 检测与保护功能。 本课题的主要研究对象：纳秒级脉冲微细电解电源，其主要技术参数是：频 率范围：1 0 k 5 m h z 连续可调；电压范围：1 5 1 0 v 可调：峰值电流：l a ；占空 比：0 1 0 5 连续可调；短路保护响应并完成时间在5n5 以内。本电源特点： ( 1 ) 最小稳定输出脉宽5 0 n s ，峰值1 a ，处于国内先进水平。 ( 2 ) 采用两个互补对称高速功率场效应管进行斩波，输出的脉冲波形良好， 带负载能力强，体积小、重量轻、效率高。 ( 3 ) 短路保护响应并完成时间在5 i js 以内，在短路或者其它原因造成的过 流情况时，保证电极和加工工件不受损伤。 1 4 第一章绪论 需研究的主要内容主要包括： ( 1 ) 深入了解微细电解加工工艺特点。 ( 2 ) 设计出纳秒级脉冲电源主电路电路和快速保护电路。 ( 3 ) 设计印刷线路板( p c b ) 和电源机箱，完成电源整机的安装、调试。 ( 4 ) 利用研制的纳秒脉冲电源，进行微细轴和微孔的电解加工试验，摸索微 细电解加工中电源参数对加工精度的影响规律。 1 6 本章小结 与直流电解加工相比，脉冲电流电解加工改变了其加工过程的物理、化学特 性，有利于阳极溶解的集中蚀除能力的加强，有利于加工间隙的缩小和均匀，可 以降低表面粗糙度和较大幅度地提高电解加工的精度。而且脉冲频率越高，脉宽 越窄，其效果就越好。 目前，国内现有的电化学脉冲电源的脉冲宽度通常只有几微秒，很难满足微 细电解对高精度的要求。本课题研制的微细电解电源，解决了纳秒脉冲电源设计 的关键技术，为微米级电化学加工提供了保证。 广东1 = 业大学 学硕士学位论文 第二章纳秒级脉冲电源的整体设计 由于是应用于微细电解加工的高频、窄脉宽脉冲电源，因此，对其电源的频 率、脉宽和加工电压等输出特性提出了特殊的要求。一方面由于加工工件和加工 电极的微小化，使电源的输出功率较普通电解加工电源小很多，实现微米级的微 细电化学加工一般需使用纳秒( 甚至更窄) 脉宽的脉冲低电流；另一方面由于微 细电解加工在加工精度和加工表面质量方面较普通电解加工有更高的要求，电源 应具有更宽的频率调节范围、更精确的可调电压以及方便地产生不同脉宽和占空 比的脉冲波形。 2 1 微细电解等效电路分析 采用高频窄脉冲电源进行电解加工时，在极窄脉宽的通电时间内，电极反应 过程还未达到稳态就进入了断电的脉冲间歇。由于电极极化时间非常短，扩散层 有效厚度变得很薄，从而大大减小了浓差极化的影响，使电化学极化成为决定因 素。此时，电极，溶液界面可以等效为电容和电阻并联的电路，如图2 1 所示。图 中，c d 表示双电层电容，它是指电解加工时，电极溶液的界面发生电荷分离， 结果产生电势差，电离出的正、负电荷相互静电吸引，在界面上形成正电荷层与 负电荷层并存的形态；r r 表示电化学反应电阻，r l 表示溶液电阻【2 8 1 。 图2 1 电解加工等效电路 f i g 2 - lt h ec i r c u i to fe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g 总电流i 由两部分组成：一部分为双电层充电电流i c ；一部分为电极反应电流 i ，即i = i 。+ i ，。脉冲开始时，电流主要是双电层充电电流i c ；随着时间的延长， 电极反应的法拉第电流i ，逐渐增大。双电层充电结束时，电流全部流经反应电阻 1 6 第二章纳移级脉冲电源的整体设计 r ，用于电化学反应，暂态过程结束暂态过程所经历的时间由等效电路的时问 常数t o = r c ，r 为等效电路的电阻，c 为等效电路的电容) 决定。若脉冲宽度小于t ， 双电层未完全充电就开始放电，法拉第电流就始终达不到峰值，只能在平均电流 附近变化。当通电时间t 5 z 时，过电位可升至稳态过电位的9 0 以上，电极反应 过程达到稳态。 图2 1 所示电极等效电路中的电阻r l 由极间间隙和电阻率决定。电解加工 时，阳极工件被加工表面正对工具阴极的区域极阃间隙最小，电解液电阻也最小， 记为r 。；工件上的非加工区域离工具阴极较远，电阻较大，记为r 。加工区决 定双电层电容充电的时间常数z i ( t l = r p c ) 和非加工区的时间常数f 2 ( f 2 = r 。c ) 选用合适的脉冲参数t 。，让其处于区问t l t 。 z 2 ，加工区的双电层电容能够完全 充电，使电化学电流i ，达到峰值，而非加工区时间常数大，电容充电还未达到峰 值就进入脉冲间歇断电阶段，又开始放电。加工区过电位高，电流密度大，集中 蚀除效果好；非加工区的电流密度小，可以减少杂散蚀除，显著增强电解加工的 定域蚀除能力。研究表明，在微细电解加工中，它一般在微秒级以下，而且由以 上分析可知，随着加工尺寸的减小，f 2 减小。因此，为提高微细电解的加工质量， 宜采用脉宽尽可能小的脉冲电源。 2 2 微细电解电源的基本要求 根据微细电解加工工艺的特点，对其电源有以下要求： 1 电源的输出波形为脉冲波，并且脉冲上升和下降沿应该不超过最小脉宽 的2 0 。其频率f 、占空比d 、脉冲宽度t 。是微细电解加工电源最重要的参数之 一，三者之间的关系为： n o = 等 ( 3 1 ) ， 对于微细电解加工电源，一般希望频率尽可能地提高，这也是微细电解加工 电源的主要发展方向之一。其电源的占空比一般要求为d 9 0 0 ；为“纺锤”状时，b 9 0 0 。 第四章工芝实验 溪4 2 不同电嚣下热工豹电援 f i g 4 2t o o le l e c t r o d ei nd i f f e r e n tv o l t a g e 玑0 3 或0 2 羝# l o 矗一仉o i ，一玑0 2 一玑霸3 一挂 一玑n s 萤4 3 耄压露宅缀形状翦影骥 f i g 4 3e l e c t r o d es h a p ei nd i f f e r e n tv o l t a g e 从豳4 2 襄4 - - 3 均可以看粥电压豹大小直接影响着电极的形状，电压小予装 广东1 ：业大学一i 学硕士学位论文 一数值时电极形成“尖锥”状结构，大于时又容易出现“纺锤”状结构，这是因 为当施加小电压时，溶解的w 0 。”离子迅速的向溶液中扩散开，在电极丝的周围不 能形成保护层，电极丝端部得不到保护，溶解迅速，最终形成锥状结构；相反， 当施加电压过大时，由于形成的w o 。”离子浓度过大，来不及向四周扩散，电极丝 下部被充分保护而不能溶解，从而使溶解形成“纺锤”状结构。因此，电压的大 小影响着微圆柱体直径的均匀性。 图4 4