脉冲微细电解加工技术研究

论文摘要

电解加工（electrochemical machining,ECM）是一种利用金属阳极电化学溶解原理将零件加工成型的特种加工方法。它将工件材料以离子形式去除,具有工具无损耗、加工材料范围广、加工表面质量好等优点。发展微细电解加工技术,必须解决分布电场产生的杂散腐蚀问题,增强电化学反应的定域性,提高加工精度,使其满足微细加工的要求。本文通过对脉冲微细电解加工等效电路的分析,得出了电解加工极化过程中电极电位与充电时间的关系;根据电化学极化的巴特勒-伏尔摩方程和法拉第定律,建立了脉冲微细电解加工电流密度和加工速度的理论模型;并从理论上分析了采用纳秒脉冲电源能够实现微细电解加工的可行性以及电解液对脉冲微细电解加工的影响。制作了纳秒脉冲电源,采用功率放大电路直接将波形发生器的脉冲波放大,并过滤负脉冲波,可以得到最高频率5MHz、最小稳定输出脉宽100ns的脉冲方波。该电源输出电压0～10V,占空比0.1～0.5连续可调,能满足微细电解加工的要求。采用电化学腐蚀法在线制作微细电极,解决了该方法制作电极产生倒锥的问题,并成功制作出直径16μm,长度500μm的均匀圆柱电极;使用钻头作为电极,则可加工出微细螺旋电极,并成功制作出直径80μm,长度3mm的螺旋电极。根据线电极电火花磨削（WEDG）制作微细轴的原理,提出了线电极电解加工微细电极的方法,并成功制作出直径52μm,长度800μm的均匀圆柱电极。采用纳秒级脉冲电源进行微细电解加工实验。研究电源参数（加工峰值电压、脉宽、占空比）和电解液（电解液成分、浓度）对加工间隙、孔的锥度及加工表面质量的影响。通过实验可以得出:采用低加工电压、窄脉宽、小占空比及低浓度钝性电解液可以有效地减小加工间隙,增强电化学反应的定域性,提高加工精度,实现微细加工。使用螺旋电极和圆柱电极分别进行孔和槽的加工实验,由于螺旋电极的螺旋结构有利于排出加工中的电解产物,更新间隙内的电解液,在加工速度和加工间隙方面明显优于圆柱电极。对减小孔加工的锥度也进行了实验研究,通过加工完成后延长加工时间及使用螺旋电极加工的措施,孔的锥度得到了显著地改善,但却无法消除。利用针筒电极成型反拷加工出直径为0.56mm的圆台,且形状精度很好;采用电解铣削加工出190×190μm凸台及最小宽度为14μm,长1mm的悬臂梁,实现了微小结构的加工。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微细加工技术的种类及发展
• 1.2.1 超精密机械微细加工
• 1.2.2 LIGA和LIGA-like技术
• 1.2.3 高能束流微细加工技术
• 1.2.4 微细电火花技术
• 1.3 微细电解加工技术国内外现状
• 1.3.1 掩膜微细电解加工
• 1.3.2 约束刻蚀剂层方法
• 1.3.3 基于扫描探针显微术的微细电解加工技术
• 1.3.4 微细电解线切割加工技术
• 1.3.5 脉冲微细电解加工技术
• 1.4 课题研究概况
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究的目的和意义
• 1.4.3 研究的内容
• 第二章 脉冲微细电解加工原理
• 2.1 电解加工技术原理
• 2.2 脉冲微细电解加工的特点
• 2.3 脉冲微细电解加工理论模型
• 2.3.1 脉冲微细电解加工电极电位模型
• 2.3.2 脉冲微细电解加工电流密度及加工速度模型
• 2.4 脉冲微细电解加工机理
• 2.4.1 脉冲电源参数对微细电解加工的影响
• 2.4.2 电解液对微细电解加工的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 纳秒脉冲电源制作
• 3.1 实验装置
• 3.2 纳秒脉冲电源制作
• 3.2.1 直接功率放大型纳秒脉冲电源
• 3.2.2 直流加斩波式纳秒脉冲电源
• 3.3 本章小结
• 第四章 微细电解工具电极制作
• 4.1 微细电解加工方法
• 4.2 微细电极制作方法及发展现状
• 4.2.1 电火花加工微细电极
• 4.2.2 电化学加工微细电极
• 4.3 电化学腐蚀法制作微细电极
• 4.3.1 电化学腐蚀法制作微细电极原理
• 4.3.2 解决微细电极倒锥的方法
• 4.3.3 电化学腐蚀法制作微细电极电场仿真
• 4.4 线电极电解加工法制作微细电极
• 4.5 本章小结
• 第五章 脉冲微细电解加工实验研究
• 5.1 实验研究的评价指标
• 5.1.1 加工间隙
• 5.1.2 加工速度
• 5.1.3 加工锥度
• 5.2 电源参数对加工质量的影响
• 5.2.1 峰值电压对加工质量的影响
• 5.2.2 脉宽对加工质量的影响
• 5.2.3 占空比对加工质量的影响
• 5.3 电解液对加工质量的影响
• 5.3.1 单一钝性电解液对加工质量的影响
• 5.3.2 复合电解液对加工质量的影响
• 5.4 电极形状对加工质量的影响
• 5.4.1 电极形状对孔加工的影响
• 5.4.2 电极形状对槽加工的影响
• 5.5 微孔加工实验研究
• 5.5.1 加工时间对孔锥度的影响
• 5.5.2 螺旋电极对孔锥度的影响
• 5.5.3 微孔加工
• 5.6 微槽加工
• 5.7 微结构加工
• 5.8 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢