微尺度群缝电解加工技术应用基础研究

1、微尺度群缝电解加工技术应用根底研究 中图分 类号 :TG662 论 文编 号 :102870513-S024 学科分 类号 :080201硕士学位论文微尺度群 缝电解加 工技术 应用根底 研究 研究生姓 名 王峰学科、专 业 机械制造 及其自 动化研究方向 CAD/CAM 在特 种加工中 的应用指导教师 赵建社 副教授南京航空 航 天大学 研究生院 机电 学院 二 一 三年 一月Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical and Electrical E

2、ngineering Applied Fundamental Research of Meso Scale Multi-grooves ECM Machining A Thesis in Mechanical EngineeringbyWang FengAdvised byAssociate Professor Zhao JiansheSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree ofMaster of EngineeringJanuary, 2021承诺书本 人 声 明 所 呈 交 的 硕 士 学 位 论

3、文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进行的研究 工作及 取得的研 究成果 。 除了 文中特 别 加以标注 和致谢的地方 外, 论 文中不包 含其他 人已经发 表或撰 写过的研 究成果, 也 不包含 为 获得南京 航空航 天大学或 其他教 育机构的 学位或证书而 使用过 的材料。 本 人 授 权 南 京 航 空 航 天 大 学 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 或扫描等复制手 段保存 、汇编学 位论文 。 (保密的 学位论 文在解密 后适用 本承诺书 )作者签名: 日 期: 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文

4、 摘 要 微尺度 缝、 槽作 为 meso scale 微细 加工 的典 型结 构, 广泛应 用于 航空 航天 、仪 器仪表 、 精密模具 及家 用电器 等领 域 中,并 且多 以群缝 、 群 槽 结构出 现。 电解加 工技 术 因其加 工效 率高、工具阴极无 损耗, 不存 在 机械切 削力 等优点 ,特 别 适合于 微尺 度群缝 加工 。 但群缝 成形 规律难以掌握 ,工 艺试验 参数 修 正周期 长, 加工过 程不 稳 定等问 题 难 以解决 ,制 约 着电解 加工 技术在工业生 产中 的应 用。 本文基于微尺 度群 缝 电 解 加工 理 论分析 和 研 制的 专用工艺 装置 , 开展 了

5、一种 典型 微 尺度 群缝电解 加工 试验 研究 , 最 终稳定 加工 出平 均缝 宽 0.275mm , 侧面斜 度 0.12 的 微尺度 群缝 。 主要研究内 容包 括以 下几 个方 面: 1、 基于 电化 学阳 极溶 解理论分析 , 提 出了 提高 加工 精度 、 加工 稳定 性的 工艺 措施及 其实 现方法; 基于 电解 加工 电场 理论分 析, 采 用 COMSOL 软件仿真单 个窄 缝 成 形 过程, 分析 不同 加工 参数 对窄 缝加 工精 度的 影响 , 优选 电解 加工 工艺 参数。 2、 微 尺度 群缝 电解 加工 专 用 工装 夹具 研制 ,采 用基于 ANSYS CFX

6、 软 件的 流 场仿真 方法 ,对工装 夹具 密封 装置 内 的 电解液 流道 进行 分析 。 通过分析 流道 、 加工 间隙 区 域电解 液流 速分 布 、压力分 布, 优化 电 解液 流 道 设计 ,得 到满足 工艺 试 验要求 专用 工装夹 具 ; 通 过分析 不同 电解液压力 对 加工 间隙 流速 分布 的影响 ,得 到满 足工 艺试 验要求 进 出 口压 力参 数。 3、 采用 电场 仿真 优 选 的工艺参数 进行 电 解 加工 工艺 试验 , 验 证工 艺试验与电场仿真 的窄 缝形状误 差 ; 采用相 同加 工 参数 进 行工 艺试验 ,分 析 不同电 解液 流动方 式 、 进 给

7、方式 对加 工 稳定性 影响 ;通 过电解 液反 流 正交试 验设 计,分 析电 解 液 电导 率 、 进给速 度, 平 均电压 参数 对缝宽的影响 , 加 工出 满足 精度 要求的 群缝 结构 。 关键词: 微 尺度 群缝 , 电 解加工 , 电 解液 反流 ,流 场仿真 ,电 场仿 真 I 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 ABSTRACT As typical structure of meso scale micromachining, meso scale slot and groove are widely used in fields such as aerosp

8、ace, instrumention, precision molds and household applicans, besides, meso scale slot and groove often appear as multi-slots and multi-grooves. Because of merits with high machining efficiency, cathode without loss, no mechanical cutting force and etc, electrochemical machining is particularly suita

9、ble for meso scale multi-grooves machining. But problems with difficulty to grasp shaping process, long period for machining parameters correction, instability of machining process restrict the application of electrochemical machining technology in the industrial productionECM experimental research

10、of the typical meso scale multi-grooves structure is carried out according to the ECM theory and the dedicated processing installations, as a result, multi-grooves with average groove width 0.275mm, side taper 0.12 is steadily processing out. The primary research contents of this paper including: 1.

11、 Based on analysis of electrochemical anodic dissolution theory, implementation methods and measures which improve the machining accuracy and machining stability are proposed. Based on analysis of ECM electric field theory, COMSOL software is used to simulate the forming process of a single groove,

12、and single groove machining accuracy which corresponds to different machining parameters are obtained, as a result, selection of processing parameters are optimized2. In the development of dedicated multi-grooves ECM clamping fixture, flow field simulation method which based on ANSYS CFX software is

13、 used to analyze the electrolyte flow channel in the sealing device of fixture. Optimized electrolyte flow channel and dedicated fixture which meet the experimental requirements are obtained by analysis of electrolyte velocity distribution and pressure distribution in the flow channel as well as pro

14、cessing gap. Inlet pressure and outlet pressure parameters which meet the experimental demands are obtained by analyze flow rate distribution in the processing gap with different electrolyte pressure3. Shape of the single groove error is verified between electric field simulations and the electrolyt

15、e forward experiments when adopt optimized parameters of the electric field simulation. In the experiment with same processing parameters, impact of processing stability with different electrolyte flow pattern and feed method are analyzed. In the electrolyte reverse flow orthogonal experiment, groov

16、e width with different electrolyte electrical conductivity, unequal feed rate, inconsistent peak voltage are analyzed, as a result, multi-grooves structure which meet the demand of II 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 machining accuracy is processing out Keywords: meso scale multi-grooves, electrochemical machini

17、ng, electrolyte reverse flow, flow field simulation, electric field simulation III 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 IV 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. 1 1.2 微 尺度 缝、 槽加 工技 术2 1.2.1 机械 切削 加工 技术2 1.2.2 微细 电火 花成 形加 工 技术3 1.2.3 微细 电火 花线 切割 技 术 4 1.2.4 激光 加工 技术. 4 1.2.5 微细 电解 加工 技术5 1.2.5.1 微 细电 解线

18、切割 加 工技术 7 1.2.5.2 掩 膜微 细电 解加 工 技术. 7 1.2.5.3 微 细电 解铣 削加 工 技术. 8 1.3 微 尺度 缝、 槽电 解加 工存在 的问 题 9 1.4 课 题研 究意 义及 主要 研究内 容 10 1.4.1 课题 研究 目的 及意 义10 1.4.2 本文 主要 研究 内容 11 第二章 微 尺度 群缝 电解 加 工理论 分析 与电 场仿 真12 2.1 电 化学 阳极 溶解 理论. 12 2.2 微 尺度 群缝 电解 加工 影响因 素 13 2.2.1 加工 精度 影响 因素 分 析. 13 2.2.2 加工 稳定 性影 响因 素 分析 14 2

19、.3 微 尺度 群缝 电解 加工 电场理 论 16 2.3.1 窄缝 电场 模型 数学 分 析. 17 2.3.2 窄缝 电场 模型 有限 元 求解 19 2.3.3 窄缝 成形 规律 电场 分 析. 20 2.3.4 不同 加工 参数 对仿 真 结果的 影响 21 2.3.4.1 不 同平 均电 压的 影 响 22 2.3.4.2 不 同电 解液 电导 率 的影响. 22 2.3.4.3 不 同进 给速 度的 影 响 23 2.3.5 不同 阴极 加工 部位 宽 度对仿 真结 果的 影响24 V 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 2.4 本 章小 结 25 第三章 微 尺度

20、群缝 专用 工 艺装置 研制 与流 场仿 真26 3.1 微 尺度 群缝 电解 加工 工艺分 析 26 3.2 微 尺度 群缝 加工 工具 阴极设 计 27 3.3 电 解液 正流 工装 夹具 设计28 3.3.1 工装 夹具 总体 方案 设 计. 28 3.3.2 密封 装置 内的 流场 仿 真分析29 3.4 电 解液 反流 工装 夹具 设计33 3.4.1 工装 夹具 总体 方案 设 计. 33 3.4.2 不同 密封 装置 内的 流 场仿真 分析 34 3.4.3 不同 进口 压力 的流 场 仿真分 析. 36 3.4.4 不同 出口 压力 的流 场 仿真分 析. 37 3.5 本 章

21、小 结 38 第四章 微 尺度 群缝 电解 加 工工艺 试验 研究39 4.1 微 尺度 群缝 电解 加工 试验系 统 39 4.1.1 电解 加工 机床39 4.1.2 机床 运动 控制 系统 40 4.1.3 窄脉 宽电 源 41 4.1.4 电解 液循 环过 滤系 统41 4.2 电 解液 正流 工艺 试验 与 分析. 42 4.2.1 电场 仿真 与工 艺试 验 结果对 比. 42 4.2.2 不同 进给 方式 对正 流 加工稳 定性 影响. 45 4.3 电 解液 反流 工艺 试验 与分析. 47 4.3.1 电解 液反 流正 交试 验 设计与 分析 47 4.3.2 微尺 度群 缝

22、内 外圈 弧 形检测50 4.3.3 不同 电解 液流 动方 式 对加工 稳定 性影 响 51 4.4 本 章小 结 52 第五章 总 结与 展望 53 5.1 总结53 5.2 展望53 参考文 献55 致 谢59 VI 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 在学期 间的 研究 成果 及发 表的学 术论 文60VII 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 图表清单 图 1. 1 微型 热管 中的 群缝 结构1 图 1. 2 剃须 刀静 刀盖 群缝 结构2 图 1. 3 铣削 加工 的薄 壁凸 起结构. 3 图 1. 4 电火 花成 形加 工的 某关键 零部 件 ? 动环. 3

23、图 1. 5 微细 电火 花加 工的 微型结 构 3 图 1. 6 微细 电火 花线 切割 加工的 古塔 结构 4 图 1. 7 微细 群缝 和微 细群 孔复合 结构5 图 1. 8 直线 状微 尺度 群缝 结构6 图 1. 9 不同 形状 的微 槽结 构 6 图 1. 10 圆 柱状 阴极 及加 工 出的微 结构 7 图 1. 11 圆 柱状 阴极 加工 的 微尺度 群槽 结构. 7 图 1. 12 掩 膜电 解加 工的 图 形结构8 图 1. 13 电 解铣 削加 工的 复 杂型槽 结构 8 图 1. 14 整 体片 状阴 极及 其 局部放 大. 9 图 2. 1 电解 池及 电解 加工

24、过程示 意图 12 图 2. 2 阴、 阳极 间电 位分 布示意 图. 13 图 2. 3 窄缝 电解 加工 示意 图. 13 图 2. 4 工具 阴极 间歇 回退 进给示 意图 15 图 2. 5 单次 进给 及回 退过 程示意 图. 15 图 2. 6 电场 分布 对成 形精 度的影 响关 系16 图 2. 7 微尺 度群 缝结 构示 意图 16 图 2. 8 窄缝 加工 间隙 分布 示意图17 图 2. 9 窄缝 电场 仿真 分析 流程图17 图 2. 10 加 工间 隙电 场分 布 数学模 型18 图 2. 11 加 工间 隙网 格划 分 示意图 19 图 2. 12 静 电场 模块

25、和移 动 网格模 块耦 合求 解流 程图. 20 图 2. 13 窄 缝形 状随 加工 时 间的变 化21 图 2. 14 不 同平 均电 压的 仿 真结果 22 图 2. 15 不 同电 导率 的仿 真 结果. 23 VIII 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 图 2. 16 不 同进 给速 度的 仿 真结果 24 图 2. 17 不 同阴 极加 工部 位 宽度的 仿真 结果25 图 3. 1 微尺 度群 缝结 构尺 寸示意 图. 26 图 3. 2 正流 工具 阴极 结构 图 27 图 3. 3 简化 正流 工具 阴极 结构图28 图 3. 4 电解 液 正 流工 装夹 具示意 图.

26、 28 图 3. 5 单个 出液 口密 封装 置内流 场模 型30 图 3. 6 平衡 式出 液口 密封 装置内 流场 模型. 30 图 3. 7 单个 出液 口密 封装 置内电 解液 压力 分布30 图 3. 8 平衡 式出 液口 密封 装置内 电解 液压 力分 布. 31 图 3. 9 密封 装置 内电 解液 流速分 布. 31 图 3. 10 加 工间 隙内 电解 液 流速分 布31 图 3. 11 优 化的 平衡 式密 封 装置内 流场 模型32 图 3. 12 优 化的 平衡 式密 封 装置内 电解 液压 力分 布32 图 3. 13 优 化的 平衡 式密 封 装置内 电解 液流 速

27、分 布33 图 3. 14 电 解液 反流 工装 夹 具示意 图33 图 3. 15 不 同流 道结 构的 电 解液反 流流 场模 型. 34 图 3. 16 方 案一 流道 结构 的 电解液 流速 分布34 图 3. 17 方 案一 流道 结构 的 电解液 压力 分布35 图 3. 18 方 案二 流道 结构 的 电解液 流速 分布35 图 3. 19 方 案二 流道 结构 的 电解液 压力 分布36 图 3. 20 进 口压 力 0.5Mpa 的加工 间隙 内流 场分 布 36 图 3. 21 进 口压 力 0.8Mpa 的加工 间隙 内流 场分 布 37 图 3. 22 进 口压 力 0

28、.3Mpa 的加工 间隙 内流 场分 布 37 图 3. 23 出 口压 力 0.1Mpa 的加工 间隙 内流 场分 布 38 图 3. 24 出 口压 力 0.35Mpa 的加工 间隙 内流 场分 布. 38 图 4. 1 微尺 度群 缝电 解加 工试验 系统 组成. 39 图 4. 2 电解 加工 机床 模型. 40 图 4. 3 LD200T/300T 数控 系统实 物图40 图 4. 4 电解 液循 环过 滤系 统示意 图. 41 图 4. 5 微尺 度群 缝电 解液 正流试 验现 场42 图 4. 6 电解 液正 流加 工出 的微尺 度群 缝结 构 43 IX 微尺度 群缝 电解 加

29、工 技术 应用基 础研 究 图 4. 7 窄缝 局部 放大 图 43 图 4. 8 微尺 度群 缝检 测位 置示意 图. 43 图 4. 9 电场 仿真 与工 艺试 验结果 比照 44 图 4. 10 相 同加 工参 数、 不 同进给 方式 加工 稳定 次数 统计45 图 4. 11 加 工过 程中 短路 烧 伤的工 具阴 极 46 图 4. 12 不 同平 均电 压的 加 工电流 曲线. 46 图 4. 13 微 尺度 群缝 电解 液 反流试 验现 场 47 图 4. 14 不 同参 数组 合加 工 的微尺 度群 缝局 部放 大图. 49 图 4. 15 加 工的 微尺 度群 缝 实物图 片

30、49 图 4. 16 微 尺度 群缝 外圈 SEM 图片. 50 图 4. 17 影 像仪 软件 PC-DMIS CAD+ 的操 作界 面 50 图 4. 18 微 尺度 群缝 弧形 检 测51 图 4. 19 相 同加 工参 数、 不 同电解 液流 动方 式加 工稳 定次数 统计51 表 4.1 正交 试验 极差 分析 表. 48 表 4.2 不同 加工 参数 组合 的缝宽 和侧 面斜 度 49X 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 注释表 v阴极 恒 定 进 给速 度 k 电解液 电导 率 cv阳极法 向溶 解速 度 U 阴极与 阳极 之间 的电 压a? 窄缝底面平衡间隙 ?E 阴极与

31、 阳极 极化 电位 值总 和 D阴极底 面 处 侧面 间隙 脉冲电 源占 空比 系数0窄缝底面间隙 金属材 料体 积电 化学 当量 b 窄缝 入 口处 侧面 间隙电解液 电流 效率 sud 窄缝缝宽 电解液 流速 0tanv窄缝 侧 面斜 度 水的粘 度系 数 Di 电流效 率 水力直 径hP P电解液 进口 压力 电解液 出口 压力0 1 XI 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 目前微 纳米加 工 的 尺度多在微米 级以下 ,普 通小 型 加工尺 度在 毫 米级 , 在 微 纳米和 普通 小型 中间 的这 段尺度范围 几 微米至 上百 微米称 作 mes

32、o scale 。 伴随 着工业产品 向微型 化 、 精益化 ,高 产能 化等 方 向发 展 , 在家 用电 器、 通 讯设 备 、 生物 医药 , 仪器 仪表 等 领域中 出现 越来越1多金属 微细 结构 , 其 中 很 大局部 尺度 在 meso scale 范围 。 例 如光 电通 信设 备中,激光 二极 管 LD2模块 所需的制作非 球面透镜用 模 具,其尺寸 小至0.1 1mm ; 进入 人体内检查的 医疗器械 和34管 道 自动 检测 装 置需 要的微 型 齿轮 、电 机 、传 感器和 控 制电 路; 计 算机 硬盘、 滑 动轴 承 ,5以及机械动密封 摩擦外表的微小凹坑和微 小沟

33、槽状结构 ,高速打印机喷嘴板、光纤连接器 、化纤喷 丝板 中的 微尺 度群 孔结构 等。 微尺度 缝、 槽作 为 meso scale 微细 加工 的典 型结 构, 广泛应用 在 航空 航天 、 光 学仪器 、 生67物 医 疗, 家用 电 器 和 精密模 具 等领 域中 , 并且 通常以 群 缝、 群槽 结 构出 现 。 例 如韩 国光 州科学技 术院 的 Kwang H.Oh 等人 将激 光加 工和 湿法 刻蚀技 术结 合 , 通 过对 激 光能量 , 激光 扫描速度, 刻蚀 工作液 浓度 的 调整, 显著 减轻群 缝由 于 激光高 能量 密度 产 生的 热 应力和 微裂 纹,最终加工 出

34、如 图 1.1 所示的 缝宽小 至 100um 、深度 达 几百微 米的 群缝 结构 ,并 在微型 热管 中得 到89应用 ;飞利浦公 司采 用 COMSOL 软件 对其 静刀 盖群缝 电化 学加 工进 行多 物理场 耦合 模 拟 , 图 1. 1 微型 热管 中的 群缝 结构 并将模 拟 参 数应 用 于静 刀 盖群缝 批量 生产, 结合 主 轴高频 往复 振动 进 给、 高 频窄脉 宽 等 技术,能够优 质 、 高效的 稳定 加 工出 图 1. 2 所示缝宽 250um 、 窄缝深 度 150um 500um 的静刀盖 群缝1011结构 ; 新加坡制造 研 究所 K.Ramesh 等人 通

35、过 研究工 作台 高速 反向 运动 , 对微 细磨 削中 磨削力 、 磨削效率 、 磨 轮 表 面 特 性 , 工 件 表 面 质 量 等 进 行 探 讨 , 在 铝 合 金 材 料 上 加 工 出 尺 寸 为1.5 mm 的群缝结 构。相较于 之前 微细 平面 磨削工艺, 群缝 外表 质量 和加工 效率 均有 所 1 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 12提高, 加工 群缝 结构 已应 用于某 小型 电子 设备 中 。 图 1. 2 剃须 刀静 刀盖 群 缝结构 1.2 微尺度缝、 槽加 工技术 微尺度 加工技术 是 实现 微 尺度缝 、槽结 构 加 工的 基 础 。目 前微

36、 尺 度缝 、槽 加 工,通常采用机械切 削加工与特 种加 工 。机械 切削 包括 高 速切 削 、 高速 钻削 、 高速 铣削 等 ;特种 加工 包括 微13细 电火 花成 形 、 快 速成 型 加工 、 小 功率 激光 加工 、 微细电 解加 工 , 复 合加 工 等 。 其中 , 加 工方法选择还 要结合 带 有缝 、槽结构零件尺 寸精 度、 材料性 能, 生产 批量 等要求统筹 考虑 。 1.2.1 机械 切削加工技术 高速钻 削加 工因 其操 作便 捷, 适用 性强 , 加 工经 济 性好 , 一 直是 孔、 缝等 的 常规 加 工方 法 。但钻削 加工 时,钻 头高 速 旋转使 得

37、工 件承受 较大 扭 转力矩 ,同 时工件 对钻 头 的反作 用 力 使得钻1415头产生 振 动和 偏 转 ; 需要使 用 专用 夹具 , 才能 保证钻 头 定心 精度 ; 切屑 产物难以 排出 ,导致钻头无 法及时 冷却 , 易产生 崩刃 。此外 , 为 了 到达较 高钻 削 效率 ,往 往 需要采用数 万转 每分钟 钻 头转 速 配合 单次较小进给 量 , 这对 机 床的 刚 性、 钻 头夹 持 装置 的稳定 性,机 床主 轴轴向进给精 度 等 的要求 较高。 虽然近年来 开展出 一些 新 的 高速 钻削 加工方 法, 能 够改善 钻头 冷却,促进排 屑、 断屑, 而且 加 工的质 量和

38、 精度也 有显 著 改善, 但 其 加工效 率仍 然 有待提 高。 目前,高速钻 削加 工可 应用 于不 锈钢、 黄铜 等材 料的 微小 直径深 孔加 工。 在高速 铣削加工 中 ,通 过 采用高 的进给 速 度 和小 的 铣削参 数 ,可 获得 较高 的 加工效率 和 尺寸精度 ;通过 CAM 软 件 生成加 工程 序来 控制 微型 铣刀 走 刀轨 迹 , 可实现复杂形状 缝、 槽结 构的加工 。 图 1.3 所示 为首 尔大学 的 Young-bong Bang 等人 采用 直径 200um 立 铣刀, 在 自 行研 制五轴数 控铣 床上 加工 出的 薄壁凸起结 构, 其相邻薄壁凸起 之间

39、 的窄 缝宽 度为 200um ,窄缝 深 度16为 650um 。 但 高速 铣削 加工受 工件 材料 影响 很大 , 对 于难 加工 材料 , 加 工 过程中 铣刀 不仅 耗损 严重 ,而 且易断 裂、 崩 刃 ,目 前高 速铣削 主要 用 于 加工 铝合 金、 不 锈钢 、 黄铜, 尼龙 等材料的 复杂 沟槽 结构, 但是 加 工出 的 型槽 边缘仍然存 在 难以完 全去 除的飞 边、 毛 刺,一 定程 度上影2 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 响了相关产品的 使用 性能 。图 1. 3 铣削 加工 的薄 壁凸起结构 1.2.2 微细电火花成形加工技术 微细电 火花成形加工是 基

40、 于电极 和工件 之间 高频 脉 冲性火 花放电 ,实 现工 件 材料 的 电蚀 去除 , 具 有脉 冲放电 持续 时 间极短 ,脉 冲放电 能量 密 度高, 不受 材料硬 度和 脆 性限制 等特 点,易120于实现 大深 宽比 型槽 的加工 。 图 1.4 所 示为 采 用微细 电火 花成 形加 工的 进口某 航空 发动 机17关键件 之一 的动 环, 其 中油 膜槽深 度尺 寸仅 为 0.015 0.0165mm , 加工精度 要求 极高 。 图 1.5a所示为 南京 航 空航 天大 学 鲁清等 人, 采用微 细电 火 花铣削 加工 工艺, 在单 晶 硅材料 上加 工的微18尺度切 缝,

41、切缝 宽度 仅为 0.24mm 。图 1.5b 所 示为 南京航 空航 天大 学赵 星等 人, 采 用微 细电19火花加 工技 术 加 工的 微流 量通道 ,其 中心 凸起 细轴 直径为0.36mm ,高度为 0.5mm 。图 1. 4 电火 花成 形加 工的 某关键 零部 件 ? 动环a 单晶硅 切缝b 微 流 量通道 图 1. 5 微细 电火 花加 工的 微型结 构 3 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 20目前 , 微 细电 火花 成形加工技术 因其 加工 效率 较低 , 而 加工 本钱 却很 高 , 通常应 用于 精度要求 较高 的窄 缝、 型槽 加工。 1.2.3 微

42、细电火花线切割技术 随着各种微结 构 需 求量 不 断增大 ,对微 细加 工技 术 的需求 也不断 增加 。 虽 然 近年来 ,诸 多新兴微 细加 工技 术 如电 液 束加工、UV-LIGA 、LIGA , 快速成 型 等亦 可代 替 微 细电火 花线 切割加工, 但电 火花 线 切割具有的适 用材 料范围 广, 加 工效率 高, 外表粗 糙度 好 等优点 , 使 其 成为21应用 性 较强 的 加 工技 术之 一 , 在航空航 天、 生物 医疗、 光学 仪器, 仪器 仪 表等诸 多领 域中 仍然 发挥 着 重 要作 用 。 微细电 极丝 线 切割 加工 , 其脉冲 能量小 ,表 面再 铸 层

43、和热 影响区 也较 小, 且 能够保 证良 好2223的 加 工 精 度 , 特别 适合 带有 窄 缝 、 型 槽 , 群 缝 、 群 槽 结 构 的 微 型 构 件 的 加工 。 台 湾 大 学Yunn-Shiuan Liao 等人 , 在 自行 研制 的微 细电 火花 线切割 加工 机床 上, 成功 制造出 带有 微型 齿22轮、复 杂古 塔 等 结构 的精 密微型 构件 ,图 1.6 所示 为加工 出的 复杂 古塔 结构 ,该古塔 结构 中包 含了 大量 形状 各异 的窄 缝、 型 槽结 构,且窄缝缝 宽小 至 100um 。 德国 Berkenboff 研究 机构 采24m 的窄缝结

44、构 。图 1. 6 微细 电火 花线 切割 加工的 古塔 结构 但目前 微细电 火花 线切 割 加工, 在高 深 宽比 三维 窄 缝、槽 等复杂 结构 加工 中 ,仍然 存在 着25电极耗 损严重, 脉冲 电源 利用率 低 等 问题 ; 在复 杂阵列 群缝 、 群 槽结 构的 加工中 , 电 火花 线切割加 工 需 要加 工 出 穿丝 孔 ,进 而 多 次穿 丝进 行加 工 ,仍 然存 在着 加工 效率 较低的 问题 。 1.2.4 激光加工技术 激光加 工 是指 将激 光光 束 聚焦在 工件上 ,并 以一 定 能量密 度 的 激 光脉 冲辐 射 对工件 材料 进行作用 的过 程, 可实现金

45、属 (超 硬质 合金 、 金 刚石 等超硬 材料 ) 、 非金 属 (皮 革、 亚 克力 、 有 机玻璃等 ) , 以及 其他 复合 材 料 的加工。 激光 因 其高 能 量 密度 , 高去 除速 度, 激 光参数 便于 调节 等特点 , 理论 上能够 适 用于 窄缝、 型 槽 的加 工。 但 由于 激光加 工是 一种 工件 材料 瞬间熔 化或 蒸发 ,并在冲 击波 作用下 将熔 融 产物排 出的 过程。 工件 表 面 容易 出现 严重的 变质 层 、微裂 纹 , 且 其加2627工 尺寸 精度 、 重 复精 度 , 外表粗 糙度 也难以 保 证, 很难满足窄 缝、 型槽 的精密加工 要求 。

46、4 南京航 空航 天大 学硕 士学 位论文 1.2.5 微细电解加工技术 微细电 解加工 技术 与常规 电解加 工技术 原理 相同 , 都是通 过向工 件阳 极、 工 具阴极 施加 外电压, 向阴 极、阳 极之 间 输入高 速流 动的电 解液 , 从而实 现阳 极材料 的溶 解 去除。 但其 加工间隙更小 (通 常小 于 100 um),阳极材 料去 除速 度 也更低,加 工间 隙内 也更 容易 堆积絮 状产 物和氢气泡 。通 过控制 微细 电 解加工 阳极 溶解过 程, 实 现阳极 加工 部位的 逐点 溶 解, 理 论上 可 实现28阳极材 料离子尺度去除 , 但 目前 该技 术难 度仍 然

47、 比拟大 。 近年 来 国 内外 窄 脉宽电源技 术的 深入研究 ,振 动进给 装置 的 广泛应用, 实现了 通过 控 制电源 参数 、电解 液参 数 、 进给 速度 参数 、振动频 率和 振幅参 数 来 稳 定控制 阳极 溶解过 程 , 促 进了微 细电 解加工 技术 在 微尺度 加工 领域 的2930应用 。 国外飞 利浦 公司 、德国 Wiba 公司,PEM 公司 均有 生 产不同 类型 的脉 冲电 流、 振动进 给加工设备 , 这 些设 备不 仅可 以实现 微尺 度窄 缝、 型槽 的加工 , 也 可以 加工 出精 密小型 及薄 型齿 轮、31型腔 。 国内华 南理 工大 学王建 业教

48、授等 人研 制 的 1000A 、10kHz 脉冲 电源 ,400A 、20kHz 精密脉冲 电源 ,均已 经投 入 到广东 怀集 汽车配 件厂 锻 模生产 和剃 须刀网 状刀 片 的多型 槽、 多微孔32的试生 产中 ,获 得良 好效 果 。 微尺度 窄缝 、型 槽的 电解 加工, 苏格 兰 格 拉斯 哥大 学 的 De Silva 等人 ,通 过 对电解 加工 参数与加 工精 度关系 的研 究 ,建 立 了微 尺度群 缝加 工 中缝槽 底面 和侧面 成形 规 律的数 学模 型,并33在同一 圆环 面上 成功 加工 出如图 1.7 所示 的高 精度 微尺度 群缝 和微 尺度 群孔 的复合 结

49、构 ,此外 De Silva 等人研 究了 脉 冲电源 脉宽 110ms 、 加工间隙1050um 情况下 加工参 数的 优化 模型,建 立了 极小间 隙的 电 解加工 规律 ,并采 用阵 列 微细筋 状凸 起工具 阴极 , 实 现微 尺度 群缝的6一次加工 成型, 其加工精度和稳定性可满 足批量生产的要求 。 飞利浦、松下等公司采用脉 冲电流、 振动 进给 技术 已成 功研制 出精 密电 动剃 须刀 静刀盖 全自 动流 水生 产线 ,以 4 个 工序 代 替7 34了原用 的数 十个 电火 花加 工工序 ,年 产量 达 到 310 片 。国内 南京 航空 航 天大学 的徐 惠宇图 1. 7

50、微细 群缝 和微 细群 孔复合 结构 等人研 究了 直流电 源、 低 浓度电 解液 、优化 加工 区 流场条 件下 ,整体 辐射 状 筋片阴 极、 微细金属丝缠 绕的 工具阴 极对 微 尺度群 缝加 工精度 、加 工 过程稳 定性 的影响 ,证 实 采用金 属丝 工具阴极加工 精度 明显优于片 状阴极, 但加工稳定性不 如片状阴 极,并采用片状 阴极加工 出如 图 1.8 5 微尺度 群缝 电解 加工 技术 应用基 础研 究 133536所示的 、缝 宽小 至 0.27mm 的直线状 微尺 度群缝 结 构 ; 哈尔滨工 业大 学的李 小海 等 人 , 图 1. 8 直线 状微 尺度 群缝 结构

51、 采用自 行 研 制的 多 功 能微 细电解 加工 平台 , 加 工出 如 图 1.9 所示 的槽 宽 50 m 100um 的微 槽结37构 ; 哈尔 滨工 业大 学的 李晓会 等人 , 通过 对窄 缝 直流电 解加 工工 艺的 研究 , 考 察了 电解 液浓38的微小 窄缝 。 西安 工业 大学的 赵志 等人 , 在电 液 束加工 小孔 的基 础上 , 开 发了一 种新 的用 于窄缝加 工的 射流电 解加 工 工艺, 通过 正交试 验对 加 工参数 进行 分析, 最终 成 功加工 出缝 宽小至390.1mm 的窄缝 。 相较于 国外微 尺度 窄缝 、 型 槽微 细电解 加工 技术 的发 展 , 国内相 关技 术研 究仍然处 于起 步阶 段 , 窄 缝 、 型 槽, 群缝 、 群槽 的电 解 加工工 艺试 验中 仍然 存在 着加工 效率 不高 、加工过 程不 够稳 定等 问题 , 制约 了微 细电 解加 工技 术在窄 缝、 型槽 等结 构工 业