（机械制造及其自动化专业论文）镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究.pdf

i i 一卜、 ；j耳-1 酚气_，卜习。挚， i i ， n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho nm i c r oe l e c t r o - _ c h e m i c a lm i l l i n go fn i c k e l b a s es u p e r a l l o y s a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y y uh o n g b i n g a d v i s e db y p r o f z h ud i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a y , 2 0 1 0 j 一 1 唼 i ， 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，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、缩印或其它复制 手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： ， j 、 ， 4，l；， 7 一 ! ： ，r 蠢 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着科技的发展，各行各业对微细结构和微细部件的需求正快速增长。但在能源与航空航 天领域，一般金属材料难以承受恶劣的工作环境，应用在该领域的微细部件需采用高性能金属 材料，如镍基高温合金。目前，镍基高温合金的微细加工方法主要有机械加工、电火花加工和 三维微焊接技术等，微细电解加工方法因具有表面质量好、无再铸层等优点，正成为研究者关 注的热点。 本文以镍基高温合金g h 3 0 3 0 为研究对象，研究了各种参数对微细电解铣削过程中加工精 度和加工稳定性的影响，主要完成了以下工作： ( 1 ) 建立了微细电解分层铣削加工的模型，搭建了微细电解铣削加工工艺系统，设计了电 极夹具和电解液流动方式，对电极对刀做了改进和优化。 ( 2 ) 针对单阶电极形状精度难以控制以及强度不高的缺点，本文提出了多阶柱状电极的电 化学制备方法，并建立了其制备过程的数学模型，研究了电压、电流密度、浸入深度之间的关 系，成功制备了多阶柱状电极。 ( 3 ) 在g h 3 0 3 0 上进行了微槽的电解铣削加工工艺试验，研究了影响加工精度和加工稳定 性的主要因素，分析了加工电压、脉冲宽度、脉冲周期、电极直径、电解液浓度等对加工的影 响规律。根据理论模型，本文应用了薄分层电解铣削的新工艺，研究了每层铣削厚度对起始点 形状精度、加工稳定性及加工效率的影响，并对参数进行了优化，采用优化的参数成功加工出 三维微型腔。 关键词：镍基高温合金；微细电解n t ：；多阶柱状电极：分层铣削；三维微型腔 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o rm i c r os t r u c t u r e sa n dc o m p o n e n t si sr a p i d l y i n c r e a s i n gi nd i v e r s ei n d u s t r i e s h o w e v e r , c o m m o nm a t e r i a lc a n n o tw o r ki ns e v e r ee n v i r o n m e n t si n t h ef i e l d so fe n e r g ya n da e r o s p a c e t h em i c r oc o m p o n e n t su s e di nt h e s ef i e l d sn e e dh i g l ip e r f o r m a n c e m e t a lm a t e r i a l s ，s u c ha sn i c k e l b a s es u p e r a l l o y s c u r r e n t l y , n i c k e l b a s es u p e r a l l o y sa l em a i n l y m i c r o m a c h i n e db ym e c h a n i c a lm a c h i n i n g ，m i c r o e d m ，3 dm i c r ow e l d i n g m i c r o - e l e c t r o c h e m i c a l m a c h i n i n g ( m i c r o - e c m ) i sb e c o m i n ga ni n t e r e s t i n gr e s e a r c hf o ri t sg o o ds u r f a c eq u a l i t ya n d n or e c a s t l a y e r i nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fm i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n go ng h 3 0 3 0w a ss t u d i e d t h e e f f e c t so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r so nt h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yd u r i n gt h ep r o c e s sw e r ed i s c u s s e di n d e t a i l - r e s e a r c hw o r k sw e r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em o d e lo fe l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n gb yl a y e rw a sb u i k a ne x p e r u n e n t a ls y s t e mo fm i c r o e l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n gw a sb u i l t ，i n c l u d i n ge l e c t r o d ef i x t u r e ，e l e c t r o l y t ec i r c u l a t i o ns y s t e ma n d o p t i m i z e dt o o ls e t t i n gs y s t e m ( 2 ) b e c a u s et h es i n g l es t e pe l e c t r o d ew a sl o w i ni n t e n s i t y , a n di tw a sd i f f i c u l tt oc o n t r o li t ss h a p e p r e c i s i o n ，t h ea u t h o rp r o p o s e da ne l e c t r o c h e m i c a lm e t h o do fm u l t i - s t o pe l e c t r o d ea n db u n tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g e ，c u r r e n td e n s i t y , i m m e r s i o nd e p t hw a ss t u d i e d m u l t i s t e pe l e c t r o d e sw e r ef a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l y ( 3 ) as e r i e so fe x p e r i m e n t sa b o u tm i c r og r o o v e so ng h 3 0 3 0w e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h e i n f l u e n c eo ft h ep r e d o m i n a n tp a r a m e t e r ss u c ha sm a c h i n i n gv o l t a g e ，p u l s eo n - t i m e ，p u l s ep e r i o d , e l e c t r o d ed i a m e t e ra n dt h ee l e c t r o l y t eo nm a c h i n i n ga c c u r a c ya n ds t a b i l i t y t h en e w p r o c e s so fm i c r o e l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n gb yl a y e rw a se x p l o r e da c c o r d i n gt ot h em o d e l r e s e a r c h e so ns h a p ep r e c i s i o n , m a c h i n i n gs t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yb yt h et h i c k n e s so fs i n g l el a y e rw e r et a k e n 3 dm i c r os t r u c t u r e w a sm a c h i n e db yo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：n i c k e l b a s es u p e r a l l o y s ；m i c r oe l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ；m u l t i - s t e pe l e c t r o d e ； e l e c t r o c h e m i c a lm i l l i n gb yl a y e r ；3 dm i c r os t r u c t u r e j 。 小 + 、。j ：j7j ；， ? 爹。 i叠譬羁 ，嚣o，： ，僧。“心4 。 ， 。：00；，0、 南京航空航天大学硕士学位论文 录 第一章绪论1 1 1 高温合金简介及镍基高温合金的性质和用途1 l ，1 1 高温合金分类及应用。1 1 1 2 镍基高温合金2 1 1 3 镍基高温合金在微细领域的应用前景2 1 2 微细加工技术的研究与发展3 1 2 1 超精密机械微细加工技术。4 1 2 2 硅微细加工技术4 1 2 3l i g a 技术4 1 2 4 微细电火花加工技术6 1 2 5e f a b 技术6 1 2 6 微细高能束流加工技术7 1 3 微细电解加工技术的研究与发展9 1 3 1 掩模微细电解加工9 1 3 2 电液束微细电解加工。9 1 3 3c e i t 技术1o 1 3 4 扫描探针微细电化学加工技术l l 1 3 5 脉冲电流微细电解加工1 l 1 4 课题来源、研究意义及本文主要研究内容k 。1 4 1 4 1 课题来源和研究的目的及意义1 4 1 4 2 本文的主要研究内容1 5 第二章微细电解铣削加工理论基础1 6 2 1 电解加工的基本原理1 6 2 1 1 法拉第定律1 6 2 1 2 电解加工速度1 7 2 1 3 平衡间隙18 2 2 纳秒脉冲微细电解加工的机理研究。l8 2 2 1 实现微细电解加工的基本技术条件1 8 2 2 2 纳秒脉冲微细电解加工的机理研究1 9 i i i 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 2 3 微细电解铣削加工理论建模2 0 2 4 本章小结2 5 第三章微细电解铣削加工工艺系统2 6 3 1 机床主体结构2 6 3 1 1 机床主体2 6 3 1 2 伺服进给系统2 7 3 1 3 电极夹具2 8 3 2 加工检测与控制系统2 9 3 2 1 总体设计2 9 3 2 2 轨迹控制3 0 3 2 3 加工控制系统3 l 3 3 电解液系统3 3 3 4 本章小结：。3 4 第四章微细工具电极的制备3 5 4 1 微细电极的制备原理3 5 4 2 单阶与多阶电极的强度分析3 8 4 3 多阶柱状电极的制备4 0 4 3 1 多阶柱状电极的理论建模4 l 4 3 2 多阶柱状电极试验与分析。_ 二“。：4 6 4 3 3 理论模型对电极制备过程的指导流程4 8 4 3 4 部分电极图片4 9 4 4 本章小结5 2 第五章镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究5 3 5 1 电解液的选择5 3 5 2 加工参数对加工结果的影响5 3 5 2 1 加工电压对加工结果的影响5 4 5 2 2 脉冲宽度对加工结果的影响5 7 5 2 3 脉冲周期对加工结果的影响5 9 5 2 4 电极直径对加工结果的影响6 1 5 2 5 电解液浓度对加工结果的影响6 3 5 3 薄分层电解铣削策略：6 5 5 3 1 铣削层厚度对起始点形状精度的影响6 6 i v r 一 j ， ： 南京航空航天大学硕士学位论文 5 3 2 铣削层厚度对稳定加工的影响6 7 5 3 3 铣削层厚度对加工效率的影响6 8 5 4 典型型腔加工实例6 9 5 5 本章小结一j 7 0 第六章总结与展望。7 l 6 1 本文工作总结7 l 6 2 未来工作展望7 l 参考文献7 2 致谢7 6 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 7 v 斟蟹墨 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 图表清单 图1 1 国外研制的微型航空器3 图1 2 超精密机械铣削加工的微槽4 图1 3l i g a 技术的工艺流程5 图1 4l i g a 技术加工出的微结构5 图1 5 微细电火花加工的微结构6 图1 6e f a b 技术的工艺路线及加工实例7 图1 7 激光加工的微结构8 图1 8 掩模微细电解加工出的微细结构9 图1 9 电液束微细电解加工j 1 0 图1 1 0c e l t 技术加工出的微细图形1 1 图1 1 l 脉冲电流微细电解加工出的微细群缝结构1 2 图1 1 2 纳秒脉冲微细电解加工的微细结构1 3 图1 1 3 韩国学者加工出的微细电极和微细结构j 1 3 图1 1 4 南京航空航天大学加工的电极丝及微结构1 4 图2 1 电解加工原理简图。1 6 7 陶2 2 电化学极化的电极等效电路。，。_ 1 9 图2 3 电极电位随时间的变化。1 9 图2 4 纳秒脉冲的极间等效电路图。2 0 图2 5 微细电解铣削加工示意图2 l 图2 6 竖直进给加工示意图。2 1 图2 7 平面铣削加工示意图2 3 图3 1 微细电解铣削加工机床结构图2 6 图3 2 微细电解铣削加工机床图2 7 图3 3m 系列直线位移控制工作台2 8 图3 4 伺服进给机构的闭环控制结构图2 8 图3 5 电极夹具造型图和实物图2 9 图3 6 微细电解铣削加工控制系统图。3 0 图3 7 加工轨迹控制流程图3 0 图3 8 加工系统总体方案j 。3 1 v i ， 一h _ 二 矗溢霪程撬墟露罐堆m嶝?! j j ； 建 。 j 审 i 魂 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 9 控制软件界面3 2 图3 1 0 对刀示意图3 2 图3 1 1 轴向冲液示意图3 3 图4 1 电化学腐蚀法制备微细电极原理图。3 6 图4 2d e - - - d s 示意图3 6 图4 3d e - d s 随时间的变化关系3 7 图4 4 电流密度随时间的变化关系- 3 7 图4 5 单阶柱状电极3 8 图4 6 受冲击变形的电极3 8 图4 7 电极受力分析对比3 9 图4 8 多阶柱状电极加工示意图柏 图4 9 刻蚀过程中的电极坐标变化4 2 图4 1 0 刻蚀过程中的直径变化率4 3 图4 1 1 尖锥和纺锤状电极4 4 图4 1 2 浸入深度随时间的变化关系4 5 图4 1 3 加工电流随时间的变化关系4 5 图4 1 4 电压随浸入深度的变化关系4 7 图4 1 5 电流密度随浸入深度的变化关系4 7 图4 1 6 数学模型对电极制备过程的指导流程4 8 图4 1 7 末端平整的三阶柱状电极4 9 图4 1 8 二阶柱状电极5 0 图4 1 9 三阶柱状电极5 0 图4 2 0 四阶柱状电极5 1 图4 2 1 五阶柱状电极5 l 图4 2 2 六阶柱状电极5 1 图5 1 加工间隙测量示意图5 4 图5 2 加工电压对加工间隙的影响。5 5 图5 3 加工电压对加工稳定性和表面质量的影响5 6 图5 4 不同加工电压下加工的微槽5 6 图5 5 脉冲宽度对加工间隙的影响。5 8 图5 6 脉冲宽度对加工稳定性和表面质量的影响5 8 图5 7 不同脉冲宽度下加工的微槽5 9 1 ，i，、-蘑盏影0 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 图5 8 脉冲周期对加工间隙的影响6 0 图5 9 脉冲周期对加工稳定性和表面质量的影响。6 0 图5 1 0 不同脉冲周期下加工的微槽6 l 图5 1 1 电极直径对加工间隙的影响6 2 图5 1 2 电极直径压对加工稳定性和表面质量的影响6 2 图5 1 3 不同电极直径下加工的微槽6 3 图5 1 4 电解液浓度对加工间隙的影响“ 图5 1 5 电解液浓度对加工稳定性和表面质量的影响6 4 图5 1 6 不同电解液浓度下加工的微槽6 5 图5 1 7 铣削层厚度对形状精度的影响6 6 图5 1 8 方螺线结构和曲线螺线结构6 7 图5 1 9 铣削层厚度对进给速度及加工稳定性的影响6 7 图5 2 0 方腔铣削加工试验6 8 图5 2 1 铣削层厚度对材料蚀除率的影响6 9 图5 2 2 薄分层电解铣削加工出的微三维结构7 0 表5 1g h 3 0 3 0 化学成分表：5 3 表5 2 不同加工电压下的加工结果，5 5 表5 3 不同脉冲宽度下的加工结果。5 7 表5 4 不同脉冲周期下的加工结果。5 9 表5 5 不同电极直径下的加工结果6 2 表5 6 不同电解液浓度直径下的加工结果。6 4 v i i i 学硕士学位论文 注释表 物理意义 物质质量 元素的质量电化学当量 电量 电流强度 加工时间 法拉第常数 相对原子质量 化合价 工件蚀除速度 电流效率 元素的体积电化学当量 电流密度 加工间隙 电解液电导率 端面间隙 阴极进给速度 过电位 稳态过电位 时间常数 等效电路电阻 脉冲宽度 交换电流密度 传递系数 电流密度 气体常数 电解液温度 脉冲周期 阳极溶解速度 n 瞄 8 31 4 4 7 2 j k m o l 。c p s m m s i x o 眦 立 m 靴 gc a s 僦 砂 崎 ： 艺。岬警：三一 r， 1 i 了壮 m 七 q ， ， f 彳 刀 可 ， 仃 4 y 缈 f r o ， 口 ， r 丁 0 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 x 加工平衡间隙 阴阳极电极电位值总和 阴极进给速度 进口处侧壁间隙 电极进给深度 槽宽 电极直径 侧面间隙 材料蚀除率 p m v n l i “s p m p m p m p m p m p r o k犯也易s d 4 1 1 高温合金简介及镍基高温合金的性质和用途 高温合金是指以铁、镍、钴为基体，能在6 0 0 以上的高温及一定应力作用下长期工作的 一类金属材料，其具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂 韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可 靠性，且高温合金的合金化程度较高，又被称为“超合金”，是广泛应用于航空、航天、石油、 化工、舰船的一种重要材料【1 】o 1 1 1 高温合金分类及应用 高温合金按基体成分可分为三大类： ( 1 ) 铁基高温合金，该合金主要以铁为主，含有大量的n i 、c r 及其它元素，也称为f e - n i - c r 基合金。 ( 2 ) 镍基高温合金，该合金主要以n i 为主，一般含有1 0 2 5 的c r ，也称为n i - c r 基合金。 ( 3 ) 钴基高温合金，该合金主要成分为c o ，也称为c o - n i - c r 基合金。 高温合金性能主要取决于合金成分和它的组织结构，如难熔金属元素m o 、w 以及c o 起到 固溶强化作用，砧、t i 、n b 等7 相形成元素起到析出强化作用。一般认为，强化效果应该计算 w + m o 和佣形成元素的总量，而c o 和c r 居于次要地位，合金的持久强度随着合金元素总量 的增加而提高。高温合金组织中，特别重要的是析出相的类型、结构、形状、大小、数量和其 分布情况，它们直接影响了高温合金的性能。如佣和1 ，相是高温合金中主要的强化相。另外， 碳化物也是高温合金中重要的强化相，常见的碳化物有m c 、m 2 3 c 6 、m 7 c 3 、m 6 c 等，所有这 些碳化物的大小、形状、数量及其分布都可以通过热处理进行调节和控制。 从2 0 世纪3 0 年代后期起，欧美各国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满 足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。涡轮叶片是航空飞机 涡轮喷气发动机的关键部件，它须在非常严酷的环境下运行。涡轮喷气发动机工作时，从大气 中吸入空气，经压缩后在燃烧室与燃料混合燃烧，然后被压向涡轮。涡轮叶片和涡轮盘以每分 钟上万转的速度高速旋转，燃气被喷向尾部并由喷筒喷出，从而产生强大的推力。在燃气涡轮 旋转叶片流入的气体温度越高，发动机推力也就越大。1 9 4 0 年，美国用超高温合金作为涡轮叶 片的第一批喷气发动机取代了活塞式发动机，标志着航空工业进入了新的历史时期。4 0 年代以 后，人们为进一步提高合金的耐高温性能和强度，在镍基合金中加入钨、铝、钴等元素，增加 铝、铁含量，研制出一系列牌号的合金。正因为高温合金是一种能承受复杂应力并在相当严苛 的环境下进行高温工作的合金，它已经成为现代航空燃气涡轮、舰船燃气轮机、地面涡轮和火 1 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 箭发动机的重要材料，如压气机盘、压气机叶片、涡轮导向叶片、涡轮工作叶片、涡轮都是由 高温合金制成。在先进的航空发动机中，高温合金的用量占4 0 - 6 0 ，高温合金当之无愧地成 为燃气涡轮的心脏。 1 1 2 镍基高温合金 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动 机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以1 5 0 mp a - 1 0 0 h 持久强度为标准，目前镍基合金所能 承受的最高温度大于1 1 0 0 ，而钴基合金约为9 5 0 ，铁基合金小于8 5 0 ，即镍基合金相应 地高出1 5 0 至2 5 0 左右，所以人们称镍基高温合金为发动机的心脏。目前，在先进的发动机 上，镍基合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片 也开始使用镍基合金。与铁基合金相比，镍基合金的优点是：工作温度较高，组织稳定、有害 相少及抗氧化抗腐蚀能力强；与钻基合金相比，镍合金能在较高温度与应力下工作，尤其是在 动叶片场合。 镍基高温合金是各种金属材料中成分最复杂的合金，含有c r 、c o 、w 、m o 、n b 、t a 、a 1 、 t i 、h f , b 、z r 、v 、c 、c e 、m g 等十几种元素。其中铬在镍基高温合金中必不可少，一般含 量为8 x 广2 0 ，主要作用是生成表面c r 2 0 3 保护膜，防止合金高温氧化和腐蚀。c r 主要固溶于 基体，少量则形成m 2 3 c 6 型碳化物，对合金持久性能有一定影响。钻在合金中降低t i 、a l 的溶 解度，减少晶界碳化物析出，降低基体的堆垛层错能，起固溶强化作用，含量一般在1 0 2 0 。 钨和钼是提高高温强度的主要元素，它们固溶于基体。钼的强化效果大于钨，但随着温度升高， 钨的强化作用增大。w 、m o 促进m o c 型碳化物的形成，镍基高温合金钨和钼的总量约为1 0 。 铌和钽与碳的亲和力大，在合金中首先形成稳定的碳化物n b c 和t a c ：其次进入佣，促进y 相析出，延缓佣集聚长大。含n b 合金抗氧化性能下降，t a 却能提高抗氧化和热腐蚀能力。 铝和钛是形成佣( n i 3 a 1 t i ) 的主要元素，其含量多少决定佣析出总量，因而决定了合金高 温强度水平。目前高强度铸造镍基高温合金的触和t i 的含量约为1 0 ，佣量达到6 0 ( 体 积) 以上。铁的含量在合金中受到严格限制，一般要求在1 以下。 微量元素在镍基高温合金中应用更广，加入适量的b 、z r 和m g 可提高合金的塑性和加工 性能，增加持久寿命，降低蠕变速度，改善持久缺口敏感性。一般镍基高温合金中b 含量为 0 0 0 5 加0 1 5 ，z r 含量为0 0 5 - 0 1 0 ，m g 含量为0 0 0 5 - 0 0 1 5 2 。 1 1 3 镍基高温合金在微细领域的应用前景 近年来，随着科技的发展，电子、光学、医疗、汽车、生物、通信和航空电子行业对微细 部件和产品的需求正快速增长。但是在能源与航空航天领域，一般的材料难以承受诸如高温高 压、大机械应力、剧烈的滑动接触、腐蚀以及高强度辐射等恶劣的工作环境，限制了微细部件 2 南京航空航天大学硕士学位论文 在这些领域的应用。镍基高温合金具有热稳定性好，高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特 点，可有效解决上述难题。 在兵器行业，微小型武器系统在很多方面拓展了武器的作战效能和战场信息感知能力，因 而近年来得到了迅速发展，图1 1 所示为国外研制的微型航空器。微小型武器系统的实用化很大 程度上取决于其动力装置和执行机构中关键结构件的制造。由于受到高温高压和高载荷等应用 条件和环境的限制，往往需要采用包括镍基高温合金在内的高性能金属材料，且形状复杂，加 工困难。如在微型飞行器中，其推进、传动、操作等单元部件中包含有大量金属微型零部件， 传统方法难以加工。 。 图1 1 国外研制的微型航空器 1 2 微细加工技术的研究与发展 随着科学技术的快速发展，制造技术也在不断革新，一是向着制造系统高度自动化发展( 包 括自动化、柔性化、集成化、智能化等) ，二是精密微细加工技术的开发与应用。2 0 年来建立 在硅加工工艺基础上的m e m s 技术取得了巨大成功，m e m s 技术对航空、航天、兵器、水下、 汽车、信息、环境、生物工程、医疗等领域的发展正在产生重大影响，使许多工业产品发生质 的变化和飞跃。在微小型化技术领域，依据微机械的特征尺寸可将其划分为0 0 0 1 l m 的纳米 机械，0 0 0 1 一l m m 的微型机械和l 1 0 0 r a m 的小型机械；相应地依据零件特征尺寸可分为纳米 尺度( 0 1 1 0 0 n m ) 、微米尺度( o 1 1 0 0 p m ) 和介于宏微之间的中间尺度( o 1 1 0 0 m m ) p 叫。 经过各国科研机构的多年努力和探索，微细加工技术已经得到了长足的发展，研究范围涉 及到各种现代加工方式。目前，微细加工技术主要包括超精密机械微细加工技术、硅微细加工 技术、u g a 和准l i g a 技术以及特种微细加工技术等。 3 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 1 2 1 超精密机械微细加工技术 超精密机械微细加工技术是利用机械方法改变材料形状或逐层去除材料，以达到所需求的 形状及尺寸。如单晶金刚石刀具的车削与铣削、微细麻花钻的微钻孔技术和精微磨削技术等。 超精密机加工的主要特点在于可实现复杂三维形体的加工，目前已成功地制作出尺寸1 0 - - 1 0 0 p m 的微d , - - 维构件。图1 2 为德国k a r l s r u h e 研究中心f z k 研究所用微铣削的方法在铜材 - 和不锈钢材上分别加工出宽度小于5 0 “m 和1 0 0 p m 的微槽 7 1 。但该技术的加工效率普遍较低， 可达深宽比也较小。 ( a ) 铜材( b ) 不锈钢材 图1 2 超精密机械铣削加工的微槽 1 2 2 硅微细加工技术 硅是地球上储量最多的固态元素，单晶硅是m e m s 和微系统采用最广泛的材料。硅微细加 工技术工艺成熟，它来源于集成电路加工技术，是由集成电路的二维平面加工工艺发展而成的 微三维加工技术，主要包含( 1 ) 体硅微细加工技术，该技术通过光刻和刻蚀技术形成所需的微 结构，包括湿法刻蚀和干法刻蚀；( 2 ) 表面硅微细加工技术，该技术通过在基体上逐层添加材 料，然后局部去除来形成微结构，包括结构层和牺牲层的制备与腐蚀【扪。其特点是可以充分利 用集成电路工艺中大量成熟的工艺技术，缺点是加工出的微结构深度比较小【9 】。 1 2 3u g a 技术 l i g a 技术是2 0 世纪8 0 年代德国k a r l s r u h e 核研究中心发明的一种三维微细制造技术，它 在制造高深宽比金属微结构和塑料微结构方面具有独特的优势。l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e ( 光 刻) ，g a l a n o f o r m u n g ( 电铸) 和a b f o r m u n g ( 注塑) 三个单词的缩写，即用同步辐射x 射线进 行深度光刻、电铸成形和注塑成形综合制作的方法。l i g a 技术组合了光刻、微电铸、微注塑 技术，其工艺流程如图1 3 所示。 4 一 ， 剥模 充模 脱模 电铸 模体 模腔 模体 模材料 底盘 注入孔 箧汇汪耻塑料图形 金属 塑料图形 痉荚孔 完成l l _ _ m _ m 霎u t - 鑫嚣翥图形 图1 3l i g a 技术的工艺流程 l i g a 工艺可制作亚微米精度的复杂三维结构，可加工的材料也比较广泛，且有很好的垂 直度、平行度，制造精度很高。图1 4 所示为应用l i g a 技术加工的微结构。但是x 射线曝光 及x 射线掩模板等的加工费用昂贵、成本很高，另外其技术工艺过程复杂，加工时间较长，影 响加工精度和质量的因素多等缺点使l i g a 技术应用受到了一定得限制。为克服l i g a 工艺技 术的缺陷，国际上出现了准l i g a 技术的研究，如硅准l i g a 技术、紫外线深层光刻技术、紫 外线立体成形光刻技术、激光l i g a 技术等 w - n l 。这些技术利用其他辐射源替代x 射线曝光， 极大地降低了制造成本。 ( a ) 微叠状结构( b ) 微夹头结构 图1 4l i g a 技术加工出的微结构 5 镍基高温合金微细电解铣削加工试验研究 1 2 4 微细电火花加工技术 随着微型机械对制造技术的需要，微细电火花加工技术近年来取得了迅速的发展，在国防、 医疗、化学、仪器仪表等许多生产领域发挥了重要的作用【1 2 】。微细电火花加工技术( m i c r o - e d m ) 与传统电火花加工在物理过程上并无本质区别，均是在绝缘介质中通过两极之间的火花放电去 除导电材料及半导体材料的工艺方法。实现微细电火花加工的关键在于微小工具电极的在线制 作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测与系统控制等。由于微小电 极本身就极难甚至无法制作，所以利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工是不 ” 现实的，于是人们开始探索使用简单形状的电极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电 火花加工。图1 5 ( a ) 时比利时学者利用w e d g 技术制作的微电极在直径l m m 的不锈钢台面 上加工出的微型压气机；图1 5 ( b ) 为美国的c s a l d a n a 等人在镍基高温合金i n c o n e l 7 1 8 加 工出的直径1 s m m 左右的微齿轮 1 4 1 ；国内哈尔滨工业大学的赵万生教授等利用微细电火花的分 层铣削原理，加工出了l m m x 0 3 m m 0 1 8 m m 的三维微脸谱雕型”l ，如图1 5 (