外文文献翻译-喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究

本科毕业设计（论文）外文文献翻译题目连续电解射流进行微细加工院（系）机电工程学院专业飞行器制造工程学生丁烨学号1100801020班号1008301指导教师杨立军填报日期2014年6月10日哈尔滨工业大学机电工程学院2014年6月题目连续电解射流进行微细加工（出自精密加工2012年26期，612619页）摘要电化学加工是高精度微细制造的一种加工工艺。尤其是没有任何热效应和机械效应并且脱离于材料硬度的金属工件是其显著特征。在这篇文章中，将提出一种特殊的针对复杂的微型几何和微型结构表面的制造工艺。这将借助连续的喷射电解射流加工来实现。这一技术的特点在于通过喷射装置将电流约束在一个限制的区域内。因此，就能获得一个能被电流和喷嘴位置轻松控制的并且能高精度定位的材料去除区域。使用连续直流电时，与脉冲电子加工相比存在更高的材料溶解速率。加工过程首先用有限元软件进行模拟。因此，一个按照时间计算规则的商业模拟软件COMSOLMULTIPHYSICS被投入使用。通过试验来定量测算喷射电解射流加工过程。通过比较模拟和试验结果，发现了一个很妙的巧合。此外，通过试验验证了电解射流加工应用于点蚀、切除、打孔和研磨加工的可行性。一、引言所有电化学加工的基本原理都是基于电传导的电化学阳极溶解。电化学溶解发生在工件表面和电解液之间的界面。开姆尼茨工业大学的微细加工实验室、德国弗劳恩霍夫实验室和开姆尼茨成型技术中心合作开发了喷射电解射流加工的多种应用。他们的意图是让这项技术向更高精度迈进并且适用于大规模工业化生产。因此，他们进行了大量的试验和模拟来验证这项技术的可行性和局限性。在本文中选取并展示了部分试验结果，尤为特殊的是，本文展示了用FEM模拟的电流、电流密度以及阳极溶解。此外还搭建了试验平台，提及了一些试验加工案例。在喷射电解射流系统中喷射装置提供阳极工件和阴极夹具之间的直流电流，如图1所示图1喷射电解射流装置图电解液通过一个小喷嘴被抽取出来并且以大约20M/S的速度喷射出去。由于包围的介质是空气，所以电解液会形成自由射流。由于没有和周围介质产生干涉，所以展现出较低的射流密度。通过使用一个无脉动泵，可以保证输出连续稳压的电解液。由于电解液很稳定，所以喷射装置可以有一个确定的几何外形。因为电解液是垂直打到工件上的，所以会四处飞溅。假设液束的速度一定，那么随着加工间隙的增加，电解液飞溅的更低。下文给出了喷射电解射流加工已有技术和应用方面的突破，尤其是提升材料去除速率和精度。11喷射电解射流加工已有技术喷射电解射流加工是一项快速发现的技术。它通过控制电流和喷嘴的移动来形成复杂的微型几何形貌。由于高电流密度，微型几何形貌可以有很高的表面质量。同时，高精度的加工外形也可以通过高质量的定位来实现。高达1000A/CM2的电流密度，是被喷射装置的形状限制的。根据已有研究可知，材料去除效率依赖于有效的电流密度，因此界限明确的材料可以通过该项技术去除。与脉冲电化学加工相比，由于使用了连续直流电，该技术能够实现材料的高去除速率。这是由于喷射装置能够提供完美的高速喷射的电解液。因此就没有必要干涉自喷期的材料去除。为了提高喷射电解射流加工的精度，喷嘴必须进行微观形貌的改进，毕竟它是确定加工形貌的工具。为了限制电流密度的分布，必须减小喷嘴的直径。正在进行的研究表明喷嘴的使用直径降到50M。减小喷嘴直径的一个缺点就是材料去除速率的降低。作为一种替代品，KUNIEDAET研制出一种使用水平喷射装置的喷射系统。这给不移动喷嘴的同时实现沟槽的加工提供了可能。伸长的喷射装置比圆柱形的喷射装置有更高的材料去除速率，关键在于整体的直线型空腔是一次成型的。通过将喷嘴在扩孔方向移动，更长的空腔会更快的形成。但是，在试验中发现，在水平喷射装置的边缘会存在微观形貌的磨损。这种现象必须消除，否则无法实现更高的加工精度。通过使用多个喷嘴实现了喷射电解射流加工技术的另一个进步。这给并行加工提供了可能，即同时加工几个一样的工件。NATSU等人发现，喷嘴之间的间距必须大于某个最小值。这是由于单个喷嘴的流体动力学即彼此枝江相互影响进而影响多喷嘴系统的加工过程。然而，应用多个电解射流装置可以提高材料去除速率。哪怕仅仅使用一个电压源，每个喷嘴在加工的同时都会放电。这和放电加工相比是一个优势。放电加工的材料的去除受限于单个的在某一个点产生的电火花，并且电极和工件之间的间隙很小。此外，PAJAK等人还进行了关于激光辅助喷射电解射流加工的混合加工试验研究。在此加工过程中，激光束和喷射装置同轴，来提高冲击射流中心电解液的传导性。这样“在线”提高了电流密度进而使这一区域的材料去除速率得到提高。总而言之，激光辅助可以提高喷射电解射流加工的材料去除速率和工件的表面加工质量。为了防止电解液沸腾，激光的能量必须有所控制。此外激光辅助喷射电解射流加工系统的建立特征复杂，因此价格会提高并且性价比降低。12喷射电解射流加工与物理消融的对比与互有竞争的加工过程相比，喷射电解射流加工时在工件边缘没有物理影响或者热影响发生。在激光加工和放电加工时，工件材料都会因为热效应而发生熔解。但是在喷射电解射流加工中，这个效应会在电解液沸点以下发生，大概在100摄氏度左右的范围内。因此就不会产生放电加工中的再铸层，也不会发生激光加工中的硬化面。例如，在水射流切割加工中，工件材料被射流的动能和有磨蚀作用的介质加工。因此，机械影响会发生在产生在微裂纹和毛边的临近边缘，这一现象在电化学加工中不存在。喷射电解射流加工的表面粗糙度能达到RZ1M，实现了加工目的并且使表面粗糙读比火山口形状的电化学加工好成为可能。尽管喷射电解射流加工效率不及激光加工，但是材料去除速率比电化学加工高。电化学加工的缺点就是只能加工金属材料。然而激光加工中，所有和材料都可以用与它们自身吸收率靠近的波长的激光进行加工。电火花腐蚀加工中，有足够电传导性的材料都能被加工，没必要一定是金属材料源。此外，激光切除和电化学加工的表面精度能达到大概1M，比喷射电解射流加工的5M高。电化学加工能实现高达15的深径比，这个也是仅能达到三倍深径比的的喷射电解射流加工所不能实现的。尽管如此，喷射电解射流加工还能实现一些应用。一些关于电解射流研磨加工、切割加工、钻盲孔和通孔的试验研究将在第四章中展示。此外还有电解射流辅助车削加工的相关研究。电解射流加工对工件表面的影响可以忽略不计，拥有高厚径比的旋转几何微观形貌，这也是传统加工无法实现的。二、有限元模拟开姆尼茨工业大学利用COMSOLMULTIPHYSICS来模拟微细加工的不同现象，例如电流密度的分布和由于电化学溶解造成的工件表面位移。这项工作展示了一个三维模型来模拟喷嘴未移动时喷射电解射流加工单点腐蚀情况。这个模型对于理解和解释试验结果很有帮助。21研究基础在加工初期，YONEDA和KUNIEDA发明了一个旋转对称的固定喷射装置模型。基于这个工作，图2展现了喷嘴、液束和工件表面的微观形貌。这个模型由两区域组成，展示了喷嘴、电解液和电解液束的形状。图2电解射流加工二维对称模型两个区域中，表面工况都被相对突出。钢的电传导性，可以从COMSOL模型库中选择。它被应用到喷嘴区域和电解液区域的研究。图2中标出的线展示了FEM仿真用到的边界。线1是对称轴。线2代表工件的表面，它被施予阳极电位。线3、4被分配给地，代表阴极。线5是一条连续性线，它象征了金属喷嘴和电解液之间的传输特性。这个情况展示了喷嘴和电解液之间稳定的电传导性。未定性的边界定位为绝缘，因为他们包围了仿真模型并且不被电流影响。喷射电解射流溶解过程通过一个短暂的旋转对称的二维模型来进行研究。通过解一个二维方程式，计算时间相对空间模型有所减少。此外，轴对称模型使得三维模型的求解成为可能。这个模型是基于电力学建立的。区域的安排导致了特别的电流密度的分布。这是计算工件阳极溶解的计算基础。短暂的电化学溶解被描述为网孔的置换。使用了预先定义的时间段，在这段时间内，进行了网孔置换的FEM仿真随后展示了工件表面的变形并且用之来重新啮合模型。之后下一阶段的计算再次开始直到目前加工时间结束。喷嘴的参数，直径、电压、加工间隙和电流分布使用的是连续设定值，如表1所示表1仿真使用参数网孔的取代符合法拉第定律。通过这个定律，电化学加工中，溶解材料电压V依赖于电荷Q的交换。（1）（2）变化这式子可以预测加工工件表面的时间依赖性。沿着法向的速度依赖于法向电流密度，正如公式2所示。可变因素如表2所示表2不锈钢14541对应的公式2变量不锈钢14541的电流性能从试验中获得。使用的变量，尤其是给出的化合价，总计大约是100。但是这变量仅仅描述了平均效率并且没有涉及工件表面电流密度的变化。合金的化合价通过重叠合金元素，根据公式3（3）N代表合金元素的数目，CI是质量分率，ZI是离散元素的化合价。表3指出了基本元素的化合价和浓度表3基本元素质量分率和化合价22仿真结果为了能够确信试验仿真结果，研究中应用了步长01S，加工时间为2S。图3展示了仿真变形的一个例子图305S加工时间后工件表面变形区域划分工件表面的变形情况展示了典型的半球状喷射电解射流点蚀过程，即Z轴上的位移说明了工件表面阳极溶解的仿真效果。电流I的仿真是根据不同步长的结果评价的。利用边界整合，每段时间计算工件表面的电流密度。之后整体的电流通过极端工件表面边缘整体电流密度来确定。图4将电流I和平均电流密度JM作为过程的时间函数。图4电流和电流密度作为过程的时间函数根据NATSU等人的分析，平均电流密度JM是根据电流和喷嘴直径计算的。随着加工间隙的变大，抗力变大，电流变小。图5展示了4个步长中深度轮廓的仿真结果图54个步长中空腔的轮廓很显然，仿真半球状的深度和宽度碎加工时间的延长有序的增大。在052S范围内，深度从38M变成了81M，宽度从201M变成了270M加工间隙变大，电流逐渐变小，则可知深度和宽度也逐渐减小。41将用试验证明仿真结果。三、试验装置为了进行试验，设计了一套模块化的喷射电解射流原型系统。关于基本零部件的见图说明和原型系统的工作状态如图6所示图6喷射电解射流原型系统说明简图在一个由无脉动泵、过滤器、高压水管组成的电解系统的协助下，电解液被传输到喷嘴中。电解液经由喷嘴在Z轴方向喷射到工件上。使用过的电解液被收集到处理池中。一个发电系统在工件和喷嘴之间提供电压，同时还提供加工电流。一个三轴移动移动系统被用于实现喷嘴和工件之间的相对位移。喷射电解射流原型系统工艺处理室如图7所示图7喷射电解射流原型系统工艺处理室整体的机械框架设计成龙门形态。工作台是由花岗岩制成，这样可以保证足够的结构刚度和热刚度。喷射电解射流系统所有的电控和运动控制都是由一台个人电脑完成。因此，设计了一个LABVIEW软件。此外，为了设定最初的试验参数，通过监视加工价值来实时控制加工。四、机械加工范例下文将阐述在不锈钢14541（德国DIN标准不锈钢，相当于国标0CR18NI10TI）上进行的机械加工范例。这些范例证明了喷射电解射流加工的可行性。对一些加工做了研究，例如钻盲孔和通孔，切割板材亦或是研磨一些例如微型反应堆的物品。表4总结了所进行试验的参数表4试验参数根据之前的研究结果可以选择合适的电解液和喷嘴。试验用的喷嘴直径是100M，这意味这是一个可实现的方案并且经济上更加实惠。电解液中溶解了电解射流常用并且因为中性而对试验人员无害的硝酸钠。电解液中还溶解了大量的氯化钠来保证足够的电传导性由此保证高电流密度，这样的话可以保证高去除速率。更多的试验参数影响着电解行为，例如加工电压和加工间隙，即喷嘴和工件之间的距离。因此，之前的研究还做了关于加工电压为5V100V，加工间隙为10M100M的试验。正如期望的那样，电压越高，材料去除速率越高。但是在另外一方面，由于电流密度更加分散，加工精度降低。因此采用在之前研究中被成功应用的56V来作为本次试验的电压值。加工间隙越小导致加工电阻越小，因此加工电流变大。这同样会导致材料的高去除速率。但是试验过程中可以观察到，当加工间隙小于喷嘴半径的一半时，会扩大一种未定性的溶解区域。此外，较小的加工间隙和高电压会导致飞弧的危险性增加。因此，加工间隙决定选用100M。为了实现不同的加工任务，不同的加工顺序被编写并应用到LABVIEW软件中。为了定性的估计，利用扫描电子显微镜ZEISSLEO1455VP来表现出几何形状。一个立体显微镜VISIONMAKRO5D被应用于判断几何尺寸。此外，拥有2M半径和60锥角的探针的表面轮廓仪HOMMELTESTER800也应用到试验中。41喷射电解射流单点加工试验单点皆共的试验参数是根据第2章的仿真结果选择的。加工时间从01S到2S不等，步长01S。图8给出了点阵列孔，每个加工2S。图8阵列孔的扫描电镜照片半球状的微观形貌，和NAYSU的研究结果一样。可以看见点蚀区域的高定位度和再现性。所有的孔直径大约是喷嘴的22倍，就是220M。差异在10M内，并且查明了零散的消除。利用表面轮廓仪测出了所选加工周期的点蚀的情况，如图9所示图9所选加工周期仿真和试验结果正如图中所示，加工时间延长，孔变深。加工时间05S时深度M，加工时间2S时深度90M宽度从173M变为220M。将试验结果与仿真结果做对比，图9中依然可以看出仿真轮廓和试验轮廓拟合的很好。尤其是05S和1S的时候几乎重合。随着加工时间的延长，试验和仿真的结果的差异就能逐渐看出来。试验结果比仿真结果更小，更深。这样是因为没有计算不锈钢合金在硝酸钠电解液内的钝化。该钝化根据加工处的电路密度和法拉第定律的相关性可以确定，4个加工时间段内的电流和平均电流密度的测量与仿真拟合如图10所示。图10电流和电流密度的仿真和测量对比测量的平均电流密度大约是800A/CM2。正如22中提及的，可观察到，随着加工时间延长，电流和电流密度逐渐减小。这样的原因是，腐蚀过程中，加工间隙增大，喷嘴和工件之间的抗力越大。仿真和试验结果显示出类似的时间依赖性。尤其是时间低于05S的时候。值得一提的是，仿真结果比试验结果更加平和。这是因为仿真中没有考虑干扰。此外，电流和电流密度的仿真结果比实际的高。可能的原因是由于化学反应产生的的有效阳极区域或者表面抗力。42喷电解射流切割试验为了证明点解射流加工切割金属薄片和平板的适应性，特意加工了一个厚度为250M的不锈钢14541平板。喷嘴移动速度为200M/S，来回加工了13次。试验结果如图11所示图11喷射电解射流切割样品切割线长度4300M，宽度180M与机械切割相比，切割边界上没有被机械应力影响，没有机械变形。作为一种潜在的应用，电解射流加工被成功运用到切割活性纳米箔上。43喷射电解射流打孔试验为了证明利用电解射流装置加工通孔的可行性，使用14541型号的不锈钢制造出一个厚度为025MM的平板工件。在第一个试验中，打孔过程中喷嘴没有移动。大约85S就能打一个通孔。图12展示了经过9S加工时间的电解加工孔图129S加工时间的电解加工孔的扫描电镜图工件面朝喷嘴那一侧有明显的半球状点蚀。这一侧的直径被扩到250M在另出口侧孔的直径大约为100M，和喷嘴的直径类似。在电解射流加工时，当加工空腔产生后，使用过的电解液在这里排出去，同时，打孔过程中冲击液流会迎着电解射流方向返回。这导致了从喷嘴喷射出的电解液与从打孔之后返回的冲击液流会有干涉。这样的结果就是，未定性的传导区域的扩大并因此产生的未定性的电流密度分布，这导致了孔内径的扩大。在打孔方向上材料去除速率大约为18MM/MIN，这对传统的电化学打孔和电火花打孔的进给速率形成了竞争。一系列有垂直内壁的电解射流加工孔可以通过喷嘴的上下移动来实现。这个方法在以后的试验中被详细分析了。在此试验研究过程中，喷嘴在加工过程中以半径为200M移动