CN102658404B

CN102658404B - 精密复合电解加工方法

Info

Publication number: CN102658404B
Application number: CN201210144361.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋利民; 邓文波; 田昭武
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102658404A

Abstract

一种精密复合电解加工方法，其方法步骤为：1）将被加工件放入电解槽，并连接到电化学系统；2）将模板固定到固定架上，并连接到电化学系统；3）将复合电解液注入电解槽；4）通过驱动控制器移动固定架，使模板进入电解液；5）启动电化学系统；当设计在阳极产生刻蚀剂，约束刻蚀加工和电解加工交替进行；当设计在阴极产生刻蚀剂，两种加工同时进行，产生加工效果的叠加；6）驱动装置以一定的时间间隔和步长将模板向工件移动以保持刻蚀剂层与工件接触；7）加工完成后，模板抬起。本发明的技术效果是：将约束刻蚀剂层技术与传统的电解加工技术复合从而形成复合电解加工技术，对材料进行复杂三维形貌的复合电解加工，可大幅度提高电解加工精度。

Description

精密复合电解加工方法

技术领域

本发明涉及一种电解加工方法，尤其涉及一种精密复合电解加工方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机械、电子、航空、航天以及航海等工业领域的许多产品要求其机械部件在高温、高压、重载荷或高腐蚀环境下能够长期可靠地工作，为了适应这些要求，各种新材料（高强度、高硬度、高韧性、耐高温、高耐蚀）和复杂形状的机械部件（复杂曲面、形体组合、仿自然形态件）大量涌现，因而对加工工艺提出了一系列严格的要求。传统的加工工艺越来越难于满足这些要求，从而推动了各种特种加工工艺的大量研究和开发。电解加工是其中非常重要的一种。

电解加工又称电化学加工（ECM），是一种重要的特种加工方法，在1956年正式进入工业应用，已经经过了一个长时间的发展历程，现今已成为一种大家熟悉的特种加工工艺。电解加工是在电解液中通过在金属工件和一个加工模板（作为辅助电极）之间施加一个电位差从而使金属工件在电解液中发生阳极溶解而达到去除材料的一种加工方法。

电解加工具有加工速度快、无表面缺陷、无宏观机械切削应力、成型范围宽（可加工各种难切削金属材料，不受材料强度、硬度和韧性的限制）、工具阴极无损耗等优良特性，因为不是以机械力学机理加工，而是在电解液中通过控制加工模板（称为辅助电极）与工件之间的电位从而引发工件材料的电化学溶解而达到加工材料的目的，所以不管材料有多高的强度、硬度和韧性，都能轻松顺利地完成加工，而不象其它机械加工方法那样存在严重的刀具损耗（尤其是加工高硬、高韧材料时），是一种非机械接触式的加工方法。电解加工的另一个优势在于可加工复杂形貌的工件，可以用同一个成形阴极对复杂的型腔、型面、型孔等进行批量加工。

但是，近年来，其它加工技术（如精密锻造、精密铸造、精密辊轧、数控切削等）通过不断革新以及与其它高新技术的糅合，加工精度得到较大的提高，而电解加工精度还徘徊在±100 μm左右，其三维型面释放精度更低，为±200 ~±500 μm。相比之下，电解加工精度明显不足，满足不了日益精确的机械设备和精密仪器的加工要求，限制了高性能材料和复杂型面结构件在高技术领域的应用。正因为如此，当前由一些可精密成形材料构成的机械部件大都采用精密成形加工,电解加工产品的数量和份额大幅减少。对于那些由难于进行精密成形且难于进行切削加工的材料构成的机械部件，也由于电解加工的精度低而使其使用潜能得不到充分开发。在加工精度和经济效益的双重考虑下，电解加工的应用范围出现萎缩趋势，电解加工在许多方面具有的优良特性得不到发挥。

针对电解加工精度的不足，在过去二十几年中，电解加工经历了几次重大的技术改进，从而使加工精度和加工效率大大提高，这几次改进分别是：（1）高频、窄脉冲电流电解加工：20世纪90年代开始对高频、窄脉冲电流电解加工进行研究，这一电解加工方法比一般直流电解加工及低频脉冲电流电解加工,在复制精度、重复精度、表面质量、加工效率、加工过程的稳定性等方面都有显著提高。（2）高速、高压、小间隙电解加工：高速、高压、小间隙电解加工工艺的使用,在高精度、高效率电解加工中发挥了积极作用，提高了叶片型面加工精度和加工速度，其中最小间隙达到10 μm。（3）数控仿型电解加工：它是数控技术同电解加工技术结合所形成的柔性电解加工技术，进一步提高了加工速度,缩短了加工时间，加工后不必再进行手工抛光,加工出的叶型厚度公差为±100 μm,型面公差为±200 μm。

与此同时，为了提高电解加工的质量，在过去几十年中，人们还研究将电解加工和其它技术结合，取长补短，形成所谓的“复合加工”，通过其特有的加工机理而达到特殊的加工效果。加工速度一般比单一的能量加工有所提高。复合加工已成为特种加工的重要研究方向，不仅拓宽了电解加工的应用范围，也使加工精度获得进一步提高。已研究的复合工艺具体有如下几种：

（1）.与电火花加工结合，形成“电解-电火花复合加工”(简称为ECAM或EDCM),它是电解加工(电化学阳极溶解)与其他能量加工复合的范例，在俄罗斯已采用机械仿型电火花与电解加工的组合方法进行带冠的整体叶轮的加工，并取得了较好的效果；

（2）.电解与机械研磨结合，形成“电解-机械复合研磨(抛光)”技术，这一技术显著提高了研磨速率和研磨的表面质量；但它不是大量去除材料的加工。

（3）.电解-电火花机械磨削结合，形成“电解-电火花机械复合磨削(MEEC)”，它较好地提高了磨削质量和磨削速度；

（4）.电解-磁力研磨(抛光)结合，它在提高抛光质量方面，也表现出较好的效果。

为了提高电解加工精度，人们还进行了很多其它技术辅助的电解加工技术的研究工作，例如超声辅助的电解加工、外加磁场电解加工和激光辅助的电解加工等新技术。

虽然人们对电解加工进行了如上所述的许多改进措施，加工精度有所提高，但到目前为止，它还不能满足现代机械加工要求，具体表现在：

（1）.加工精度还不够高。一般三维表面成型精度（三维形貌释放精度）为±0.2~±0.5 mm（即±200 μm ~ ±500 μm），虽然在个别特例中偶尔达到0.1 mm，但总体来说，精度还是比较低的。

（2）.直流加工的散蚀能力较强，集中蚀除能力较弱，成型加工中需要有整形过程，且整平比不高。

鉴于上述电解加工的局限性，人们需要继续研究如何提高电解加工精度。

本发明所使用的与电解加工复合的技术（即约束刻蚀剂层技术）介绍如下：

约束刻蚀剂层技术是一种新型复杂三维微纳米结构加工技术，在微纳米结构加工方面已取得很好的成果。约束刻蚀剂层技术是通过电化学或者光电化学方法在模板表面产生刻蚀剂，依靠此刻蚀剂来刻蚀被加工基体材料以达到加工成型的目的。其基本原理为：在电解液中，通过在具有复杂三维微纳米结构的模板表面上利用电化学或光电化学反应产生刻蚀剂，此刻蚀剂在由加工工具或模板表面向溶液扩散的过程中，由于与预先加入到溶液中的捕捉剂（清除刻蚀剂的化学成分）发生化学反应（称为捕捉反应）而很快消失，或者是由于刻蚀剂自身发生衰变而很快自己消失（如自由基），使得刻蚀剂无法扩散得很远，从而被紧紧地约束在紧靠模板的一个微纳米尺度的超薄液层内。显然，刻蚀剂层形成的轮廓面保持着与模板微结构的曲面基本相同的形貌。刻蚀剂层越薄，二者的误差越小，例如，当刻蚀剂层厚度为10纳米时，公差即为10纳米。通过一个精密微位移定位系统，使具有微结构的模板逐渐靠近被复制加工的材料表面，当模板表面的刻蚀剂层接触到基体表面，基体即开始被刻蚀加工。随着模板不断进给，不断向深处刻蚀。由于刻蚀剂层的分布面保持着与模板微结构基本相同的三维轮廓，最终在被加工基体表面刻蚀出与模板结构基本互补的三维结构。公差不超过约束刻蚀剂层的厚度。

约束刻蚀剂层技术首创将传统的湿法化学刻蚀变为具有距离敏感性的化学刻蚀，成为一种应用于微系统制造领域的新型微纳结构加工技术，目前其对于复杂三维微结构加工的释放精度为± 0.5 μm。电解加工是以模板作为阴极，工件作为阳极，工件通过阳极溶解达到去除材料的目的，当模板和工件保持比较近的距离时，通过控制好流场，能够加工得到与模板结构大致互补的结构，目前其对于复杂三维形貌加工的释放精度为±200 μm ~ ±500 μm。如果能将约束刻蚀剂层技术运用到电解加工中来，即可大幅提高电解加工的精度。

发明内容

本发明是针对目前电解加工精度不足等问题，推出一种精密复合电解加工方法，即将约束刻蚀剂层技术和电解加工技术结合到一起，形成一种新型的高精密复合电解加工技术。

本发明是这样来实现的，本发明所采用的复合电解加工装置包括电化学系统、模板、固定架、驱动装置、信息处理计算机。模板固定于固定架的下部，固定架的上部接驱动装置的垂直驱动轴（Z轴）上，驱动装置接信息处理计算机。所述的驱动装置设有可在X、Y、Z三个方向进行步进的驱动控制器，以控制模板和工件之间相对距离和位置。所述的电化学系统包括工作电源、电解质溶液、承接电极和电解槽。工作电源上设有工作电极接线端、对电极（即辅助电极）接线端、承接电极接线端；所用电源起到控制电位或控制电流的作用。当控制在一定的电位或电流条件下，可以导致在模板表面的电解质溶液发生相关的电化学反应而生成能刻蚀工件的刻蚀剂，或导致工件发生阳极溶解。电解槽置于驱动装置的两水平驱动轴（XY轴）的驱动控制台上，可在X和Y方向进行运动。其位置处于模板的下方。本发明的加工方法步骤为：

1）将被加工件放入电解槽，并连接到电化学系统的工作电极接线端。

2）将带有所需三维形貌的模板固定到固定架上，并通过固定架连接到电化学系统的对电极(或称辅助电极)接线端。所述的固定架由可导电的不锈钢做成，连同模板一起被安装在一个由计算机控制的驱动装置的一个驱动轴上。所述的带有所需三维形貌的模板，其表面通过溅射镀或通过物理或化学方法沉积一层二氧化钛、或氧化铅、或氧化镍薄膜；或沉积一层金属铂、金薄膜。膜厚一般为20-100 nm。

3）将复合加工用电解质溶液注入电解槽，加量达到能够淹没被加工件和模板。所述的复合加工用电解质溶液，其中含有ClO₂ ^–1, Cl^–1, NO₃ ^–1, NO₂ ^–1, SO₃ ^–2, SO₄ ^–2, PO₂ ^–3, OH^－或F^–1之中的两种或几种，其浓度范围为7~120g/L。电解质溶液在加工过程中呈流动状态，从电解槽一边的进口处流入，从另一边的出口处流出。流出的电解质溶液可通过一个水泵抽回到储液箱中循环使用。水泵的转速为100~500r/min。停止加工时可将进出口阀门关掉。

4）通过驱动装置的垂直驱动轴（Z轴）移动固定架，使模板进入复合电解质溶液。

5）启动电化学系统。

6）启动控制模板与被加工件之间相对距离的驱动控制器，让模板向工件逼近，使得模板表面电化学产生的刻蚀剂层包络面的最前沿接触到被加工工件，约束刻蚀剂层刻蚀-电解加工复合加工开始。加工的具体历程为：

①当设计在阳极产生刻蚀剂时，让约束刻蚀剂层刻蚀（简称约束刻蚀）加工和电解加工以设定的周期交替重复进行：在约束刻蚀加工周期内，模板为阳极，工件为阴极（也可以是在工件周围另外安置一个承接电极承接负脉冲，而让工件处于开路状态），进行约束刻蚀加工；而在电解加工的周期内，工件为阳极，模板为阴极，进行电解加工。启动电化学系统，加工即开始。

②实现上述电极极性周期转换的方法为：采用双极性脉冲电源加工，当正脉冲施加于被加工件时，被加工件处于阳极状态，模板处于阴极状态，进行电解加工；而当正脉冲施加于模板时，模板处于阳极状态，被加工件处于阴极状态，进行约束刻蚀剂层刻蚀加工，或者由安置在被加工件边上的一个承接电极来承接负脉冲，而让被加工件处于开路状态，进行约束刻蚀剂层刻蚀加工。

③当约束刻蚀和电解加工转换周期设计得较长时（例如 >0.5 s），或者直接使用直流恒压源或直流恒流源（非脉冲电源），在此条件下，可以采用一个继电器来完成电极极性的周期倒向，实现约束刻蚀和电解加工的交替转换：在达到设定的加工时间时，继电器自动跳转。

④当设计在阴极产生刻蚀剂时，加工过程中不用改变电极极性，模板为阴极，工件为阳极，约束刻蚀和电解加工同时进行，产生两种加工效果的叠加。

7）随着复合加工的进行，依据加工速率的大小，驱动装置以一定的时间间隔和步长将模板向被加工工件移动以保持约束刻蚀过程的刻蚀剂层能与被加工工件接触，使复合加工不断地进行，直至加工完成。

8）加工完成后，模板抬起，离开被加工工件表面。

本发明的技术效果是：将约束刻蚀剂层技术与传统的电解加工技术进行复合从而形成复合电解加工技术，对金属材料进行复杂三维形貌的复合电解加工，可大幅度提高电解加工精度。

附图说明

图1为本发明的电解加工装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所采用的复合电解加工装置包括模板6、固定架5、驱动装置2、信息处理计算机3、电化学系统。模板6固定于固定架5的下部，固定架的上部接在驱动装置的垂直驱动轴4上，驱动装置2接信息处理计算机3。所述的驱动装置设有可在X、Y、Z三个方向进行步进的驱动控制器，以控制模板6和工件7之间相对距离和在XY平面的加工位置。所述的电化学系统包括工作电源1、电解质溶液8、承接电极10和电解槽9。工作电源上设有工作电极接线端11、对电极（即辅助电极）接线端13、承接电极接线端12，所用电源起到控制电位或控制电流的作用，当控制在一定的电位或电流条件下，可以导致在模板表面的电解质溶液发生相关的电化学反应而生成能刻蚀工件的刻蚀剂，或导致工件发生阳极溶解。电解槽置于驱动装置的两水平驱动轴（XY轴）的驱动控制台上，可在X和Y方向进行运动。其位置处于模板的下方。本发明的加工方法步骤为：

2）将带有所需三维形貌的模板固定到固定架上，并通过固定架连接到电化学系统的对电极(或称辅助电极)接线端。所述的固定架由可导电的不锈钢做成，连同模板一起被安装在一个由计算机控制的驱动装置的一个驱动轴上。所述的带有所需三维形貌的模板，其表面通过溅射镀或通过物理或化学方法沉积一层二氧化钛、或氧化铅、或氧化镍等氧化物薄膜，或沉积一层金属铂、金薄膜。膜厚一般为20-100 nm。

3）将复合加工用电解质溶液注入电解槽，加量达到能够淹没被加工件和模板。所述的复合加工用电解质溶液，其中含有ClO₂ ^–1, Cl^–1, NO₃ ^–1, NO₂ ^–1, SO₃ ^–2, SO₄ ^–2, PO₂ ^–3,OH^－或F^–1之中的两种或几种，其浓度范围为7~120g/L。电解质溶液在加工过程中呈流动状态，从电电解槽一边的进口处14流入，从另一边的出口处15流出。流出的电解质溶液可通过一个水泵抽回到储液箱中循环使用。水泵的转速为100~500 r/min。停止加工时可将进出口阀门关掉。

5）启动电化学系统。

①当设计在阳极产生刻蚀剂时，让约束刻蚀剂层刻蚀（简称约束刻蚀）加工和电解加工以设定的周期交替重复进行：在约束刻蚀加工周期内，模板为阳极，工件为阴极（或者由在工件周围另外安置的一个承接电极承接负脉冲，而让工件处于开路状态），进行约束刻蚀加工；而在电解加工的周期内，工件为阳极，模板为阴极，进行电解加工。启动电化学系统，加工即开始。

②实现上述电极极性周期转换的方法为：采用双极性脉冲电源加工，当正脉冲施加于被加工件时，被加工件处于阳极状态，模板处于阴极状态，进行电解加工；而当正脉冲施加于模板时，模板处于阳极状态，被加工件处于阴极状态，进行约束刻蚀剂层刻蚀加工。在后一种状态下，也可以是安置在被加工件边上的一个承接电极来承接负脉冲，而让被加工件处于开路状态。

7）随着复合加工的进行，依据加工速率的大小，驱动装置以一定的时间间隔和步长将模板向被加工工件移动以保持刻蚀剂层能与被加工工件接触，使复合加工不断地进行，直至加工完成。

8）加工完成后，模板抬起，离开被加工工件表面。

Claims

1.一种精密复合电解加工方法，其所采用的复合电解加工装置包括电化学系统、模板、固定架、驱动装置、信息处理计算机；模板固定于固定架的下部，固定架的上部接在驱动装置的垂直驱动轴上，驱动装置接信息处理计算机；所述的驱动装置设有可在X、Y、Z三个方向进行步进的驱动控制器；所述的电化学系统包括工作电源、电解质溶液、承接电极和电解槽，工作电源上设有工作电极接线端、对电极接线端、承接电极接线端；电解槽置于驱动装置的两水平驱动轴的驱动控制台上，其位置处于模板的下方，其特征是本发明的加工方法步骤为：

1）将被加工件放入电解槽，并连接到电化学系统的工作电极接线端；

2）将带有所需三维形貌的模板固定到固定架上，并通过固定架连接到电化学系统的对电极接线端；所述的固定架由可导电的不锈钢做成，连同模板一起被安装在驱动装置的一个驱动轴上；所述的带有所需三维形貌的模板，其表面通过溅射镀或通过物理或化学方法沉积一层二氧化钛、或氧化铅、或氧化镍薄膜，或一层铂、金薄膜；膜厚为20-100 nm；

3）将复合加工用电解质溶液注入电解槽，加量达到能够淹没被加工件和模板，所述的复合加工用电解质溶液，其中含有ClO₂ ^–1, Cl^–1, NO₃ ^–1, NO₂ ^–1, SO₄ ^–2, SO₃ ^–2, PO₂ ^–3, OH^－或F^–1之中的两种或几种，其浓度范围为7~120 g/L；电解质溶液在加工过程中呈流动状态，从电解槽一边的进口处流入，从另一边的出口处流出，流出的电解质溶液通过一个水泵抽回到储液箱中循环使用，水泵的转速为100~500 r/min；

4）通过驱动装置的垂直驱动轴移动固定架，使模板进入复合加工电解质溶液；

5）启动电化学系统；

6）启动控制模板与被加工件之间相对距离的驱动控制器，让模板向工件逼近，使得模板表面电化学产生的刻蚀剂层包络面的最前沿接触到被加工工件，开始“约束刻蚀剂层刻蚀-电解”复合加工，加工的具体过程为：

a）当设计在阳极产生刻蚀剂时，让约束刻蚀剂层刻蚀（简称约束刻蚀）加工和电解加工以设定的周期交替重复进行；在约束刻蚀加工周期内，模板为阳极，工件为阴极（或开路状态），进行约束刻蚀加工；而在电解加工的周期内，工件为阳极，模板为阴极，进行电解加工；

b）实现上述电极极性周期转换的方法为：采用双极性脉冲电源加工，当正脉冲施加于被加工件时，被加工件处于阳极状态，模板处于阴极状态，进行电解加工；而当正脉冲施加于模板时，模板处于阳极状态，被加工件处于阴极状态，进行约束刻蚀剂层刻蚀加工，或者由安置在被加工件边上的一个承接电极来承接负脉冲，而让被加工件处于开路状态，进行约束刻蚀剂层刻蚀加工；

c)或者直接使用直流恒压源或直流恒流源（非脉冲电源），采用一个继电器来完成电极极性的周期性换向，实现约束刻蚀和电解加工的交替转换：在达到设定的加工时间时，继电器自动跳转；

7）随着复合加工的进行，依据加工速率的大小，驱动装置以一定的时间间隔和步长将模板向被加工工件移动以保持约束刻蚀过程的刻蚀剂层能与被加工工件接触，使复合加工不断地进行，直至加工完成；

8）加工完成后，模板抬起，离开被加工工件表面。

2.如权利要求1所述的精密复合电解加工方法，其特征是，对于步骤6）所述的复合加工，当设计在阴极产生刻蚀剂时，加工过程中模板和工件的极性保持不变，模板为阴极，工件为阳极，约束刻蚀和电解加工同时进行，产生两种加工效果的叠加。