CN103252543B

CN103252543B - 超薄工件的电解加工方法及装置

Info

Publication number: CN103252543B
Application number: CN201310185709.9A
Authority: CN
Inventors: 孟岭超; 曾永彬; 曲宁松
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: CN103252543A

Abstract

本发明涉及一种超薄工件的电解加工方法及装置，属于精密微细电化学加工领域。该方法的特征在于：利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，运用纳米电极对悬挂在电解液液膜中的超薄工件进行纳米电解加工，避免了装夹时由于工件自身的刚性不足而产生形变，致使产生形状误差等问题；且电解加工具有加工不受材料强度和硬度限制、工具电极无损耗、加工工件表面无残余应力和再铸层、加工质量好、生产效率高等优点。为异形结构件加工、超小孔加工、群孔加工、线切割加工等微细电解加工领域进行纳米级的加工试验研究开辟了崭新的方向。

Description

超薄工件的电解加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超薄工件的电解加工方法及装置，属于精密微细电化学加工领域。

背景技术

随着科学技术和现代工业的发展，功能结构的微型化已成为航空航天、生物医学工程和精密仪器等众多领域的发展趋势，结构尺寸也相应的减少到微米，甚至是纳米级别，机械零件正朝着“小”、“薄”、“轻”的方向发展。服役的微小型构件，要求其表面无毛刺、光整，否则彼此间的摩擦力将给机构运动造成严重阻碍，这使得薄工件的制造精度尤为重要。研究并开发成本低且加工质量好的微小型构件制造技术已经成为当前的研究热点之一。

在加工中常遇到薄型工件，我们通常将厚度不大于2.0mm的工件（板材）称为薄板，将厚度小于1.0mm的工件称为超薄工件。对于薄工件和超薄工件，由于工件自身的刚性不足、柔性有余，采用常规的装夹不能达到加工精度，而且因夹紧力造成工件弹性变形致使产生形状误差。传统的机械加工，如冲床加工加工边缘会出现较多的毛刺并留有残余应力；磨削加工对保证薄工件的直线度、平面度及平行度等技术的要求较高，加工具有一定的难度，并且由于工件非常薄，吸收热量大，变形大，常翘曲、打卷，极易被切削热烧坏，出现糊痕，使工件变得极脆而失去其材料应有的性能。因此，超薄工件的加工成为了一个难点。

目前，针对传统加工在薄工件加工中出现的问题，工业生产中通常采用特种加工技术对薄工件进行加工。华南理工大学广州学院的梁建钊等采用电火花线切割技术对多片薄工件进行加工研究。电火花线切割加工是用移动的细金属丝（通常是钼丝或铜丝，直径0.08~0.25mm）作为电极，在工件与电极丝之间加脉冲电压，并在它们之间浸泡工作液介质；脉冲电压将它们之间的工作液击穿，以产生放电通道，瞬间温度高达10000℃以上，高温将工件熔化甚至汽化，从而实现对工件的蚀除加工。数控线切割可以通过调整间隙补偿量来保证配合和加工精度，同时电极丝和放电间隙非常小，切缝约0.2mm，可以加工各种形状复杂的薄工件，如微小孔、窄缝、窄槽、异性工件等。但这种方法仍存在一些不足，如电极损耗较大、工件的加工精度和装配精度难以保证，并会使工件表面有金相组织变质层，在快走丝的情况下，电极丝失去了加工厚工件时应产生的冷却液的阻尼作用，又加上火花放电的影响，因而电极丝很容易产生抖动。另外，切割薄工件的速度快，变频进给也很快，而步进电机的速度有一定的技术范围，速度太快时会产生失步和丢步现象，这些都会影响工件的加工精度。

电解加工具有加工不受材料强度和硬度限制、工具电极无损耗、加工工件表面无残余应力和再铸层、加工质量好、生产效率高等优点。目前对超薄工件进行电解加工的尝试主要有高频群脉冲电解加工（HGPECM），北京理工大学的吴高阳等对高频群脉冲电信号的构成、反向电流与脉冲电源调制频率、HGPECM的成型与阴极设计进行了研究，通过试验证明该方法能显著改善极间电解液流畅特性并降低电极钝化而获得良好的加工效果。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出了一种可以保证超薄工件的直线度、平面度及平行度，避免因装夹产生形变等问题的电解加工方法及装置。

一种超薄工件的电解加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.将纳米电极与金属圆环分别固定在左右两个载物台上，超薄工件通过金属丝悬挂在金属圆环内；用滴管吸取电解液并注入金属圆环，形成一层薄薄的电解液液膜，超薄工件浸在电解液液膜中；步骤2.纳米电极装夹在第一载物台上与电源的负极相连，金属圆环安装在第二载物台上与电源的正极相连，通过两套三维微动控制台控制纳米电极的对刀运动，同时通过示波器采集对刀过程中的电流信号；步骤3.利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，纳米电极作为工具阴极，通过纳米电极的X、Y、Z三轴数控运动对电解液液膜中的超薄工件进行纳米电解加工。

上述超薄工件的电解加工方法，其特征在于：上述纳米电极为碳纳米管电极或金属纳米线电极，碳纳米管电极直径50-300nm、电极工作长度10-30μm、电极电阻30-150kΩ；

上述电解液液膜为0.1mol/L的H₂SO₄溶液；

上述电源为纳秒脉冲电源，加工时电压3-10V、周期50ns、脉宽5ns；

上述纳米电解加工试验所用金属圆环直径为3-10mm，使用直径为200-1000μm的铁丝或镍丝弯曲而成；

上述超薄工件的厚度为10-100μm。

实现上述超薄工件的电解加工方法的装置，其特征在于：该装置主要包括两套三维微动控制台，第一套三维微动控制台由第一X轴、第一Y轴、第一Z轴和安装于第一Z轴上的第一压电陶瓷组成，第二套三维微动控制台由第二X轴、第二Y轴、第二Z轴和安装于第二Z轴上的第二压电陶瓷组成；该装置还包括安装于第一压电陶瓷上的第一载物台、安装于第二压电陶瓷上的第二载物台，以及视觉辅助系统；

上述第一载物台用于加工时装夹纳米电极；

上述第二载物台用于加工时安装金属圆环；

上述两套三维微动控制台中第一X轴、第一Y轴、第一Z轴和第二X轴、第二Y轴、第二Z轴的位移分辨率均为100-200nm/step，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷的位移分辨率为5-20nm/step。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出了一种超薄工件的电解加工方法。该方法将超薄工件悬挂在电解液液膜中，从而避免了装夹时由于工件自身的刚性不足而产生形变，致使产生形状误差的问题；电解加工工具阴极与超薄工件无应力接触，且电解液对加工过程中产生的热量及时冷却，有效保证了超薄工件的加工质量。

2、利用电解加工对超薄工件进行加工，具有工具电极无损耗、不受工件材料强度和硬度限制、加工工件表面无残余应力和再铸层、加工质量好、生产效率高等优点。且利用纳秒脉冲电源进行加工，能显著改善极间电解液流畅特性并降低电极钝化而获得良好的加工效果。

3、利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，将纳米电极作为工具阴极对悬挂在电解液液膜中的超薄工件进行纳米电解加工，通过设置合适的加工参数（加工电压、电解液浓度、脉冲周期、脉宽等）、控制精确的加工条件，可以实现超薄工件的纳米电解加工。

4、基于显微镜物镜视场的纳米试验系统具有纳米级的运动控制精度，实现纳米级的加工进给，保证了加工精度的要求，并可以在高倍视场下观察对刀与加工过程，实现对试验过程的实时监控。

本发明将超薄工件悬挂在电解液液膜中，利用纳米尺度电极作为对超薄工件进行电解加工的工具阴极，并通过合适的加工参数设置和精确的加工条件控制，可以实现纳米级的电解加工，为异形结构件加工、超小孔加工、群孔加工、线切割加工等微细电解加工领域进行纳米级的加工试验研究开辟了崭新的方向。

附图说明

图1是超薄工件电解加工方法的系统图；

图2是超薄工件电解加工方法的装置示意图；

其标号名称分别为：1.第二X轴；2.第二Y轴；3.第二Z轴；4.运动控制卡；5.第二压电陶瓷；6.第二载物台；7.第一载物台；8.第一压电陶瓷；9.第一Z轴；10.第一Y轴；11.第一X轴；12.纳米电极；13.显微镜的物镜；14.金属圆环；15.单向透光保护镜；16.工控机；17.数据采集卡；18.示波器；19.电源；20.平台底座；21.电解液液膜；22.超薄工件；23.金属丝

具体实施方式：

图1中实现超薄工件电解加工的系统，主要由运动控制系统、电流信号监测系统及视觉辅助系统等组成。电源19可以是输出0～50V连续电压的纳秒脉冲电源，运动控制系统是由两套三维微动控制台和运动控制卡组成，第一套三维微动控制台包括第一X轴11、第一Y轴10、第一Z轴9和安装于第一Z轴上的第一压电陶瓷8，第二套三维微动控制台包括第二X轴1、第二Y轴2、第二Z轴3和安装于第二Z轴上的第二压电陶瓷5，运动控制卡4控制X/Y/Z的运动轨迹。两套三维微动控制台中X轴、Y轴、Z轴的位移分辨率均为100nm/step，压电陶瓷的位移分辨率为10nm/step，试验中通过操控两套三维微动控制台控制针尖与碳纳米管之间的微小间隙。电流信号监测系统由示波器18和数据采集卡17组成，用于监测试验中纳米电极与超薄工件接触的短路信号，以及采集加工过程中的电流信号。视觉辅助系统，可选用显微镜的物镜13放大不同倍数的视场，并利用数码摄像头将物镜中的图像数据传输到工控机上，对试验过程进行实时观测与图像采集。

由于纳米电极和普通电极在电极的材料物性以及电极的外形尺寸方面均存在差别，这势必导致两种电极在工作时电极与样品间的微观作用力的不同，以及电场定域性的差别。纳米电解加工技术是利用金属在电解液中发生电解阳极溶解的原理，采用纳米电极，结合多轴数控运动，进行金属材料的纳米级去除，可加工二维复杂形状及三维结构，对于复杂结构和高深宽比三维型腔的电解加工，可以分多层进行电解铣削。二维轮廓加工可分为沟槽加工、型腔加工等；三维轮廓加工可分为自由曲面加工和三维型腔加工。加工中，纳秒脉冲电源的正负极分别接工件和工具电极，纳米电解分层铣削加工过程可分为两个阶段：电极沿垂直工件表面向下进给加工阶段；电极进给到指定的铣削层厚度后，沿工件所在平面轨迹进行平面铣削阶段。当平面铣削完毕后，再竖直向下进给，如此不断地进行按层铣削加工，直到加工完毕。

图2中超薄工件电解加工方法的装置，将纳米电极12装夹在第一载物台7上，与电源19的负极相连；金属圆环14固定在第二载物台6上，与电源19的正极相连。超薄工件22通过金属丝23悬挂在金属圆环内；用滴管吸取电解液并注入金属圆环，形成一层薄薄的电解液液膜21。

在纳米电解加工试验中，首先分别控制第一X轴11、第一Y轴10、第一Z轴9和第二X轴1、第二Y轴2、第二Z轴3将纳米电极与金属圆环调至合适的位置；接着调节第一X轴11和第一压电陶瓷8控制纳米电极12的对刀运动，同时通过示波器18采集对刀过程中的电流信号；然后利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，通过纳米电极的X、Y、Z三轴数控运动对液膜中的超薄工件进行纳米电解加工，直至加工出所需的零件后停止。

Claims

1.一种超薄工件的电解加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.将纳米电极（12）与金属圆环（14）分别固定在左右两个载物台上，超薄工件（22）通过金属丝（23）悬挂在金属圆环（14）内；用滴管吸取电解液并注入金属圆环（14），形成一层薄薄的电解液液膜（21），超薄工件（22）浸在电解液液膜中；

步骤2.纳米电极（12）装夹在第一载物台（7）上与电源（19）的负极相连，金属圆环（14）安装在第二载物台（6）上与电源（19）的正极相连，通过两套三维微动控制台控制纳米电极的对刀运动，同时通过示波器18采集对刀过程中的电流信号；

步骤3.利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，纳米电极（12）作为工具阴极，通过纳米电极的X、Y、Z三轴数控运动对电解液液膜（21）中的超薄工件（22）进行纳米电解加工。

2.根据权利要求1所述的一种超薄工件的电解加工方法，其特征在于：

上述纳米电极（12）为碳纳米管电极或金属纳米线电极。

3.根据权利要求1所述的一种超薄工件的电解加工方法，其特征在于：上述纳米电极（12）为碳纳米管电极时，碳纳米管电极的直径50-300nm、电极工作长度10-30μm、电极电阻30-150kΩ；

上述电解液液膜（21）为0.1mol/L的H₂SO₄溶液；

上述电源（19）为纳秒脉冲电源，加工时电压3-10V、周期50ns、脉宽5ns；

上述金属圆环直径为3-10mm，使用直径为200-1000μm的铁丝或镍丝弯曲而成；

上述超薄工件（22）的厚度为10-100μm。

4.实现权利要求1所述的一种超薄工件的电解加工方法的装置，其特征在于：

该装置主要包括两套三维微动控制台，第一套三维微动控制台由第一X轴（11）、第一Y轴（10）、第一Z轴（9）和安装于第一Z轴（9）上的第一压电陶瓷（8）组成，第二套三维微动控制台由第二X轴（1）、第二Y轴（2）、第二Z轴（3）和安装于第二Z轴（3）上的第二压电陶瓷（5）组成；该装置还包括安装于第一压电陶瓷（8）上的第一载物台（7）、安装于第二压电陶瓷（5）上的第二载物台（6），以及视觉辅助系统；

上述第一载物台（7）用于加工时装夹纳米电极（12）；

上述第二载物台（6）用于加工时安装金属圆环（14）；

上述两套三维微动控制台中第一X轴（11）、第一Y轴（10）、第一Z轴（9）和第二X轴（1）、第二Y轴（2）、第二Z轴（3）的位移分辨率均为100-200nm/step，第一压电陶瓷（8）和第二压电陶瓷（5）的位移分辨率为5-20nm/step。