微細電解加工發(fā)展方向全解

微細電解加工發(fā)展方向全解第1頁/共31頁特種加工理論與技術課程微細電解加工發(fā)展方向研究2015年12月3日第2頁/共31頁目錄超純水微細電解加工

微細電解群孔加工脈沖微細電解加工微細電解線切割加工電液束加工

第3頁/共31頁電液束加工最早是GE公司在20世紀60年代研究航空發(fā)動機葉片氣膜冷卻孔加工技術研發(fā)成功的。電液束加工是利用噴嘴噴出帶電的電解液進行加工的一種微細電解加工方法。圖1.航空發(fā)動機葉片中的橫向連通孔、干涉孔及深小孔第4頁/共31頁圖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0.3MPa~1.0MPa機理尚不清楚陽極金屬溶解+化學加工實際去除金屬量遠>>電化學作用去除的金屬量(法拉第定律)+化學作用對金屬去除量的總和一般認為，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、化學腐蝕和放電等多種因素復合作用電液束加工原理第5頁/共31頁圖3.電液束加工過程中輝光放電現(xiàn)象電解液在加工時產(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形成一層氣體膜，當電壓達到一定數(shù)值,氣體膜被擊穿,形成了氣液接觸輝光放電。電液束加工原理第6頁/共31頁圖4.微小孔電液束加工系統(tǒng)裝置實物圖電液束加工原理第7頁/共31頁電液束加工方式無進給——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150-850V有進給——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.電射流打孔示意圖第8頁/共31頁電液束加工工藝特點可達性好可實現(xiàn)無再鑄層、無微裂紋的小孔加工加工的孔進出口光滑,,加工表面粗糙度值低(一般為3.2～0.8μm)可加工出更小的孔：送進法-0.125mm,不送進法-0.025mm無應力，可切割薄壁零件圖7.電液束加工的深微孔（直徑40微米）第9頁/共31頁超純水微細電解加工背景：傳統(tǒng)電解加工的電解質具有腐蝕性

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上，利用超純水作電解液，并采用強酸性陽離子交換膜來提高超純水中氫氧根離子的濃度，使電流密度達到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法。第10頁/共31頁圖8.傳統(tǒng)電解加工示意圖超純水電解加工用超純水作電解液用強酸性陽離子交換膜提高超純水中氫氧根離子濃度加工原理電流密度純水超純水（強酸性陽離子交換膜）超純水（強酸性陽離子交換接枝聚合纖維）第11頁/共31頁圖9.離子通過膜電位差與電流密度關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第12頁/共31頁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第13頁/共31頁微細電解群孔加工微細群孔陣列：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構。圖a.噴絲板圖b.精細金屬濾網(wǎng)、篩分網(wǎng)圖11.微小群孔結構的應用實例第14頁/共31頁群孔加工方法比較加工方法優(yōu)點缺點精密機械加工生產(chǎn)效率、加工精度高；不受材料導電性能限制工具損耗；殘余應力；變形激光加工不受材料硬度影響；速度快、效率高小孔表面粗糙度差、存在一定錐度；存在熱影響區(qū)，工件易變形翹曲LIGA加工取材比較廣泛、能制造出高深寬比的微結構、可以制作復雜圖形結構工藝過程繁復、準備周期長、設備昂貴電火花加工不受材料剛度和強度限制；對工具的剛度和強度要求低存在熱影響區(qū)，薄壁件容易變形；加工效率低電液束加工具有可達性、表面完整性好，無切削應力定域性差，很難進行微小孔的加工掩膜電解加工高品質、無應力膠膜不能重復使用，加工成本高表1.群孔加工方法比較第15頁/共31頁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氧化還原反應：陽極（工件）表面金屬原子失電子成為陽離子進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，保證加工正常進行。第16頁/共31頁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同時沖刷加工區(qū)域加工區(qū)域的深度只有單面加工的一半第17頁/共31頁陰極活動模板雙面電解加工特點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)單面加工時所加工群孔

(b)雙面加工時所加工群孔

圖14.加工方式不同對群孔精度的影響

第18頁/共31頁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：減小加工電壓第19頁/共31頁脈沖微細電解加工該工藝產(chǎn)生于20世紀80年代，荷蘭菲利浦公司采用此種工藝技術，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。圖15.荷蘭菲利浦公司脈沖電解加工電動剃須刀的靜刀片第20頁/共31頁脈沖微細電解加工原理圖16.脈沖微細電解加工示意圖脈沖微細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,使工件陽極在電解液中發(fā)生周期斷續(xù)的電化學陽極溶解。它利用脈間的斷電間歇去極化、散熱,使間隙的電化學特性、流場、電場恢復到起始狀態(tài)。這種瞬時的通、斷電過程導致電解加工間隙過程一系列物理、化學特性的改變，原理圖如右圖16所示.第21頁/共31頁脈沖微細電解加工實例圖17.直徑4μm的微細工具電極圖18.寬度10μm微槽采用電極直徑為4μm（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）。第22頁/共31頁脈沖微細電解加工藝特點

除了具有傳統(tǒng)電解加工特點，還具有以下自身的工藝特點微細電解加工由于加工尺寸微小，對加工設備的精度要求高，加工進給速度很慢，且對進給精度要求較高。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0．1～0.5，因此加工效率低。微細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。第23頁/共31頁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、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第24頁/共31頁微細電解線切割加工是微細電解和線切割相結合的一種加工，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理,通過線電極的數(shù)控運動將工件切割加工成形的。圖19.

微細電解線切割加工實例(國外)微細電解線切割第25頁/共31頁圖20.

加工原理圖圖21.

加工間隙狀態(tài)示意圖

微細電解線切割加工原理第26頁/共31頁懸臂梁結構（縫寬160m，深寬比31）曲縫結構（縫寬350m，深寬比57）實現(xiàn)了大深寬比結構的電化學線切割（南航）花鍵結構（縫寬160m，深寬比31）十字鍵結構（工件厚度20mm）微細電解線切割實例第27頁/共31頁

微細電解線切割加工技術是最近出現(xiàn)的一種微細加工新方法，它不但擁有微細電解加工的所有優(yōu)點，而且還有其自身的特點：①由于其工具電極為線電極，有望實現(xiàn)普通微細電解加工很難實現(xiàn)的高深寬比結構。②工具電極的形狀簡單，比普通微細電解加工更容易進行間隙實時控制。加工工藝特點第28頁/共31頁（1）脈沖寬度對加工工藝的影響。不同脈沖寬度下的側面間隙大小如圖22所示，從圖23可知，當電壓幅值不論是4V還是5V，側面間隙都隨著脈沖寬度的增大而增大。（2）線電極進給速度對側面間隙的影響。（3）線電極直徑大小會影響加工精度，為提高精度，應盡可能減小線電極的直徑。（4）加工間隙內的電解產(chǎn)物會影響加工精度。圖22.

脈沖寬度對側面間隙的影響圖23.

進給速度對側面間隙的影響加工影響因素第29頁/共31頁參考文獻[1]賈繼欣.基于鹽溶液的微小孔電液束加工技術研究[D].南京航空航天大學,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].航空制造技術,2001,06:25-27.[3]唐岳,羅紅平,吳明,孫濤濤,尹瀟靚.電液束加工的發(fā)展與應用[J].電加工與模具,2015,S1:11-15+20.[4].王賀賓,微細電解加工技術研究現(xiàn)狀與展望[J].組合機床與自動化加工技術,2011(4):108~112.[5].鮑懷謙,徐家文,超純水電解加工機理及工藝基礎[J].化工學報,2006,57(3):626~629.[6].李穎,超純水微細電解加工的基礎研究[D],南京:南京航空航天大學[7]劉金國,曲寧松,李寒松,等.活動陰極模板電解加工微小群孔的研究[J].電加工與模具，2010(3):33-37.[8]劉建,朱荻,曲寧松,等.金屬薄板微小群孔掩膜電解加工技術研究[J].電加工與模具，2008(3):37-63.[9]董德生,曾偉梁,杭觀榮,等.群孔的微細電火花加工技術研究[J].電加工與模具，2006(2):47-49.[10]李冬林.模板電解加工群孔基礎研究及應用[D].南京:南京航空航天大學,2010.[11]王磊.微細群孔電解加工關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2007.[12]孫毅.活動模板微小群孔電解加工技術研究[D].南京:南京航空航天大學,2009.[13]丁成偉.高頻窄脈沖微機理的研究細電解加工[D].濟南：山東大學，2008[14]張朝陽，朱荻，王明環(huán).納秒脈沖微細電化學加工的理論及試驗[J].機械工程學報,2007,43(1):208~212[15]韓子平.脈沖微細電解加工技術研究[D]