CN105154926B - 回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，属电加工领域。包括以下步骤：步骤1、制备空心铝回转体、空心铜回转体和铝制芯模（3）；步骤2、加工铝环薄片（1）和铜环薄片（2）；步骤3、根据所需制备的回转体内表面竹节结构形态选择合适的铝环薄片（1）和铜环薄片（2），按照铝环‑铜环多层相隔的顺序嵌套在铝制芯模（3）上；步骤4、对嵌套了铝环薄片（1）和铜环薄片（2）的铝制芯模（3）进行电铸铜加工，得到电铸件（4）；步骤5、清洗电铸后的回转体，采用碱性溶液去除铝材料，即得到材料为铜的回转体内表面竹节状微结构（5）。本发明的方法实现了回转体内表面竹节状微结构的高精度加工。
Description
所属技术领域
本发明的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法涉及电火花加工、电解加工和电铸加工，属于电加工技术领域。
背景技术
制造业是国民经济发展的支柱。“数字化、精密化、极端条件、自动化、集成化、网络化、智能化、绿色化”是先进制造技术的发展方向。其中精密化是指加工精度的提高以及产品尺寸的微型化，对于完善产品功能以及降低能耗有着重要意义。随着产品精密化、微型化的发展，一些微细窄槽、窄缝等微结构不断地被应用到现代高科技产品中。例如太赫兹馈线结构为空心回转体零件，其内表面要求有多条微细窄槽的竹节状微结构。
上述回转体内表面竹节状微结构的加工工艺是：先制备出外表面具有微细窄槽竹节状结构的芯模，再对芯模进行电铸加工，最后去除芯模得到目标结构。因此芯模的精度决定了内表面竹节状结构的精度，芯模的传统加工方法包括铣削加工、激光加工等。铣削加工一般达不到微细窄槽的尺寸要求，即使采用微细铣削也不能避免相邻窄槽间微筋肋的变形、毛刺；激光加工可以实现微细尺寸的加工，但加工表面存在变质层和微裂纹，微筋肋的变形严重。
电火花线切割是在电火花加工基础上发展起来的用一种线状电极（铜丝或钼丝）靠火花放电对工件进行切割的加工形式。加工原理是：用一根细长的金属丝做电极，并以一定的速度沿电极丝轴线方向移动，不断进入和离开切缝内的放电区域。加工时，脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝，并在电极丝与工件切缝之间喷注液体介质；同时，安装工件的工作台由控制装置根据预定的切割轨迹控制伺服电机驱动，从而加工出所需要的零件。慢走丝电火花线切割的电极丝直径可到20微米，切缝很窄，适合加工细小零件。
电解加工利用金属阳极电化学溶解去除材料。电解线切割加工时，工件接电源正极， 线电极接电源负极；当在工件和线电极上施加一加工电压后，加工区域内的工件即开始以离子形式溶解；通过运动平台带动线电极和工件做相对运动实现零件加工成形。该技术继承了电解加工的优点，同时有其自身的特点：采用简单的线电极；结合二维平面运动，能够简单地实现复杂微结构的加工；不用在加工准备阶段制造复杂的成形电极；加工准备时间短，成本低；由于电解线切割的工具电极为线电极，因而更容易加工出普通加工方法很难加工的高深宽比结构，包括制造高精度金属窄槽、窄缝和复杂直纹可展曲面。同时，电解线切割采用电解去除原理，不存在热影响层，表面质量好，尤其适合航空产品和国防高尖端武器装备中对表面质量有特殊要求（无变质层、无应力、无毛刺）的金属结构。
电铸成型是电化学加工技术中的一项精密、增材制造技术，其电化学原理为阴极沉积，即在作为阴极的原模（芯模）上，不断还原、沉积金属正离子而逐渐成型电铸件。当达到预定厚度时，设法将电铸成型件与芯模分离，获得在结合面处幅值芯模形状的成形零件。因此，电铸是利用金属的电沉积原理来精确幅值有些复杂或特殊形状的特种加工方法。
发明内容
本发明的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，实现了回转体内表面竹节状微结构高精度加工。
一种回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，过程如下：
步骤1、根据所需制备的回转体内表面竹节结构形态分别制备空心铝回转体、空心铜回转体和铝制芯模：
步骤2、根据所需制备的回转体内表面竹节结构形态将步骤1中的空心铝回转体加工成若干铝环薄片，空心铜回转体加工成若干铜环薄片；
步骤3、根据所需制备的回转体形态选择合适的铝环薄片和铜环薄片按照铝环-铜环多层相隔的顺序嵌套在铝制芯模上；其中某一铝环薄片的厚度对应内表面竹节结构在该处的间距，某一铜环薄片的厚度对应内表面竹节结构在该处的竹节高度；
步骤4、对嵌套了铝环薄片和铜环薄片的铝制芯模进行电铸铜加工，得到电铸件，其中铜环薄片和电铸铜连接为一体，形成一个完整的零件；
步骤5、清洗电铸后的回转体，采用碱性溶液去除铝材料，铜环薄片不会被碱性溶液溶解，即得到材料为铜的回转体内表面竹节状微结构。
本方法具有以下优点
1、本方法的回转体内表面竹节状微结构最后的成型加工是电铸，而电铸所需的芯模应达到足够的精度要求才能保证回转体内表面竹节状微结构的精度，芯模的传统加工方法包括铣削加工、激光加工等。铣削加工一般达不到微细窄槽的尺寸要求，即使采用微细铣削也不能避免相邻窄槽间微筋肋的变形；激光加工可以实现微细尺寸的加工，但加工表面存在变质层和微裂纹，微筋肋的热变形。本方法采用的方法是利用慢走丝电火花线切割或微细电解线切割制备出铝环薄片和铜环薄片，再将其相隔嵌套在铝棒上构成芯模。由此将传统表面微结构的高精度加工转换为铝环和铜环的薄片切割加工，容易实现；避免了传统加工存在的毛刺多，易变形的缺点，保证了芯模的结构和尺寸精度，从而提高了回转体内表面竹节状微结构的精度。
在本方法中，如上述步骤3所述：铝环薄片的厚度对应竹节间距，铜环薄片的厚度对应竹节高度。在实际生产中，回转体内表面竹节状微结构的间距参数、竹节高度可能会由实际要求的变化而变化。因此如果需要改变回转体内表面竹节状微结构的结构参数时，只需选择相应厚度的铝环薄片和铜环薄片即可，简单快速，工艺适应性强。
2、所述的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于：在上述步骤5采用碱性溶液去除铝材料前，先将铝制芯模抽出。传统的加工工艺在制作芯模时，是采用去除材料的形式来加工出芯模表面的微细窄槽，芯模在完成电铸后会被碱性溶液完全溶解去除，仅能使用一次，成本高。本方法在完成电铸后，先将中间的铝制芯模抽出再用碱性溶液溶解材料，这样可以实现铝制芯模的多次利用，节约材料，降低成本。
3、本发明的回转体内表面竹节状微结构，可以是圆柱体，也可以是异形回转体。如果回转体为圆柱体则铝制芯模为铝棒形式；如果回转体为异形回转体，此时的铝制芯模与该异形回转体形状相同，根据各个微结构节点的直径加工出相应的铝环薄片和铜环薄片，再将其相隔嵌套在异形的铝制芯模上，最后进行电铸即可得到所需的异形回转体内表面竹节状微结构。
4、所述的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于：清洗电铸后的回转体所用的溶液为KOH溶液或NaOH溶液。本方法所采取的材料组合是铝和铜，使用KOH溶液或NaOH溶液可以将铝充分溶解、完全去除，而铜得以完整保留，保证了回转体内表面竹节状微结构的尺寸精度和表面粗糙度。
附图说明
图1 铝环和铜环相互嵌套所构成的芯模示意图；
图2 对芯模进行电铸后的示意图；
图3 清洗后得到的回转体内表面竹节状微结构剖面图；
图4 异形回转体芯模示意图；
图5 清洗后得到的异形回转体内表面竹节状微结构剖面图；
图中标号名称：1、铝环薄片，2、铜环薄片，3、铝制芯模，4、电铸件，5、回转体内表面竹节状微结构。
具体实施方式
所需制备的回转体内表面竹节状微结构（非异形结构）如图.3所示，采用以下制备过程：
步骤1、制备内径为d1，外径为d2的空心铝棒和空心铜棒：
步骤2、经电火花线切割将步骤1中的空心铝棒加工成若干厚度为L1的铝环薄片1，空心铜棒加工成若干厚度为L2的铜环薄片2；
步骤3、铝制芯模3采用实心铝棒，将步骤2加工出的铝环薄片1和铜环薄片2按照铝环-铜环多层相隔的顺序嵌套在直径为d1的实心铝棒上；
步骤4、对嵌套了铝环薄片1和铜环薄片2的实心铝棒进行电铸铜加工，得到电铸件4；
步骤5、清洗电铸后的回转体，抽出实心铝棒，采用KOH溶液去除剩余铝材料，得到材料为铜的回转体内表面竹节状微结构5。
Claims (4)
1.一种回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、根据所需制备的回转体内表面竹节结构形态分别制备空心铝回转体、空心铜回转体和铝制芯模（3）；
步骤2、根据所需制备的回转体内表面竹节结构形态将步骤1中的空心铝回转体加工成若干铝环薄片（1），空心铜回转体加工成若干铜环薄片（2）；
步骤3、根据所需制备的回转体形态选择合适的铝环薄片（1）和铜环薄片（2）按照铝环-铜环多层相隔的顺序嵌套在铝制芯模（3）上；其中某一铝环薄片（1）的厚度对应内表面竹节微结构在该处的间距，某一铜环薄片（2）的厚度对应内表面竹节微结构在该处的竹节高度；
步骤4、对嵌套了铝环薄片（1）和铜环薄片（2）的铝制芯模（3）进行电铸铜加工，得到电铸件（4），其中铜环薄片（2）和电铸铜连接为一体，形成一个完整的零件；
步骤5、清洗电铸后的回转体，采用碱性溶液去除铝材料，铜环薄片（2）不会被碱性溶液溶解，即得到材料为铜的回转体内表面竹节状微结构（5）。
2.根据权利要求1所述的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于：上述铝环薄片（1）和铜环薄片（2）由慢走丝电火花线切割或微细电解线切割工艺制备。
3.根据权利要求1所述的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于：在所述步骤5采用碱性溶液去除铝材料前，先将铝制芯模（3）抽出。
4.根据权利要求1所述的回转体内表面竹节状微结构的组合电加工方法，其特征在于：清洗电铸后的回转体所用的溶液为KOH溶液或NaOH溶液。
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