（机械工程专业论文）活动模板ta3薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究.pdf

南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 摘要 电解加工( e l e c 拍c h e m i c a lm a c h i n i n g ，e c m ) 是金属在电解液中发生阳极溶解达到工件材 料去除而得到目标零件的加工过程。电解加工作为特种加工的一种重要方法，工业应用越来越 多。随着应用的深入和发展，基于电解加工原理的电解新方法层出不穷，在工业生产中发挥了 重要作用。活动模板电解加工是其中的种重要方法，这种方法加工薄板类阵列群小孔零件有 其独到的优势。随着科技和制造技术的发展，新材料、大面积、海量的群小孔零件加工成为该 技术的又一难点。 本文在已有的理论技术和工艺基础上研究了t a 3 薄板海量阵列群小孔的加工。试验研究了 电解液配方、电解液压力等因素对加工结果的影响，优化了试验参数，并应用最优参数对海量 阵列群小孔零件进行了实验加工。 完成的工作如下： l 、完善了阵列群小孔加工机床，包括气动装夹系统，压框夹紧系统，完善后的群孔加工机 床能安装超长夹具，可用于大面积海量群小孔的加工； 2 、研制了海量群小孔的电解加工自动装夹夹具，制作了用于海量群小孔电解加工的活动阴 极模板； 3 、在完善的机床上进行了试验，试验了7 种配方的电解液，获得了适合r i a 3 材料加工的 电解液配方，并使用这种电解液配方，进行了电解液压力、占空比等参数的试验； 4 、通过试验结果分析，筛选出t a 3 材料电解加工的最优参数，采用最优参数分步多次实 验加工出了海量群小孔典型零件。 研究表明：采用1 0 w - t n a n 0 3 十1 0 w - t n a c l 电解液配方，较小的脉冲电源占空比，合适 的电解液压力可以在1 a 3 薄板上电解加工出基本无杂散腐蚀、孔径一致性良好的海量阵列群小 孔。 关键词：电解加工，活动模板，t a 3 薄板，海量群小孔，杂散腐蚀 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 a b s t r a c t e l e c n o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) i sam a c h i n i n gp r o c e s s i n 吕i nw h i c ht l em e t a l l i cw o r k p i e c ei s m a c h i n e db 笛e do n 锄o d i cd i s s 0 1 u t i o ni ne l e c 仃o l y t e e c mw h i c hi sa 1 1i m p o f t a n tn o n t r a d i t i o n a l m a c h i n i n gt e c h n o l o 影i sm o r c 锄dm o r ea p p l i e d 洫i n d u s n ye c mp l a y e d a ni m p o r t 锄tr 0 1 em i n d u s 砸a lp m d u c t i o nw i t l lt 1 1 ed e e p e n i i l g 印p l i c a t i o n sa 1 1 dd e v e i o p m e mo fm e m o db 弱e do nt h e p 血c i p l eo fe l e c 仰c h e m i c a l m o v e a b l ec a 也o d em 雒ke l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i l l g ( m c 施! c m ) i s o n e o fi m p o r t a ma p p r o a c ht om a c h i n em 嬲s i v e 锄ym e s oh o l e so ns h e e tp a r t sa i l dh 够i t su 1 1 i q u e a d v a n t a g e s a l o n gw i t l lt l l es c i e n c ea n dm a n u f 犯t u 】曲gt e c t l l l o l o g yd e v e l o p m e n 乞m a c h i n 协go fn e w m a t e r i a l s ，l 鹕e s c a l e 觚dm 雏s i v ea m y m e s oh o l e sh a sb e c o m ean e wt 嬲ko fm c 匝m m a c h i n i n go fm 嬲s i v ea r r a ym e s oh o l e so n1 a 3s h e e th a sb e e ng n l d i e d e x p e r i m e n tf o c u so n i n f l u e n c e so fv 耐o u sp a r a m e t e r s ，s u c ha st 1 1 ee i e c 打o l ”e ，吐1 ee l e c t r o l y t ep r e s s u r e 趾do m e rf a c t o r so n m a s s i v ea m ym e s oh o l 骼m a c h i i l i n gp r e c i s i o na n d 也e nc h 0 0 s eo p t i i n i z e dp a r a m e t e r st om a c h i n e n e e d e dm 雒s i v ea r f a ym e s oh o l e s t h ef o l l o w i n gw o r kh 弱b e e nd o n ei n 廿1 i sd i s s e 僦i o n 1 i m p r o v et h em 笛s i v ea m ym e s oh o l e ss y s t e m ，i n c l u d i n gp n e u m a t i cp r e s ss 酏叩，c o m p r e s s e s t i g h t l ys e t u p a n dt i l e1 0 n gm a c h j n m g6 x t u r ef o rm a c l i n m gm a l s s i v ea r r a ym e s oh o l e sc a nb ei n s t a l l e d i i ln 】j ss y s t e m 2 d e s i g na j l dm 锄u f a c t l l r ea l i t o m a t i cc o m p r e s st i g h t l yf i x t u r ea n dm o v e a b l ec 砒o d em 笛kf o r m a c h i n i n gm 嬲s i v e 姗ym e s oh o l e s ； 3 g e t 廿1 es u i 协l ee l e c 仃o l y t eb ys m d y i n ge x p e r i m e 吣o f7 d so fe l e c 仃o l ”ef o rm a c h 埘n g m a s s i v ea m ym e s oh o l e s ，a n ds t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ee l e c t r d l y t ep r e s s u r e ，p u l s ep o w e rs u p p l y d u 锣r 撕oe t c 4 a n a l y s i sr e s u l t so fe x p e r i m e ma n dc h o o s e 也eo p t i m i z e dp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rm a c l l i n i l l g m a s s i v ea 玎a ym e s oh o l e s0 n1 a 3s h e e t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt i l a th i 曲p r e c i s i o nm a s s i v ea r r a ym e s oh o l e sw i t h o u ts t r a y d i s s o l u t i o nc o u l db eo b 诅i n e du s i n gs m a l l e rp u l s ep o w e rs u p p i yd u t yr a t i o ，s u i t a b l ee l e c t r d l y t e p r e s s u r e ，10 n a c l + 1o n a n 0 3e l e c 仃o l y t e ，d i s 仃i b u t i o na 1 1 dm u l t i p l ee c mp r o c e s s i n g k e y w o r d s ：e c m ，m o v e a b l ec a m o d em a s l ( ，t a 3s h e e t m 2 l s s i v ea r r a ym e s oh o l e s ，s t r a yd i s s o l u t i o n i l 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图表清单 图1 1 典型群孔零件1 图1 2 机械加工小孔图2 图1 3 电火花反拷法加工群电极流程示意图3 图1 4l i g a 技术制作的群电极4 图1 5 激光加工的燃烧室叶片群小孔4 图1 6 激光加工的微细孔( m l o o 弘m ) 5 图1 7 电液束方法加工出的群孔结构5 图1 8 管壁绝缘的管电极电解加工群孔实物及单孔放大图6 图1 9 光刻工艺过程7 图1 1 0 掩模电解加工的群孔实物对照图7 图2 1 有导电层式模板电解加工原理图1 2 图2 2 阳极屏蔽式模板电解加工原理图1 3 图2 3 双阴极式模板电解加工原理图1 3 图2 4 活动模板单、双面加工原理比较图1 4 图2 5 纯钛t a l 电解加工的i _ t 特征图15 图3 1 机床构成部分结构简图2 1 图3 2 阵列群小孔电解加工机床实物图2 2 图3 3 阵列群小孔机床本体实物图2 2 图3 4 机床本体的t 形工作台2 3 图3 5 电解加工电源。2 4 图3 6 夹具简化图2 5 图3 7 单活塞杆双作用气缸受力示意图2 5 图3 8 气缸实物图2 7 图3 9 压框零件图2 8 图3 1 0 连接板零件图2 8 图3 1l 压框和连接板实物图2 9 图3 1 2 气动管路原理图2 9 图3 1 3 超静音空气压缩泵实物图3 0 图3 1 4 电解液循环系统简化示意图3l 图3 15 泵实物图3l 图3 1 6 电解液槽实物图3 2 图3 1 7 冷却循环水机实物图3 3 v 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 图3 1 8 夹具示意图3 4 图3 1 9 上夹具实物图3 5 图3 2 0 下夹具实物图3 5 图3 2 1 管接头实物图3 6 图3 2 2 模板制作工艺流程图3 7 图3 2 3p c b 钻铣床实物图。3 7 图3 2 4 活动模板实物图3 8 图4 1 微小孔显微形貌及其剖开简化示意图4 1 图4 2 活动阴极模板阵列群孔分布图4 1 图4 3 采用5 n a n 0 s + 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 8 m p a 下加工出的群孔图4 3 图4 4 采用5 n a n 0 s + 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 4 m p a 下加工出的群孔图4 4 图4 5 采用5 n a n o 。+ 1 0 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 8 m p a 下加工出的群孔图4 4 图4 6 采用5 n a n 0 s + 1 0 9 6 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 伊a 下加工出的群孔图4 5 图4 7 采用1 0 n a n 0 3 + 1 0 i j 6 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 8 m p a 下加工出的群孔图4 5 图4 8 采用1 0 9 6 n a n 0 3 + l o n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 m p a 下加工出的群孔图4 6 图4 9 采用1 0 n a n 0 3 + 1 5 9 6 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 8 m p a 下加工出的群孔图4 6 图4 1 0 采用1 0 n a n o 。+ 1 5 9 6 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 m p a 下加工出的群孔图4 6 图4 1 l 采用1 5 n a n o s + 1 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 8 m p a 下加工出的群孔图4 7 图4 1 2 采用1 5 n a n o 。+ 1 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 m p a 下加工出的群孔图4 7 图4 1 3 采用1 0 9 6 n a n 0 。+ 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为0 8 m p a 下加工出的群孔图4 8 图4 1 4 采用1 0 n a n o s + 5 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 m p a 下加工出的群孔图4 8 图4 1 5 采用1 5 n a n 0 3 + 1 0 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 8 m p a 下加工出的群孔图4 8 图4 1 6 采用1 5 n a n o s + 1 0 n a c l 电解液配方在电解液压力为o 4 m p a 下加工出的群孔图4 9 图4 1 7 占空比为l ：2 和l ：4 时加工后的阳极工件图4 9 图4 。1 8 占空比1 ：2 时加工电流变化图5 0 图4 。1 9 占空比对群孔圆度误差的影响5 2 图4 2 0 占空比对群孔标准方差的影响5 2 图4 2 1 占空比对群孔平均锥度的影响5 3 图4 2 2 各个占空比下加工孔的形貌5 3 图4 2 3 电解液压力对群孔平均锥度和均匀性的影响5 6 图4 2 4 电解液压力对群孔圆度误差的影响5 6 图4 2 5 不同压力条件下加工出的孔的形貌5 7 图4 2 6 海量阵列群小孔零件图5 8 图4 2 7 阳极工件毛坯图5 8 v i 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 图4 2 8 海量阵列群孔加工现场图5 9 图4 2 9 分步加工出的海量阵列群小孔结构5 9 表3 1 海量阵列群小孔加工电源设计指标表2 3 表3 2q g bi i 型气缸技术参数表2 7 表3 30 w j 3 0 0 型超静音压气泵参数表3 0 表3 4 模板制作工艺选用原则表3 6 表4 1t a 3 的化学成分组成( ) 4 1 表4 2 占空比为1 ：6 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 0 表4 3 占空比为1 ：9 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 1 表4 4 占空比为l ：1 2 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 一5 1 表4 5 不同占空比下加工出的群孔相关参数5 l 表4 6 电解液压力为o 2 m p a 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 4 表4 7 电解液压力为o 4 m p a 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 4 表4 8 电解液压力为o 6 m p a 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 。5 4 表4 9 电解液压力为0 8 m p a 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 5 表4 1 0 电解液压力为1 o 枷p a 时群孔尺寸数据( 单位：m m ) 5 5 表4 1l 不同电解液压力下加工出的群孔相关参数5 5 v i l 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 v i i l 注释表 定义( d e f i n 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 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 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 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，j 、孑l 的，j 、径 微小孔的大径 工件的厚度 单位刑n i t ) g c m 2 s m m m m m m m m a觚如n n m m h n 舰 鸲 形 么 s ， 疗 f ， q 七 r 尼d d p 尼s 一d 口 a 眈 丁 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 第一章绪论 帚一旱三；百y 匕 1 1 阵列群小孑l 的应用现状 随着科技和工业技术的发展，对零件的形式和尺度提出了新的要求，产品向精密化、微型 化发展，微小尺度的零件应用日益广泛，薄板群小孔结构的零件是其中的一种重要零件，已经 得到了广泛应用【1 3 j 。 微小群孔零件已经应用在很多高科技的产品中，比如精密机械、航空航天、化工等领域， 并且发挥着重要作用。在工业生产中，某航空发动机中高压压气机空气阻尼套，航空孔前、后 冷气导管，航空滤网、筛网，化学纤维喷丝板等都是群小孔类零件m 】，图1 1 所示的网片和冷 气导管都是典型的群孔零件。 ( a ) 网片( b ) 冷气导管 图1 1 典型群孔零件 1 2 阵列群小孑l 的加工方法 阵列群小孔零件加工方法可以分为两大类：传统机械加工和特种加工【7 】。机械加工包括了 钻、冲孔、压等。特种加工包括了电解加工、电火花加工、高能束流加工、超声加工、复合加 工等。本文主要介绍了工业中应用较为广泛和成熟的几种加工方法，分别是：机械加工技术、 电火花加工技术、激光加工技术、电液束加工技术、管电极电解加工技术和掩模电解加工技术。 1 2 1 机械加工技术 机械加工方法是通过使用刀具去除毛坯材料，得到所需的零件尺寸及形状，是一种历史悠 久的传统加工方法，在各个加工领域应用广泛。随羞机床及刀具技术的发展，在群小孔加工方 面发挥着重要作用。这种方法实用性很强，成本相对较低，图1 2 为机械加工出的小孔图。机械 方法加 ：群小孔有一些优点，比如：机械钻削和冲孔生产效率高、不受材料导电性能限制、加 工表丽质量和加工精度均较高等即】。由于机械加工中刀具与工件之间存在作用力，工件容易产 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 生变形同时产生毛刺；在微小孔加工方面，加工时对刀具或者凸模的尺寸要求较高，由于刀具 尺度较小，其刚度和耐用性较差。加工过程中，刀具或者模具在切削力和机床震动下，容易折 断，无形中降低了加工效率和提高了加工成本；机械加工中有个重要的原则，不能加工比刀具 硬的材料，对于一些难加工的硬脆材料来说，加工小孔的钻头或者凸模的硬度不能低于材料的 硬度【1 0 l ，这对钻头和冲头材料的提出了新的要求；机械加工中还存在加工热，群小孔类零件的 加工，工作液虽能带走一部分热量，但是加工中产生的大量热还是加工中不得不面对的问题1 1 1 1 ， 未能被工作液带走的热量能低了刀具的使用寿命。由此可知在加工群孔类零件的时候机械加工 技术存在以上加工缺陷和不足，在某些特定的加工场合和一些要求较高和成本低的场合存在一 定的局限性。对于小孔的加工来说机床的主轴转速要求很高，提高主轴转速又要增加成本。总 之，无论从效率和成本上来说，加工薄板群小孔类零件，机械加工有其不足之处。 ( a ) 某洗衣机内筒中钻削加工的脱水孔( b ) 冲孔加工微小群孔结构 图1 2 机械加工小孔图 1 2 2 电火花加工技术 电火花加工l e c 仃i cd i s c h a 唱em a c h i m n g ) 是一种放电加工技术。它是将工具电极和工件放 置于绝缘的工作液中，通过电极之间的放电效应，对金属产生蚀除进行加工，以达到零件的尺 寸、形状及表面质量预定的加工要求【1 2 】。电火花加工有自身的加工优势，能用于加工难加工材 料，能完成一些三维深孔和异形孔的加工。电火花加工过程中没有宏观作用力，材料的蚀除量 能控制的比较小，所以电火花也应用于微细加工中。现在微细电火花加工技术( m i c r o e d m ) 已 经成为业内研究的热点【l 引。 电火花方法加工群小孔，关键在于微细电极的制作，微细电极的制作分为电火花反拷法和 l i g a 技术。电火花反拷法的原理是：首先利用线电极对柱状电极进行电火花磨削，如图1 1 3 ( a ) 制作出直径符合要求的单圆柱电极；然后控制电极的运动轨迹，如图1 - 3 ( b ) ，选择适当的材 料( 一般选择黄铜薄片或者其他材料的金属薄板) 作为中间电极，在薄片上面进行微细电火花 穿孔加工，由于电极的直径较小，为保证加工过程的稳定，放电能量需要控制在较小的范围， 2 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 加工过程中圆柱电极进给的同时要旋转，从而在中间电极上加工出阵列微孔结构；最后利用上 一个步骤制作好的中间电极作为工具电极，如图1 3 ( c ) 通过微细电火花在块电极上反拷加工 出微细群电极。 6 一 ( a ) 单圆柱电极制作 ( b ) 中间电极制作 ) ( c ) 群电极制作 图1 3 电火花反拷法加工群电极流程示意图 1 一脉冲电源；2 一线电极；3 一工具电极；4 一中间电极；5 一块电极：6 一群电极 l i g a 技术制作群电极包括了涂胶、x 射线深度光刻、显影、微电铸成型、去胶等步骤， 经过上述步骤可以制作出群电极，用于微小阵列小孔的加工。图1 4 为采用l i g a 技术加工的 直径为1 0 毗聊，高2 0 9 胛的微细群电极【1 4 】。 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 图1 4l i g a 技术制作的群电极 由于电火花加工技术的加工特点，其材料的蚀除是在瞬间高能量下的熔化和蒸发，这个特点 就决定了加工的小孔存在热影响区，有的甚至有微观裂纹，降低了群小孔的使用寿命和工作可 靠性【1 5 】。从电极制备的方式来看，制各的工艺较为复杂，成本很高，这在很大程度上也限制了 电火花技术在群小孔加工中的应用。用制备的电极加工阵列群小孔的时候，电极在加工过程中 存在损耗，这样又提高了加工的成本和降低了加工的效率。这些缺点和不足导致电火花加工技 术在群小孔加工中的应用受到了限制。 1 2 3 激光加工技术 激光加工( l 雒e rb e 锄m a c h i n i n g ) 是利用聚集的光能来融化材料，以达到材料去除的一种加 工方法。激光器发出激光，激光经过透镜的聚焦，聚焦点上的能量很高，可以融化工件材料， 同时产生冲击波将工件去除，正是这样的原理，激光加工的方法所能加工的材料很广泛，可以 加工钢材、耐热合金、硬质合金等这类导电的金属材料，也可以加工宝石、陶瓷、复合材料等 这类不导电材料临1 7 】。激光加工效率很高，综合效益较为理想。与传统的机械加工不同，激光 加工的时候刀具不与工件发生接触，所加工的表面没有外来污染，加工后的零件很清洁。激光 加工小孔的时候，通用性比较强，能加工各种类型的孔。仪表盘上的各种小孔、散热孔、燃烧 室中的各种小孔都可以用激光加工【1 8 】，如图1 4 所示的燃烧室叶片上的群小孔就是用激光方法 加工的。 4 图1 5 激光加工的燃烧室叶片群小孔 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 激光加工群小孔一次性投资较大，激光加工的设备昂贵，同时对机床的本体结构和控制系 统要求很高，从而提高了激光加工的成本。从另外一方面来说，激光加工的时候材料是融化气 化飞溅式的去除，这就会导致加工孔周围存在热影响区，加工热的累积会导致加工的群小孔零 件发生变形，同时加工的小孔存在一定的锥度和翻边【1 9 - 2 ，如图1 5 所示。 图1 6 激光加工的微细孔( m 1 0 0 u m ) 1 2 4 电液束加工技术 电液束加工( e l e c 臼伊s 仃e 锄m a c h i n i n g ) 是一定压力的电解液通过特定的金属管喷射到工件 材料上，同时外加一定电压从而达到指定区域的材料去除的一种电解加工方法。这种方法已经 应用在航空工业中的一些微小孔加工【2 2 埘】，并且加工的孔具有表面质量好、深径比大的优点。 同时电液束加工也存在一些不足，其喷液管道不能做到很小，一般管道的内孔直径都在 1 2 i o 1 0 m m 以上，这样就限制了其加工的孔径范围；另一个缺点在于电液束加工的定域性问题， 加工的时候电解液溅到指定加工区域之外，导致了加工孔周围的杂散腐蚀，降低了加工孔的加 工质量和尺寸精度，图1 6 为电液束方法加工的阵列孔。 ( a ) 群孔结构的s e m 图( b ) 圆柱体上加工出的群孔结构 图1 7 电液束方法加工出的群孑l 结构 5 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 1 2 5 管电极电解加工技术 管电极电解孔加工( e l e c 订o c h e m i c a j l i i n ge c d ) 是选用一定孔径的金属管( 一般 铝合金) 作为工具阴极来对工件材料进行电化学加工，达到工件材料去除的一种孔加】 管电极在加工一些深孔和异形孔中发挥着重要作用，因此应用也越来越多的受到了人们 其加工过程为：先制作中空的管电极，对制作好的管电极进行绝缘处理，将管电极安i 的工具头上，固定工件阳极，加工开始的时候高速流动的电解液从管状阴极内孔喷出 在主轴带动下进给完成管状电极加工进给，工件材料在电化学腐蚀下溶解去除，蚀除： 速流动电解液的从加工区域带走，图1 8 为管壁绝缘的管电极电解加工的群孔啪。 管电极电解加工也存在一些缺点和问题，限制了它的发展和应用。加工过程中存： 不稳定因素，管电极电解加工一般采用中性盐溶液，中性盐溶液不能完全溶解的电解j 及电解加工的过程中产生的气泡会导致电导率的变化，使得加工过程的稳定性交差；j 着加工的进行累积过多，进给速度不能随之改变，阴、阳极可能在加工的某个时段导： 打火现象损坏电极，导致加工失败。此外，管电极电解加工还存在加工精度差的问题， 加工过程中垂直于工件进给，随着加工进行，加工的孔周围区域会继续被腐蚀，在加： 口存在较大的锥度，入口呈现出呈喇叭口形状，解决这个问题的方法是对电极周边进； 但是电极周边的绝缘层会加工过程中会脱落，加工的孔入口出依然会有锥度。 图1 8 管壁绝缘的管电极电解加工群孔实物及单孔放大图 1 2 6 掩模电解加工技术 掩模电解加工技术( n r o u g l lm a s ke l e c 们c h e m i c a lm i c m m a c h i n i n g ) 是在工件的摹 或双面) 涂敷一层光刻胶，对涂敷过光刻胶的工件进行光刻显影，在工件的表面得到了一 的裸露表面，然后进行电解加工，工件上裸露的部分发生电化学腐蚀，被光刻胶覆盖6 保护没有发生腐蚀，最终加工出了所需要的零件结构。掩模电解加工技术有效的克服i 工过程中非加工区域的杂散腐蚀问题，同时结合了光刻的高分辨率，因此加工的精度 6 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 以应用于微细加工f 2 7 之引。掩模电解加工技术的加工效率较高，可以一次性的在大面积工件上光 刻出特定图案，结合上电解加工的高效率，一次性的优质高效的加工出所需零件，正是这样， 已经广泛应用于m e m s 、航空航天、工艺美术、电子工业等行业。 光刻工艺过程如图1 9 ，经过这个过程在工件表面形成特定图案的裸露表面之后进行电解 加工。 图1 9 光刻工艺过程 电解加工过程中工件阳极由垂直于工件表面的方向向下蚀除，同时也由平行于工件表面的 方向横向蚀除，因此加工蚀除的方向性和形状很难精确的控制，导致了加工的零件存在较大的 锥度，这就限制了被加工零件的厚度，难以加工较厚的零件。在电解加工过程中产生的热量会 让工件和光刻胶产生膨胀，由于工件材料和光刻胶的膨胀系数不一样，光刻胶在这种情况之下 很容易发生脱落和损坏，导致加工失败。基于这些问题【2 9 瑚1 ，科研工作者为了加工较厚的工件 和得到较小的加工锥度，提出了从工件两侧同时进行光刻，同时进行电解加工，可以提高加工 效率和获得锥度较小的群孔，图1 1 0 是单面和双面掩模电解加工的群孔实物对照图，可以看出， 双面掩模电解加工的孔侧壁垂直度好。 ( a ) 单面加工的群孔结构 ( b ) 双面加工的群孔结构 图1 1 0 掩模电解加工的群孔实物对照图 7 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 1 3 课题研究的意义及主要内容 1 3 1 课题研究的意义 t a 3 薄板上加工海量阵列群小孔是群小孔加工技术的一个技术难题，选择一种正确、合理 的加工方法来实现往往能达到事半功倍的效果。由上一节的叙述可知，机械加工技术、电火花 加工技术、激光加工技术、电液束加工技术、管电极电解加工技术和掩模电解加工技术这6 种 方法在t a 3 薄板上加工海量阵列群小孔，均存在各自的一些难以克服的技术难点和缺陷。机械 加工方法在1 i a 3 薄板上加工海量阵列群小孔，由于钻头和工件之间的作用力，会使薄壁工件产 生累积变形，同时加工热会烧伤1 a 3 材料，大规模孔的钻削会致使工件和钻头过热，导致1 a 3 材料烧伤，钻头损耗，最终导致加工失败；电火花加工方法在7 r a 3 材料上加工海量群小孔，海 量电极的制作就是一个技术难点，其工艺繁琐，加工成本高；电极在加工的过程中有损耗，无 形中增加了工艺的成本，即使这个方法最终能在1 a 3 材料上加工出海量群小孔，电火花加工的 特点也就决定了孔的周边必然存在热影响区和微观裂纹；激光加工技术用于1 a 3 材料上的海量 群小孔加工，t a 3 材料本身的热性能就不好，激光加工去除材料的方式是气化冲击去除材料， 那么加工出的海量阵列群小孔会有较大的锥度，加工后的板材变形扭曲，同时孔的周围存在热 影响区和微观裂纹，不能满足设计要求；电液束加工技术用于在7 r a 3 材料上海量阵列群小孔的 加工，加工出的海量群小孔周边的杂散腐蚀较为严重，不能满足使用要求；管电极电解加工方 法加工t a 3 材料的海量阵列群小孔时，加工出的海量阵列群小孔在电解液入水口的一面存在有 较大的锥度，要是以单电极加工，效率极低，要是以群电极加工，海量的电极制作很困难，可 见该方法在1 a 3 薄板上加工海量群小孔不可行；掩模电解加工可以在普通材料薄板上加工海量 阵列群小孔，对于1 a 3 板材，虽然光刻工艺能进行，但是光刻之后的电解加工过程中t a 3 材料 很难电解蚀除，表面附着光刻胶的工件长时间浸泡在电解液中，光刻胶发生了脱落，最终导致 加工失败。 本课题组根据i a 3 薄板材料特性和海量阵列群小孔类零件的加工特点，提出了活动模板电 解加工方法在1 a 3 薄板上加工海量阵列群小孔。这种方法相对于上述的6 中方法在加工海量阵 列群小孔类零件的时候，有其自身的优势，可以有效的解决这类零件的加工难题。活动模板电 解加工技术的模板可以重复使用，阴极活动模板制作工艺成本低、简单方便；活动模板电解加 工技术基于电解加工的基本理，即电化学阳极离子溶解的的理论，所以有电解加工的诸多优点， 加工的群小孔表面质量好、零件无变形、孔周围没有毛刺、模板无损耗能重复使用，只要是导 电材料，其硬度没有限制，加工的群小孔有复制精度高，加工效率高等特点；尤其在极容易发 生杂散腐蚀t a 3 材料上加工海量阵列群小孔，活动模板电解加工的方法的活动模板可以有效的 保护非加工区域，有效的降低和消除杂散腐蚀。 8 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 随着航空事业的飞速发展，航空发动机的是航空事业发展的核心，其技术的发展具有战略 性意义。航空发动机上很多零件都可以归类为微小阵列群孔小类零件，如冷气导管、空气阻尼 套等。随着研究和应用的发展，t a 3 材料的运用越来越多，并且尺寸越来越大，孔的数目数以 万计，这就对活动模板电解加工方法提出了新的挑战和要求，为此，在已有活动模板电解加工 工艺方法的基础上研究t a 3 薄板海量阵列群小孔活动模板电解加工方法具有重要意义。 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 k 2 0 0 8 0 4 3 ) 资助。 1 3 2 课题研究的主要内容 以现在航空发动机上应用的t a 3 薄板海量阵列群小孔结构为研究对象，以小面积活动模板 电解加工的理论基础作为指导，探索研究了1 a 3 薄板海量阵列群小孔活动模板电解加工的特性。 本文针对t a 3 薄板海量阵列群小孔的加工开展了大量的试验研究。具体研究的内容如下： 1 、完善了阵列群小孔电解加工机床，搭建了海量阵列群孔加工的试验平台，包括气缸装 夹系统，压框夹紧系统等； 2 、研制了海量阵列群小孔电解加工的超长专用夹具，设计制作了进行电解加工试验的活 动阴极模板； 3 、根据t a 3 材料的电解加工性能，选用n a c l 和n a n 0 3 的混合溶液作为加工1 a 3 薄板的 电解液，对不同电解液配方的加工效果进行了试验验证和探索； 4 、采用加工效果较好的电解液配方，进行工艺试验，研究了电解液压力、占空比、电压 等参数对t a 3 薄板海量群小孔加工精度和表面质量的影响： 5 、优化工艺试验的参数，筛选出最好的一组试验参数对t a 3 薄板海量阵列群小孔的典型 零件进行了实验加工，分步多次的加工出海量阵列群小孔零件。 9 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 第二章电解加工理论基础和纯钛电解加工理论 2 1 电解加工的定义和工艺特点 电解加工( e l e c 们c h e i i l i c a jm a c h i n i n g ，简称e c m ) 是基于电化学阳极溶解原理，将工件按一 定形状和尺寸加工成型的一种特种加工技术。电解加工的时候，工件阳极与工具阴极分别接电 源的正、负极，高速流动的电解液( 一般为0 洮) 从阴、阳两电极之间的加工间隙中流过，带 走加工过程中产生的电解产物和热量，工件逐渐溶解达到符合要求的加工形状。 与其他加工方法比较，电解加工工艺的优点可归纳为以下几点p 1 渤l ： ( 1 ) 导电材料几乎都可以加工 凡是导电的材料几乎均可进行加工，并与被加工材料的硬度、强度、韧性无关，加工后的 材料金相组织基本上不发生变化； ( 2 ) 电解加工的生产效率高 复杂的立体型面可以在阴极直线进给下一次加工出来，且加工速度可以和电流密度比例的 增加，在某些条件下，电解加工的生产率可比机械加工的生产效率提高数倍； ( 3 ) 工具无损耗 由于工具是阴极，它在电解加工过程中的反应仅是析出氢气，而不发生溶解反应，所以不 会有消耗( 从理论上讲，一个工具阴极可以加工无数多个工件，但实际上由于打火、短路等现 象，阴极会被烧伤，而损耗乃至失效) ； ( 4 ) 加工过程中不产生应力 由于工具阴极在加工过程中不与阳极工件相接触，故不会产生加工变形和应力，在加工薄 壁零件的时候，电解加工的这个特点尤为显著。 与此同时，电解加工也在如下一些局限性： ( 1 ) 加工精度不够高 电解加工的过程中，工具阴极和工件阳极之间有加工间隙，加工间隙本身就很难精确控制， 同时间隙内部各处的电场、流场、温度场等因素不能保证都一致，这些因素影响了加工的精度。 电解加工的精度还与加工的零件的几何形状有关，孔加工精度可以到o 0 2 5 o 0 5 m m 三维复杂 型面加工精度可以到o 2 0 如5 0 m m ； ( 2 ) 加工复杂型面时，阴极设计修正困难，周期较长 加工复杂的型面和型腔时，要根据零件形状来设计阴极，设计的难度较大。设计好的阴极 的外形和尺寸往往还要通过试验来逐步验证，验证后要不断的修正，尤其对于一些复杂零件， 这个周期更长； 1 0 南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 电解产物的处理 电解过程中蚀除产物通过电解液的冲刷，流回电解槽中，这些蚀除产物经过沉淀过滤后要 妥善的处理，以免产生污染。电解加工过程中产生的废气也要妥善处理，避免爆炸和对周边空 气造成污染。 2 2 法拉第定律 电解的化学反应是物质质点在阴极上得到电子的还原反应和阳极上失掉电子的氧化反应。 阴极和阳极的反应是同时发生的，且阴极反应所吸收的的电子数一定等于阳极反应所放出的电 子数，也等于外线路中通过的电子数，使整个回路中有一定大小的电流通过。 金属在发生溶解时，其溶解量和通过电解池的电量存在一定的关系。这种关系符合法拉第 定律。法拉第定律包括两个内容【3 4 】： ( 1 ) 法拉第第一定律：在电极的两相界面处( 如金属一溶液界面处) 发生电化学反应物质的 量与通过的电量成正比： ( 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。 如果阳极只发生金属溶液而没有析出其他物质，则根据法拉第第一定律，阳极溶解金属 的克数为： w = k q = 姓 ( 2 1 ) 式中：w 阳极溶解的金属的质量( g ) ； q 一通过的电量( c ) ； l ( _ l 单位电量溶解的元素克数，称为元素的质量化学当量( 鲥s ) ； i 一电流强度( a ) ； t - 电流通过的时间( s ) ： 根据法拉第第二定律，溶解或析出任何l 克当量物质所需要的电量是一样的，与该物质的 本性无关。以字母f 表示此电量，称为法拉第常数，这个常数一般为9 6 5 0 0 。 对于原子价为n ，原子量为a 的元素，它的当量是a n 克，因此l 单位电量溶解的元素克 数，即元素的电化学当量为： k ：会( 2 2 ) n f 7 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以得出计算金属阳极溶解量的理论值的公式： w = 三h( 2 3 ) 活动模板t a 3 薄板海量阵列群小孔电解加工技术研究 2 - 3 薄板类小孑l 零件的模板电解加工技术 针对薄板小孔类零件的特点，采用模板电解加工的方法来加工，模板电解加工技术是基于 电化学的基本原理，即阳极电化学溶解理论而衍生出来的一种电解加工方法。模板电解加工技 术利用模板的选区限制工件蚀除的