CN108480805A - 微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，属于电化学加工技术领域。其主要特征在于：电解线切割加工时在线电极下部通入微纳米气泡。大量的微纳米气泡进入电解加工间隙中，其数量远远超过了电解加工过程中电解反应产生的气泡，电解加工产生的少量微小气泡便可忽略，改善了加工间隙内气泡分布“上部大且多，下部少且小”的不均匀现象，提高了加工间隙内电场分布的一致性，提升了微细电解线切割加工的精度；同时微纳米气泡会吸附加工间隙中不溶性电解产物，并携带其离开加工间隙，防止不溶性电解产物在线电极表面沉积或在加工间隙内堆积，减少了由于不溶性电解产物在加工间隙中堆积而引起的短路，提高了电解线切割加工的稳定性。

Description

微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法
技术领域
本发明涉及一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，属于电化学加工技术领域。
背景技术
微细加工技术是微机电系统技术的基础和核心，也是制造其他微型零件或局部具有微细结构零件的关键技术。常见的微细加工技术有微细切削加工、微细放电加工、微细电解加工、激光微细加工、聚焦离子束加工、微细超声加工、微细束流加工以及复合微细加工方法。在上述各种方法中，人们常选用微细电解加工方法用于微细制造，这是因为微细电解加工是基于金属在电解液中发生电化学溶解的原理对金属材料进行加工成形的。电化学溶解过程中，工件以离子的形式被蚀除，加工精度高，工具阴极上仅析出氢气，电极本身不会发生溶解，且不与工件接触，不会损耗。此外加工过程中，也不会产生加工应力、再铸层和热变形等，并且可以忽略材料的强度、硬度等机械加工性能。
微细电解线切割是采用直径为十微米至数百微米的导电丝作为工具阴极，结合多轴数控运动，实现对工件的切割。相对其他电解加工方法，它大大节省了加工制造工具阴极的成本，操作比较简单，易于实现。微细电解线切割加工过程中，线电极表面发生还原反应产生氢气，氢气泡在加工间隙内靠自身浮力上升，由于气泡数量较少、尺寸过小，上升速度较慢，气泡缓慢上升时，与其他气泡合并变大，形成了间隙内上部气泡多且大、下部气泡少且小的分布现象，而气泡影响着电场的分布，使得加工间隙内电场分布不一致，电场分布较强的部分被蚀除较多，电场分布较弱的部分被蚀除较少，加工精度较低；工件表面发生氧化反应产生不溶性电解产物，不溶性电解产物在加工间隙内靠自身重力和电解液浓度差作用来进行扩散，其扩散速度过于缓慢，堆积在加工间隙内极易引起短路，加工稳定性较差。
针对上述问题，许多学者进行了大量的研究，并提出了一些改进方法。比如：轴向冲液电解线切割方法，利用高速流动的电解液快速冲进切缝，带走切缝中的电解产物，达到快速更新电解液的目的，提高了电解加工效率和稳定性，但是由于电解液从喷嘴中射出后易扩散，加工精度较差；线电极单向走丝、往复走丝以及工件或工具电极低频振动等电解线切割方法，它们都是利用电极丝相对工件做轴向运动，对加工间隙内的电解液进行拖拽，促进电解产物的排出和电解液的更新，但是线电极表面光滑，对电解液的拖拽、扰动能力有限，切缝中的电解液更新仍然较慢，电解加工效率增加不明显，并且不溶性电解产物会在线电极表面沉积，改变了线电极形状，影响着电场的分布；亲水性电极和非圆截面电极电解切割方法，它们是在线电极表面加工出微织构或者螺旋沟槽等来提高线电极表面的亲水性，增大线电极对电解液的拖拽力来加快电解产物的排出和电解液的更新，虽然有一定的效果，但是并不理想，这是因为在线电极表面加工微织构或者螺旋沟槽等结构，属于对线电极减材加工，使得线电极张力减小，容易被拉断或者在加工过程中发生短路时易熔断，并且电极丝做轴向运动时会产生颤动，影响着电解线切割加工的精度和稳定性。
因此，如何快速高效排出切缝中的电解产物、提高电解加工的精度及稳定性仍是微细电解切割加工时存在的重要难题。
发明内容
针对微细电解线切割加工时加工间隙内电解产物排出困难、加工精度及稳定性较低的问题，本发明提出了一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法。
一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：微细电解加工时，在线电极下部注入微纳米气泡，大量的微纳米气泡进入加工间隙内，其数量远远超过了电解加工过程中电解反应产生的气泡，电解产生的少量微小气泡便可忽略，改善了加工间隙内气泡分布不均匀现象，减小了因加工间隙内气泡分布不均匀对电场分布的影响，电场分布一致性得以提高，电解加工精度得以提升；微纳米气泡尺寸大小为百纳米到数十微米，由微纳米气泡发生器产生的持续不断的微纳米气泡快速穿过加工间隙，吸附并携带出加工间隙内的不溶性电解产物，防止不溶性电解产物在加工间隙内堆积而引起的短路，提高了电解线切割加工的稳定性。
所述的微纳米气泡，其特征在于：微纳米气泡为氦气泡，这是因为氦气密度远小于空气（空气的密度为1.29kg/m3，氦气的密度为0.1786kg/m3），在电解液中更容易上浮，而且化学性质极不活泼，典型的惰性气体。微纳米气泡的尺寸大小为百纳米到数十微米，由微纳米气泡发生器产生，持续不断的微纳米气泡快速穿过加工间隙，吸附并携带出加工间隙内的不溶性电解产物，防止不溶性电解产物在电解间隙内堆积，减少了电解加工过程中的短路现象，提高了电解加工的稳定性，同时也防止了不溶性电解产物在线电极表面的沉积，保证了线电极表面的一致性，减少了因线电极形状变化而引起的电场分布变化；
所述的微纳米气泡发生器，其特征在于：微纳米气泡发生器由微孔陶瓷制造而成，微孔陶瓷是指陶瓷内部含有大量开口的微小气孔的陶瓷体，其孔径一般为微米级或亚微米，氦气在微量气泵的驱动下，经过微纳米气泡发生器中微孔陶瓷的分散，在电解液中形成微纳米气泡。在线电极下部位置处，将微纳米气泡发生器安装在线电极夹具中，随线电极同步进给，使得微纳米气泡沿线电极轴向穿过加工间隙。
本发明的有益效果在于：
1、在线电极下部沿线电极轴向加工间隙内注入微纳米气泡，其数量远远超过了电解加工过程中电解反应产生的气泡，电解加工产生的少量微小气泡便可忽略，改善了加工间隙内气泡分布“上部大且多，下部少且小”的不均匀现场，提高了加工间隙内电场分布的一致性，提升了微细电解线切割加工的精度；
2、微纳米气泡会吸附加工间隙中不溶性电解产物，并携带其离开加工间隙，防止不溶性电解产物在加工间隙内堆积，减少了由于不溶性电解产物在加工间隙中堆积而引起的短路现象，提高了微细电解线切割加工的稳定性；
3、微纳米气泡将不溶性电解产物携带出加工间隙，防止不溶性电解产物在线电极表面的沉积，保证了线电极表面的一致性，减少了因线电极形状变化而引起的电场分布变化。
附图说明
图1是微纳米气泡辅助微细电解线切割加工系统示意图；
图2是微纳米气泡辅助微细电解线切割加工工件示意图；
图3是无微纳米气泡辅助微细电解线切割加工工件示意图
其标号名称分别为：1、三坐标移动平台，2、运动控制卡，3、工控机，4、脉冲电源，5、流通管道，6、变量泵，7、过滤器，8、储液箱，9、电解液，10、隔振平台，11、微量气泵，12、氦气源，13、线电极夹具，14、线电极，15、微纳米气泡发生器，16、电解槽，17、工件，18、工件夹具，19、微纳米气泡，20、不溶性电解产物，21、溢流板。
具体实施方式
根据图2所示，本发明提出的一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：微细电解加工时，在线电极14下部注入微纳米气泡19，大量的微纳米气泡19进入加工间隙内，其数量远远超过了电解加工过程中电解反应产生的气泡，改善了加工间隙内气泡分布“上部大且多，下部少且小”的不均匀现场，减小了加工间隙内气泡分布不均匀对电场分布的影响，提高了加工间隙内电场分布的一致性，提升了微细电解线切割加工的精度。
所述的微纳米气泡19为氦气泡，这是因为氦气密度远小于空气（空气的密度为1.29kg/m3，氦气的密度为0.1786kg/m3），在电解液9中更容易上浮，而且化学性质极不活泼，典型的惰性气体。微纳米气泡19的尺寸大小为百纳米到数十微米，由微纳米气泡发生器15产生，持续不断的微纳米气泡19快速穿过加工间隙，吸附并携带出加工间隙内的不溶性电解产物20，防止不溶性电解产物20在电解间隙内堆积，减少了电解加工过程中的短路现象，提高了电解加工的稳定性，同时也防止了不溶性电解产物20在线电极14表面的沉积，保证了线电极14表面的一致性，减少了因线电极14形状变化而引起的电场分布变化。
所述的微纳米气泡发生器15由微孔陶瓷制造而成，微孔陶瓷是指陶瓷内部含有大量开口的微小气孔的陶瓷体，其孔径一般为微米级或亚微米，氦气在微量气泵11的驱动下，经过微纳米气泡发生器15中微孔陶瓷的分散，在电解液9中形成微纳米气泡19。在线电极14下部位置处，将微纳米气泡发生器15安装在线电极夹具13中，随线电极14同步进给，使得微纳米气泡19沿线电极14轴向穿过加工间隙。
下面结合图1和图2说明实施本发明——“一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法”的操作过程。
步骤1、线电极14安装在线电极夹具13中，在线电极14下部位置处，将微纳米气泡发生器15安装在线电极夹具13中，使其随线电极14同步进给，同时使得微纳米气泡19沿线电极14轴向穿过加工间隙，将线电极夹具13安装在三坐标移动平台1的Z轴上；
步骤2、工件夹具18安装在电解槽16中，工件17装夹在工件夹具18中；
步骤3、通过流通管道5，安装连接储液箱8、过滤器7、变量泵6、电解液槽11，启动变量泵6，电解液9经过滤器7注入电解槽11中，使工件15沉浸其中。随着电解液9的不断注入，微纳米气泡19、不溶性电解产物20随电解液9从溢流板21处溢出，并经流通管道5流回储液箱9；
步骤4、启动微量气泵11，氦气在微量气泵11的驱动下，经过微纳米气泡发生器15中微孔陶瓷的分散，在电解液9中形成微纳米气泡19，大量的微纳米气泡19沿线电极14轴向向上运动；
步骤5、工件17接脉冲电源4正极，线电极14接脉冲电源4负极，启动脉冲电源4；
步骤6、利用工控机3通过运动控制卡2控制三坐标位移平台1，使线电极14和工件17在平面上产生相对运动，实现对工件17的切割加工；
步骤7、加工完毕，分离、清洗工件17。

Claims (3)

1.一种微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：
电解线切割加工时，在线电极（14）下部位置处，将微纳米气泡发生器（15）安装在线电极夹具（13）中，使其与线电极（14）同步进给；
由微纳米气泡发生器（15）产生的微纳米气泡（19）沿线电极（14）轴向进入加工间隙内，其数量远远超过了电解加工过程中电解反应产生的气泡，电解加工产生的少量微小气泡便可忽略，改善了加工间隙内气泡分布不均匀现象，减小了加工间隙内气泡分布不均匀对电场分布的影响，提高了加工间隙内电场分布的一致性，提升了微细电解线切割加工的精度；
微纳米气泡（19）尺寸大小为百纳米到数十微米，由微纳米气泡发生器（15）产生的持续不断的微纳米气泡（19）快速穿过加工间隙，吸附并携带出加工间隙内的不溶性电解产物（20），防止不溶性电解产物（20）在加工间隙内堆积而引起的短路，提高了电解线切割加工的稳定性。
2.根据权利要求1所述的微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：微纳米气泡（19）为氦气泡。
3.根据权利要求1所述的微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：微纳米气泡发生器（15）由微孔陶瓷制造而成，微孔陶瓷是指陶瓷内部含有大量开口的微小气孔的陶瓷体，其孔径为微米级或亚微米级，气体在微量气泵（11）的驱动下，经过微纳米气泡发生器（15）中微孔陶瓷的分散，在电解液（9）中形成微纳米气泡（19）。
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