微细电解加工发展方向

1、特种加工理论与技术课程微细电解加工发展方向研究2015年12月3日目录超纯水微细电解加工 微细电解群孔加工脉冲微细电解加工微细电解线切割加工电液束加工 电液束加工最早是GE 公司在20 世纪 60 年代研究航空发动机叶片气膜冷却孔加工技术研发成功的。电液束加工是利用喷嘴喷出带电的电解液进行加工的一种微细电解加工方法。图1.航空发动机叶片中的横向连通孔、干涉孔及深小孔图2.电液束加工示意图电源：100-1000V 高压直流电解液：浓度一般为 10%25%，压力一般为0.3MPa1.0MPa机理尚不清楚l阳极金属溶解+化学加工l实际去除金属量远电化学作用去除的金属量(法拉第定律)+化学作用对金属去

2、除量的总和一般认为，其材料去除是在高电位梯度和加工区域局部高温条件下的电解作用、化学腐蚀和放电等多种因素复合作用电液束加工原理图3.电液束加工过程中辉光放电现象电解液在加工时产生的热量作用下被气化,在射流束和小孔孔壁之间的微小空气间隙内形成一层气体膜，当电压达到一定数值 ,气体膜被击穿,形成了气液接触辉光放电。电液束加工原理图4.微小孔电液束加工系统装置实物图电液束加工原理电液束加工方式l无进给电喷射加工孔径不受电极尺寸限制，可加工出很小的孔电压150-850Vl 有进给电射流打孔可加工孔间距更小的孔电压100V左右，电解液压力更大，最大压力1.4Mpa图5.电喷射加工示意图图6.电射流打孔示

3、意图电液束加工工艺特点可达性好可实现无再铸层、无微裂纹的小孔加工加工的孔进出口光滑,加工表面粗糙度值低(一般为3.20.8m)可加工出更小的孔：送进法-0.125 mm,不送进法-0.025 mm无应力，可切割薄壁零件图7.电液束加工的深微孔（直径40微米）超纯水微细电解加工背景：传统电解加工的电解质具有腐蚀性 污染环境超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础上，利用超纯水作电解液，并采用强酸性阳离子交换膜来提高超纯水中氢氧根离子的浓度，使电流密度达到足够去除材料的一种新型电解加工工艺方法。图8. 传统电解加工示意图超纯水电解加工l用超纯水作电解液l用强酸性阳离子交换膜提高超纯水中氢氧根离子浓

4、度加工原理电流密度纯水超纯水（强酸性阳离子交换膜）超纯水（强酸性阳离子交换接枝聚合纤维）图9.离子通过膜电位差与电流密度关系图水解离理论分析1区：欧姆区，电流密度与电位差关系满足欧姆定律2区：电流密度稳定，为极限电流密度，电阻增大3区：过极限电流区域，水解离产生氢氧根离子和氢离子加工影响因素超纯水电解加工同常规电解加工一样, 电流密度受到电场强度、温度及气泡率等因素的影响, 特别是气泡率对于超纯水电解加工的影响更大。图10.超纯水电解加工出 通孔示意图微细电解群孔加工微细群孔阵列：在工件材料上加工出的数目众多、直径微小、轴线与工件表面垂直、均匀分布排列成阵列的密集微小孔结构。图a.喷丝板图b.

5、精细金属滤网、筛分网图11.微小群孔结构的应用实例群孔加工方法比较表1.群孔加工方法比较阴极活动模板电解加工原理图12.阴极活动模板电解加工原理示意图电化学氧化还原反应：阳极（工件）表面金属原子失电子成为阳离子进入电解液阴极表面氢离子得电子析出氢气电解液高速流过，排出电解产物及热量，保证加工正常进行。阴极活动模板电解加工原理图13.阴极活动模板双面电解加工原理示意图 双面电解的加工间隙变小 电解液从两侧同时冲刷加工区域 加工区域的深度只有单面加工的一半阴极活动模板双面电解加工特点工具电极无损耗加工效率高工具与工件不发生直接接触，加工表面质量好可加工材料范围广加工孔的锥度小可成型范围宽(a) 单

6、面加工时所加工群孔(b) 双面加工时所加工群孔图14.加工方式不同对群孔精度的影响加工精度影响因素 加工间隙：增大加工间隙 电解液：降低电解液浓度 提高孔成形精度 加工电压：减小加工电压脉冲微细电解加工该工艺产生于20世纪80年代，荷兰菲利浦公司采用此种工艺技术，成功研制出大批量加工此种类型的精密电动剃须刀（右图1）的全自动流水生产线。脉冲微细电解加工是一种采用脉冲电流代替传统的连续直流电流的新型电解加工技术 。图15.荷兰菲利浦公司脉冲电解加工电动剃须刀的静刀片脉冲微细电解加工原理图16.脉冲微细电解加工示意图脉冲微细电解加工的基本原理就是以周期间歇供电代替传统的连续直流供电,使工件阳极在电

7、解液中发生周期断续的电化学阳极溶解。它利用脉间的断电间歇去极化、散热,使间隙的电化学特性、流场、电场恢复到起始状态。这种瞬时的通、断电过程导致电解加工间隙过程一系列物理、化学特性的改变，原理图如右图16所示.脉冲微细电解加工实例图17.直径 4m 的微细工具电极 图18.宽度10m微槽采用电极直径为 4m（图17所示），电压为4V，40ns 脉冲宽度，2MHz 脉冲频率，0.05mol/L 的 HCl 电解液加工出的微槽（图18所示）。脉冲微细电解加工艺特点 除了具有传统电解加工特点，还具有以下自身的工艺特点微细电解加工由于加工尺寸微小，对加工设备的精度要求高，加工进给速度很慢，且对进给精度要

8、求较高。由于加工面积小、材料去除量少，一般使用脉冲电源提供加工能量，常用占空比为010.5，因此加工效率低。微细电解加工为了有效控制工件材料的定域蚀除，脉冲电源的脉宽达到纳秒甚至皮秒级，加工峰值电压小于10伏，且加工间隙较小，电解液也采用浓度较低的钝性溶液。加工影响因素脉冲电源：减小脉冲宽度加工间隙：小间隙间，隙波动 控制在较小的范围电极尺寸：直径越细、长径比 越大、圆柱度越好 电解液浓度：较低浓度有利于提高加工精度微细电解线切割加工是微细电解和线切割相结合的一种加工，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理, 通过线电极的数控运动将工件切割加工成形的。图19. 微细电解线切割加工实例(国外

9、)微细电解线切割图20. 加工原理图图21. 加工间隙状态示意图 微细电解线切割加工原理悬臂梁结构悬臂梁结构（缝宽（缝宽160 m ，深宽比，深宽比31）曲缝结构曲缝结构（缝宽（缝宽350 m ，深宽比，深宽比57）实现了大深宽比结构的电化学线切割（南航）花键结构花键结构（缝宽（缝宽160 m ，深宽比，深宽比31） 十字键结构十字键结构（工件厚度（工件厚度20mm） 微细电解线切割实例 微细电解线切割加工技术是最近出现的一种微细加工新方法，它不但拥有微细电解加工的所有优点，而且还有其自身的特点：由于其工具电极为线电极，有望实现普通微细电解加工很难实现的高深宽比结构。工具电极的形状简单，比普通

10、微细电解加工更容易进行间隙实时控制。加工工艺特点（1）脉冲宽度对加工工艺的影响。不同脉冲宽度下的侧面间隙大小如图22所示，从图23可知，当电压幅值不论是4V 还是5V，侧面间隙都随着脉冲宽度的增大而增大。（2）线电极进给速度对侧面间隙的影响。（3）线电极直径大小会影响加工精度，为提高精度，应尽可能减小线电极的直径。（4）加工间隙内的电解产物会影响加工精度。图22. 脉冲宽度对侧面间隙的影响图23. 进给速度对侧面间隙的影响加工影响因素参考文献1贾继欣. 基于盐溶液的微小孔电液束加工技术研究D.南京航空航天大学,2011.2施文轩 ,张明歧 ,殷旻. 电液束加工工艺的研究及其发展J. 航空制造技

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