微細(xì)電解加工發(fā)展方向

1、特種加工理論與技術(shù)課程微細(xì)電解加工發(fā)展方向研究2015年12月3日目錄超純水微細(xì)電解加工 微細(xì)電解群孔加工脈沖微細(xì)電解加工微細(xì)電解線切割加工電液束加工 電液束加工最早是GE 公司在20 世紀(jì) 60 年代研究航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜冷卻孔加工技術(shù)研發(fā)成功的。電液束加工是利用噴嘴噴出帶電的電解液進(jìn)行加工的一種微細(xì)電解加工方法。圖1.航空發(fā)動機(jī)葉片中的橫向連通孔、干涉孔及深小孔圖2.電液束加工示意圖電源：100-1000V 高壓直流電解液：濃度一般為 10%25%，壓力一般為0.3MPa1.0MPa機(jī)理尚不清楚l陽極金屬溶解+化學(xué)加工l實(shí)際去除金屬量遠(yuǎn)電化學(xué)作用去除的金屬量(法拉第定律)+化學(xué)作用對金屬去

2、除量的總和一般認(rèn)為，其材料去除是在高電位梯度和加工區(qū)域局部高溫條件下的電解作用、化學(xué)腐蝕和放電等多種因素復(fù)合作用電液束加工原理圖3.電液束加工過程中輝光放電現(xiàn)象電解液在加工時(shí)產(chǎn)生的熱量作用下被氣化,在射流束和小孔孔壁之間的微小空氣間隙內(nèi)形成一層氣體膜，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值 ,氣體膜被擊穿,形成了氣液接觸輝光放電。電液束加工原理圖4.微小孔電液束加工系統(tǒng)裝置實(shí)物圖電液束加工原理電液束加工方式l無進(jìn)給電噴射加工孔徑不受電極尺寸限制，可加工出很小的孔電壓150-850Vl 有進(jìn)給電射流打孔可加工孔間距更小的孔電壓100V左右，電解液壓力更大，最大壓力1.4Mpa圖5.電噴射加工示意圖圖6.電射流打孔示

3、意圖電液束加工工藝特點(diǎn)可達(dá)性好可實(shí)現(xiàn)無再鑄層、無微裂紋的小孔加工加工的孔進(jìn)出口光滑,加工表面粗糙度值低(一般為3.20.8m)可加工出更小的孔：送進(jìn)法-0.125 mm,不送進(jìn)法-0.025 mm無應(yīng)力，可切割薄壁零件圖7.電液束加工的深微孔（直徑40微米）超純水微細(xì)電解加工背景：傳統(tǒng)電解加工的電解質(zhì)具有腐蝕性 污染環(huán)境超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎(chǔ)上，利用超純水作電解液，并采用強(qiáng)酸性陽離子交換膜來提高超純水中氫氧根離子的濃度，使電流密度達(dá)到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法。圖8. 傳統(tǒng)電解加工示意圖超純水電解加工l用超純水作電解液l用強(qiáng)酸性陽離子交換膜提高超純水中氫氧根離子濃

4、度加工原理電流密度純水超純水（強(qiáng)酸性陽離子交換膜）超純水（強(qiáng)酸性陽離子交換接枝聚合纖維）圖9.離子通過膜電位差與電流密度關(guān)系圖水解離理論分析1區(qū)：歐姆區(qū)，電流密度與電位差關(guān)系滿足歐姆定律2區(qū)：電流密度穩(wěn)定，為極限電流密度，電阻增大3區(qū)：過極限電流區(qū)域，水解離產(chǎn)生氫氧根離子和氫離子加工影響因素超純水電解加工同常規(guī)電解加工一樣, 電流密度受到電場強(qiáng)度、溫度及氣泡率等因素的影響, 特別是氣泡率對于超純水電解加工的影響更大。圖10.超純水電解加工出 通孔示意圖微細(xì)電解群孔加工微細(xì)群孔陣列：在工件材料上加工出的數(shù)目眾多、直徑微小、軸線與工件表面垂直、均勻分布排列成陣列的密集微小孔結(jié)構(gòu)。圖a.噴絲板圖b.

5、精細(xì)金屬濾網(wǎng)、篩分網(wǎng)圖11.微小群孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例群孔加工方法比較表1.群孔加工方法比較陰極活動模板電解加工原理圖12.陰極活動模板電解加工原理示意圖電化學(xué)氧化還原反應(yīng)：陽極（工件）表面金屬原子失電子成為陽離子進(jìn)入電解液陰極表面氫離子得電子析出氫氣電解液高速流過，排出電解產(chǎn)物及熱量，保證加工正常進(jìn)行。陰極活動模板電解加工原理圖13.陰極活動模板雙面電解加工原理示意圖 雙面電解的加工間隙變小 電解液從兩側(cè)同時(shí)沖刷加工區(qū)域 加工區(qū)域的深度只有單面加工的一半陰極活動模板雙面電解加工特點(diǎn)工具電極無損耗加工效率高工具與工件不發(fā)生直接接觸，加工表面質(zhì)量好可加工材料范圍廣加工孔的錐度小可成型范圍寬(a) 單

6、面加工時(shí)所加工群孔(b) 雙面加工時(shí)所加工群孔圖14.加工方式不同對群孔精度的影響加工精度影響因素 加工間隙：增大加工間隙 電解液：降低電解液濃度 提高孔成形精度 加工電壓：減小加工電壓脈沖微細(xì)電解加工該工藝產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，荷蘭菲利浦公司采用此種工藝技術(shù)，成功研制出大批量加工此種類型的精密電動剃須刀（右圖1）的全自動流水生產(chǎn)線。脈沖微細(xì)電解加工是一種采用脈沖電流代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)直流電流的新型電解加工技術(shù) 。圖15.荷蘭菲利浦公司脈沖電解加工電動剃須刀的靜刀片脈沖微細(xì)電解加工原理圖16.脈沖微細(xì)電解加工示意圖脈沖微細(xì)電解加工的基本原理就是以周期間歇供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)直流供電,使工件陽極在電

7、解液中發(fā)生周期斷續(xù)的電化學(xué)陽極溶解。它利用脈間的斷電間歇去極化、散熱,使間隙的電化學(xué)特性、流場、電場恢復(fù)到起始狀態(tài)。這種瞬時(shí)的通、斷電過程導(dǎo)致電解加工間隙過程一系列物理、化學(xué)特性的改變，原理圖如右圖16所示.脈沖微細(xì)電解加工實(shí)例圖17.直徑 4m 的微細(xì)工具電極 圖18.寬度10m微槽采用電極直徑為 4m（圖17所示），電壓為4V，40ns 脈沖寬度，2MHz 脈沖頻率，0.05mol/L 的 HCl 電解液加工出的微槽（圖18所示）。脈沖微細(xì)電解加工藝特點(diǎn) 除了具有傳統(tǒng)電解加工特點(diǎn)，還具有以下自身的工藝特點(diǎn)微細(xì)電解加工由于加工尺寸微小，對加工設(shè)備的精度要求高，加工進(jìn)給速度很慢，且對進(jìn)給精度要

8、求較高。由于加工面積小、材料去除量少，一般使用脈沖電源提供加工能量，常用占空比為010.5，因此加工效率低。微細(xì)電解加工為了有效控制工件材料的定域蝕除，脈沖電源的脈寬達(dá)到納秒甚至皮秒級，加工峰值電壓小于10伏，且加工間隙較小，電解液也采用濃度較低的鈍性溶液。加工影響因素脈沖電源：減小脈沖寬度加工間隙：小間隙間，隙波動 控制在較小的范圍電極尺寸：直徑越細(xì)、長徑比 越大、圓柱度越好 電解液濃度：較低濃度有利于提高加工精度微細(xì)電解線切割加工是微細(xì)電解和線切割相結(jié)合的一種加工，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理, 通過線電極的數(shù)控運(yùn)動將工件切割加工成形的。圖19. 微細(xì)電解線切割加工實(shí)例(國外

9、)微細(xì)電解線切割圖20. 加工原理圖圖21. 加工間隙狀態(tài)示意圖 微細(xì)電解線切割加工原理懸臂梁結(jié)構(gòu)懸臂梁結(jié)構(gòu)（縫寬（縫寬160 m ，深寬比，深寬比31）曲縫結(jié)構(gòu)曲縫結(jié)構(gòu)（縫寬（縫寬350 m ，深寬比，深寬比57）實(shí)現(xiàn)了大深寬比結(jié)構(gòu)的電化學(xué)線切割（南航）花鍵結(jié)構(gòu)花鍵結(jié)構(gòu)（縫寬（縫寬160 m ，深寬比，深寬比31） 十字鍵結(jié)構(gòu)十字鍵結(jié)構(gòu)（工件厚度（工件厚度20mm） 微細(xì)電解線切割實(shí)例 微細(xì)電解線切割加工技術(shù)是最近出現(xiàn)的一種微細(xì)加工新方法，它不但擁有微細(xì)電解加工的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還有其自身的特點(diǎn)：由于其工具電極為線電極，有望實(shí)現(xiàn)普通微細(xì)電解加工很難實(shí)現(xiàn)的高深寬比結(jié)構(gòu)。工具電極的形狀簡單，比普通

10、微細(xì)電解加工更容易進(jìn)行間隙實(shí)時(shí)控制。加工工藝特點(diǎn)（1）脈沖寬度對加工工藝的影響。不同脈沖寬度下的側(cè)面間隙大小如圖22所示，從圖23可知，當(dāng)電壓幅值不論是4V 還是5V，側(cè)面間隙都隨著脈沖寬度的增大而增大。（2）線電極進(jìn)給速度對側(cè)面間隙的影響。（3）線電極直徑大小會影響加工精度，為提高精度，應(yīng)盡可能減小線電極的直徑。（4）加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物會影響加工精度。圖22. 脈沖寬度對側(cè)面間隙的影響圖23. 進(jìn)給速度對側(cè)面間隙的影響加工影響因素參考文獻(xiàn)1賈繼欣. 基于鹽溶液的微小孔電液束加工技術(shù)研究D.南京航空航天大學(xué),2011.2施文軒 ,張明歧 ,殷旻. 電液束加工工藝的研究及其發(fā)展J. 航空制造技

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