高质量玻璃微孔电化学放电加工模型及试验

超白玻璃是一种超透明低铁玻璃,因其具有优越的物理、光学性能,而广泛应用于精密电子、高档汽车及太阳能光伏发电领域。由于其本身的硬脆特性,玻璃微孔的出口极易破损,为提高玻璃微孔的加工定域性,降低微孔出口破损的可能性,对微细电化学放电钻削加工工艺进行了研究与优化。首先,根据电化学放电原理,探讨了气膜的形成和材料去除机理,分析了放电能量对玻璃微孔加工工艺的影响,建立了单位时间电化学放电加工能量控制模型;其次,试验分析了电压幅值、占空比、脉冲频率、进给速度等主要参数对微孔入口直径和出口质量的影响;最后,通过优化后的加工参数在厚度为300μm的超白玻璃试件上,成功加工得到入口直径为172μm、出口直径为167μm的3×3微孔阵列结构,出口无破损现象。实验结果表明,基于脉冲能量控制的微细电化学放电钻削工艺在玻璃微孔加工方面很有潜力。     

安全滤网阵列网孔激光—电解组合加工

安全滤网阵列网孔的高效、高品质和高适应性加工至今仍面临重大技术挑战。基于此,提出采用激光-电解组合加工技术制备安全滤网阵列网孔结构。介绍了激光-电解组合加工技术的试验加工系统,探究了工艺参数对微孔形貌质量和加工精度的影响规律,并开展了安全滤网阵列网孔的制备。试验结果表明：激光加工路径显著影响微孔出口的形貌,采用同心圆轨迹（外径270μm,内径230μm,线间距2.5μm）能够显著改善微孔出口的圆度;激光功率越大、切割速度越小,微孔直径及其热影响区均越来越大;NaNO3-乙二醇溶液作为电解抛光液能够在加工表面形成扩散层发生电解抛光,将激光加工产生的喷溅物和毛刺等缺陷去除;基于优化工艺参数,加工出253个直径0.31 mm的阵列网孔结构,出入口直径方差仅为2.02和1.71,展示出较高的尺寸一致性。激光-电解组合加工技术在薄壁件上高效、高品质制备阵列网孔结构方面具有很强工艺能力和发展潜力。     

掩膜电解加工小孔仿真分析及实验研究

采用掩膜电解加工单个微孔的方式研究加工参数对凹坑形貌的影响,该方法具有操作简易以及工件无内应力等优点。采用COMSOL软件对加工间隙的电场进行仿真分析,研究了掩膜电解加工间隙对阳极表面电流分布的影响。实验中采用光刻技术在阳极工件表面制作尺寸均匀的微孔,孔径500μm,厚度50μm,通过采用不同加工电解液,电解液浓度,加工间隙以及加工电压加工凹坑并研究不同条件对凹坑形貌的影响。实验结果表明:随电解液浓度、加工电压的增加凹坑的孔径和孔深都出现不同程度增加;随加工间隙的增大孔径增大程度减小,孔深没有一致规律;NaCl溶液加工的凹坑比NaNO_3出现杂散腐蚀严重。     

微细电解加工中空电极侧壁绝缘层的制备工艺研究

针对孔径100～200μm高深宽比微细孔电解加工中,电极侧壁绝缘层在电解液冲击和气泡撕裂中易损伤/脱落等问题,本文提出一种丙烯酸环氧树脂电泳法的中空电极侧壁绝缘制备工艺。通过优化工艺参数并开展加工实验,比较加工孔尺寸及形貌、加工后电极表面形态,结果表明丙烯酸环氧树脂电泳法制备的中空电极侧壁绝缘层,具有较高的致密性、均匀性、耐久性和一致性。最后,在500μm厚304不锈钢片上加工出入口180.6μm、出口173.8μm、深宽比约为3的微细阵列孔,其锥度比非侧壁绝缘电极加工的孔减少了约70%以上,基本为直孔,可满足实际需求,进而验证了本方法的应用可行性。     

电解转印法加工凹坑阵列结构试验研究

为得到降低摩擦副表面磨损所需的微小凹坑阵列结构,提出电解转印法加工凹坑阵列的工艺方法。对电解转印法加工过程进行有限元仿真,分析光刻胶膜厚度对凹坑尺寸和形状的影响。用光刻的方法制作尺寸均一,单个孔径为100μm的阴极平板。进行微细电解加工试验,试验分析脉冲电源频率和脉冲占空比对加工结果的影响。结果表明,采用电解转印法加工微小凹坑阵列结构,可以获得平均直径为200μm,深度10μm的凹坑阵列。     

厚镍板的微细电解线切割加工技术研究

采用超短脉冲电流技术进行微细电解线切割加工,脉冲电压是决定所能加工厚度的关键因素之一,提高超短脉冲电压可以在有效抑制杂散腐蚀的同时切割加工厚度比较大的工件。构建了线电级往复运丝的微细电解线切割试验系统;工件为800μm的镍板,线电极为直径10μm的钨丝;采用正交试验研究了脉冲电压、脉冲宽度、脉冲周期和电解液浓度对加工精度的影响;选用实际最优参数在厚800μm的镍板上切割加工出了宽度约为35μm的悬臂梁结构。     

毛细管电极电液束加工微小凹坑试验研究

降低发动机的机械损失一直是研究热点。在摩擦副表面加工微坑,作为改善摩擦副表面摩擦学特性,提高润滑耐磨性能的方法已引起了研究者的重视。笔者提出了采用非金属毛细管作为管电极进行电液束加工微小凹坑的工艺方法。对加工过程的电流密度分布进行了有限元分析,并试验研究了电压、电解液浓度、加工时间、加工间隙和电解液压力对凹坑直径和深度的影响,对加工参数进行了优化选择,得到了形状规则、直径80μm,深度25μm左右的微小凹坑。并进行摩擦性能试验,结果表明采用该工艺在摩擦副表面加工微坑阵列可有效提高其耐磨性。     

电化学腐蚀法加工微圆柱体

基于电化学腐蚀原理加工微机械加工中使用的微圆柱体,对微细圆柱体成形的机理进行详细的分析。通过对腐蚀过程进行理论建模,利用对电压和腐蚀时间的控制来决定腐蚀后微圆柱体成形的形状以及圆柱体直径尺寸大小。同时,对影响微圆柱体成形的试验参数进行详细的分析,如对电压的控制、电流的变化、电解液浓度的影响、腐蚀时间决定的微圆柱体直径大小等,最后得出微圆柱体成形的规律。理论模型计算结果与试验结果进行比较,证明了理论建模的正确性。利用此种方法试验加工出总长1 180μm,前端较细处长300 μm,直径6μm的钨微细圆柱体结构,长径比达到50:1,并可以在微细加工作为工具电极使用。     

磨粒辅助EDM与ECM复合加工技术

微机电系统(Micro electromechanical systems,MEMS)的快速发展与产品微型化的发展趋势对微细结构表面(包括微孔、微槽和微棱柱/锥等)的加工质量提出了更高的要求,为了提高微细结构表面的加工质量,提出一种磨粒辅助放电加工(Electrodischarge machining,EDM)与电化学加工(Electro chemical machining,ECM)复合加工新方法,通过建立微加工模型分析了该方法的加工机理,搭建了微加工试验平台,并进行了工艺参数优化研究,采用直径500μm和75μm的钨电极在SUS 304不锈钢上分别进行了微盲孔和微通孔加工试验研究,结果表明,在所用的EDM、EDM与ECM复合加工和磨粒辅助EDM与ECM复合加工三种方法中,磨粒辅助EDM与ECM复合加工方法获得的表面粗糙度(Ra15 nm)最高,因此该方法是微细结构表面高效和高质量加工的最佳方法之一。     

基于NaNO_3电解液的TC4薄板阵列群孔电解加工研究

以NaNO3溶液为电解液,利用掩模电解加工原理,采用大功率脉冲电源进行实验。选择电源占空比、脉冲频率、加工电压、电解液温度4个主要参数进行研究,讨论了在以NaNO3溶液为电解液的情况下,不同的加工参数对加工阵列小孔锥度的影响。实验结果表明,采用NaNO3溶液为电解液,选用适当的电源参数和电解液温度,加工的阵列小孔能够达到较低的锥度,且孔径大小和公差均在设计要求范围内,可用于批量生产加工。     

激光冲击效应下的力学电化学微细刻蚀加工

在所构建的纳秒脉冲激光电化学加工系统中,利用激光辐照和脉冲电化学刻蚀复合的方法对铝合金进行了加工试验,研究了激光穿过溶液作用于物质时产生的力效应和电化学效应对加工质量的影响.试验结果表明:高能脉冲激光透过电解液辐照在工件表面时,激光在电解液中产生的冲击波力效应和射流冲击力效应会使工件发生弹性变形,从而改变电极电势,提高电流密度,加速了对工件的刻蚀.激光产生的力效应能够去除加工区的钝化层,使其发生电化学反应,而非加工区不发生反应,从而显著增强了电化学的定域蚀除能力.最后,利用力学电化学效应,在浓度为0.5 mol/L的NaNO3溶液中实现了线宽140 μm左右、深宽比较大的微细刻蚀加工,获得了较好的加工质量和成形精度.     

纯钛微细群孔的超声辅助光刻电解加工

采用光刻电解技术,可以选用对环境污染影响小、成本较低的腐蚀液,实现难蚀除金属材料的微细阵列结构加工,优于化学腐蚀方法。为克服电解过程中局部产生的热量和析氢造成的腐蚀不均,进行了纯钛（Ti的质量分数为99．69／5）微细群孔的超声辅助光刻电解加工试验研究。试验结果表明,超声能显著改善极间工作液的循环,通过合理选择极间距离、电参数和声场参数等工艺条件,可以有效降低表面粗糙度,材料蚀除速率达到30μm／min。     

微细电解加工用中空电极的制备

为了改进加工间隙内电解产物的排出条件和加速电解液的更新,提出了一种嵌套式微细中空电极的精确可控焊接制备工艺。仿真分析了电极的过流特性,优化了电极长度,并进行了性能测试及加工实验。通过穿丝、黏结、嵌套尺寸及位置调整和焊接工序,制备出加工段内径为65μm、外径为130μm、长3.25mm左右,后段便于装夹和连通的嵌套式中空电极。在供液压力为1.15 MPa时,其出口流速可达10m/s左右。利用制备的中空电极,开展微细孔电解加工实验,在0.5mm厚不锈钢片上加工出最小入口孔径约为157μm,出口孔径约为133μm的微细孔,并将其延伸应用于微结构加工中,铣削出了长554μm、宽160μm、深224μm的微细T型槽。实验结果表明:制备的微细中空电极有效提高了加工间隙内电解液的流动特性,且连/导通可靠、装夹方便,适用于高深宽比微结构的电解加工。     

纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验

根据电化学反应原理,探讨纳秒脉冲电化学加工的特点及其实现微细加工的机理.建立纳秒脉冲微细电化学加工的理论模型,并分析电解液浓度、加工间隙、脉冲参数和加工电压等因素对微细电解加工的影响作用.构建微细电化学加工系统,包括微细加工机床、纳秒脉冲电源、电解液循环系统、运动控制部分和加工检测部分.试验研究了超短脉冲的电压幅值和脉冲宽度对侧面加工间隙的影响,结果表明减小脉冲宽度和降低加工电压可以提高微细电解加工的精度.在自制的微细电化学机床上,实现工具电极和工件微结构的连续加工.将加工间隙控制在5 μm以内,加工出中间有20 μm×30 μm×30 μm棱台的微型腔和30 μm槽宽的十字形孔,分析加工起始点对成形精度的影响,并提出解决方法.试验证明纳秒脉冲微细电解加工可以很好地满足微机电系统(Micro electromechanical system,MEMS)微器件的加工要求.     

微槽激光电解组合微加工研究

微槽结构作为微型结构的基本单元,具有增加散热面积、存储润滑剂和减少阻力等功能,多用于大热流密度器件的散热或表面润滑,但其存在加工尺寸小、精度要求高以及加工难度大等问题。为了实现微槽的高效高精度加工,提出了一种激光电解组合微加工方法,并搭建了纳秒激光加工装置和数控微细电解加工装置;利用激光烧蚀快速加工出微槽结构的基本形貌,再通过微细电解的方式去除其表面再铸层及飞溅颗粒,提高其表面精度和表面性能。通过理论研究以及优化加工参数试验,加工出长度为400μm,宽度为220μm,深度为120μm的微槽结构。激光电解组合微加工微槽的表面粗糙度由激光加工后的Ra 5.36μm降低至Ra 1.23μm;激光电解组合微加工的加工效率是微细电解加工的4.26倍。     

回转体表面掩膜微细电解加工有限元分析及试验研究

针对在回转体零件表面加工微织构的难题,文中建立了回转体表面微细电解加工的多物理场耦合数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件进行了仿真求解。设计了掩膜电解加工专用夹具和电解液系统,优化了电解液的流道结构,在较低加工电压和较短加工时间的条件下,开展了工艺试验。通过对比分析微坑深度的仿真值和测量值,验证了加工过程多物理场耦合仿真模型的准确性,得到了形状精度高、均匀排布的直径为φ200μm的微坑阵列,为在回转体表面加工微织构提供了一种合理有效的方法。     

金属双极板流道的电解转印加工试验研究

作为电解加工的革新技术,电解转印加工无需制作微细电极和重复涂层工件,是金属表面微织构的高效、并行成形方法。运用改进后的电解转印加工技术制造金属表面微流道,利用正交试验研究和分析加工间距、加载电压、脉冲占空比等工艺参数对流道加工定域性的影响,加工出定域性较高的宽度为237μm,深度为21μm的多通道蛇形流道,通过极差分析,得出加载电压是流道加工定域性的主要影响因素,定域性指标下最优参数组合是:电压为12V,极间距为100μm,脉冲频率为0.4kHz,占空比为40%,电解液压力为0.09MPa,加工时间为100s。     

双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘层制备

针对孔径(100～200)μm高深宽比微细孔电解加工中,电极侧壁绝缘层在电解液冲击和气泡撕裂中易损伤/脱落等问题,提出一种基于丙烯酸环氧树脂双极性电泳法的微细中空电极侧壁绝缘制备工艺.通过工艺参数优化后,利用所制备的侧壁绝缘电极,开展加工对比实验,结果表明双极性电泳法所制备的侧壁绝缘层,具有较高的致密性、均匀性、耐久性...     

电极丝前置式射流电解加工铣削微槽试验研究

射流电解加工广泛应用在航天、军工、汽车、电子等制造领域,多用来进行工件表面微结构的加工,是一种高效低成本的方法。电极丝前置式射流电解加工利用液束中的电极丝将电场集中约束在主要加工区域,相比于传统射流电解有着更高的加工效率和质量。通过搭建试验平台并在不锈钢工件表面进行微槽铣削试验,验证了该方法的实际加工效果,初步得到了电压、电极丝直径、单次进给量等参数对加工结果影响的工艺规律。当选用直径100μm侧壁绝缘的电极丝时,扫描5次可以得到槽宽最小为400μm,槽深120μm的直槽。试验结果表明,电压和加工间隙影响电流密度的大小,主要决定了加工效率和质量,而电极丝和液束的状态则决定了特征的精度和形貌。     

电解液射流成形加工的应用研究

电解液射流成形加工是将电解液从喷嘴中对准工件喷射,同时在工件和喷嘴之间施加电压,使工件上被电解液喷射的材料部分产生溶解去除而进行加工的方法,也是电解加工方法的一种特殊应用。由于喷出的电解液射流直径很小,除了能加工微细孔之外,还可进行微小复杂形状的加工,并具有可加工的材料范围广(只要是导电的材料,不管其硬度和强度如何,都可进行加工),不会产生加工变质层和毛刺等优点。本文简介近期日本在此领域的研究成果,以供我国开展这方面的应用研究作参考。