微尺度群缝振动进给电解加工装置及工艺规律

 摘  要

    随着工业产品向微型化、精密化方向发展，微细结构在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域得到了广泛应用。电解加工具有加工效率高、阴极无损耗、不存在残余应力等优点，且以离子形式去除工件材料，在微结构制造领域具有独特的优势。但微细电解加工过程中，微小加工间隙内部电解产物的排除、电解液更新困难制约了加工精度和稳定性的提高，限制了其在工业生产中的推广应用。

    本文以微尺度群缝电解加工为研究对象，进行了振动进给电解加工设备的研制，基于该设备开展了振动进给下群缝电解加工的试验研究，主要研究内容如下：

        1、基于微尺度群缝电解加工精度和稳定性影响因素的分析，讨论了用于改善加工精度及稳定性的振动进给电解加工方法，分析了该加工方式下加工区电解产物排除、电解液更新的过程。

        2、振动进给电解加工试验系统研制，通过对比振动实现方案，进行装置结构设计，研制出一套位置控制精度高，响应速度快，振动幅值、频率及波形参数方便可调的振动系统；根据微细电解加工特点及其对设备的要求，进行设备机械结构、电解液循环过滤系统、电源系统及控制系统的设计，得到满足工艺试验要求的振动进给电解加工设备。

        3、进行微尺度群缝的振动进给电解加工工艺试验，研究振动幅值和频率对加工精度和稳定性影响的规律；采用优选的振动参数，研究加工电压、电解液压力对加工精度和稳定性的影响。

    采用研制的振动进给电解加工设备，基于工艺试验研究结果，成功进行了剃须刀微尺度群缝的精密高效电解加工，已稳定实现小批量生产。

目  录

第一章 绪论.......................................................................................................................... 1

1.1 微细电解加工技术.................................................................................................... 1

1.1.1 掩模微细电解加工.......................................................................................... 2

1.1.2 微细电解线切割加工...................................................................................... 2

1.1.3 电液束加工.................................................................................................... 3

1.1.4 基于扫描探针显微镜的微细电化学加工.......................................................... 4

1.2 微细电解加工中存在的问题...................................................................................... 5

1.3 改善微细电解加工精度及其稳定性方法.................................................................... 6

1.3.1 超短脉冲电源................................................................................................. 6

1.3.2 阴极局部绝缘................................................................................................. 8

1.3.3 使用特殊电解液............................................................................................. 9

1.3.4 改进进给方式................................................................................................. 9

1.4 课题研究意义及主要研究内容................................................................................ 10

1.4.1 课题研究目的及意义..................................................................................... 10

1.4.2 本文主要研究内容........................................................................................ 11

第二章 振动进给电解加工过程的分析................................................................................. 13

2.1 电解加工基本理论.................................................................................................. 13

2.2 微尺度群缝电解加工影响因素................................................................................ 14

2.2.1 加工精度影响分析........................................................................................ 14

2.2.2 加工稳定性影响分析..................................................................................... 16

2.3 振动进给电解加工.................................................................................................. 17

2.3.1 振动进给电解加工过程分析.......................................................................... 18

2.3.2 振动进给对电解加工过程的影响................................................................... 19

2.3.3 强化产物排除对加工过程的影响................................................................... 20

2.4本章小结................................................................................................................. 21

第三章 电解加工振动进给装置系统研制.............................................................................. 22

3.1振动进给装置技术要求............................................................................................ 22

3.2 振动装置实现方案对比分析.................................................................................... 22

3.2.1 机械式振动实现方式..................................................................................... 22

3.2.2 电磁式振动实现方式..................................................................................... 22

3.2.3 压电陶瓷式振动实现方式.............................................................................. 23

3.2.4 液压式振动实现方式..................................................................................... 23

3.3 振动装置结构设计.................................................................................................. 24

3.3.1 振动装置总体结构方案................................................................................. 24

3.3.2 关键零部件选择............................................................................................ 24

3.3.3振动系统位置伺服数学模型的建立................................................................. 27

3.3.4 振动系统结构设计........................................................................................ 29

3.4 振动控制系统及装置调试....................................................................................... 31

3.4.1 控制系统硬件组成........................................................................................ 31

3.4.2 控制系统软件............................................................................................... 32

3.4.3 振动系统调试............................................................................................... 32

3.5 本章小结................................................................................................................ 34

第四章 振动进给精密电解加工设备研制.............................................................................. 35

4.1 设备组成及功能要求.............................................................................................. 35

4.1.1 设备的主要组成............................................................................................ 35

4.1.2 设备功能要求............................................................................................... 35

4.2 机床本体部分设计.................................................................................................. 37

4.2.1 机床床身材料的选择..................................................................................... 37

4.2.2机械部分总体结构......................................................................................... 37

4.2.3 机床传动部分设计........................................................................................ 38

4.3 脉冲电源选择......................................................................................................... 41

4.4 电解液循环过滤系统设计....................................................................................... 42

4.4.1 电解液循环过滤系统的作用.......................................................................... 42

4.4.2 电解液循环过滤系统总体方案设计................................................................ 42

4.5 设备控制系统简介.................................................................................................. 43

4.6 振动进给电解加工设备........................................................................................... 44

4.7 本章小结................................................................................................................ 45

第五章 微尺度群缝振动进给电解加工工艺试验................................................................... 46

5.1微尺度群缝加工工艺分析........................................................................................ 46

5.2 试验方案设计......................................................................................................... 47

5.2.1 工具阴极设计............................................................................................... 47

5.2.2 工装夹具的设计............................................................................................ 47

5.3 振动进给对加工过程稳定性影响............................................................................. 49

5.3.1 振动参数对加工稳定性的影响....................................................................... 49

5.3.2 电解液压力对加工稳定性影响....................................................................... 50

5.4 振动进给对加工精度的影响.................................................................................... 51

5.4.1 振动频率对平均缝宽及侧壁锥度的影响......................................................... 51

5.4.2 振动幅值对平均缝宽及侧壁锥度的影响......................................................... 52

5.4.3 不同电压对加工精度的影响.......................................................................... 53

5.5 参数的优化............................................................................................................ 54

5.6 本章小结................................................................................................................ 55

第六章 总结展望................................................................................................................. 56

6.1 总结....................................................................................................................... 56

6.2 展望....................................................................................................................... 57

参考文献............................................................................................................................. 58

致谢.................................................................................................................................... 62

在学期间的研究成果及发表的学术论文........................................................................ 63