CN1743117A - 脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
一种脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺及装置，属微细电解加工工艺及装置，本发明在专门研制的微细电解加工装置中，采用蒸馏水作电解液，采用高频、窄脉宽脉冲电源，采用微细电解加工阴极、微位移进给和微细电解工艺参数，实施工程实用的微细电解加工。微细电解加工装置主要部分包括螺旋压套(6)、压电陶瓷微进给(7)、阳离子交换膜(8)、辅助电极(9)、螺旋微位移调整杆(11)、工具阴极(12)、下安装座(13)、夹具主体(15)、上安装座(16)。本发明由多项技术集成，其综合效果是：阳极溶解的集中蚀除能力强，加工精度和表面质量高，对加工工件、加工环境无污染，可以实现精密、清洁、绿色的微细电解加工。
Description
一、技术领域：
本发明《脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺及装置》，属微细电解加工工艺及装置。
二、背景技术：
电解加工具有优异的工艺特点：无机械切削力，无残余应力、加工表面粗糙度低，采用成型阴极单方向进给可加工复杂的型腔、型面(成型电解加工)，或对非加工面采取相应的绝缘保护可以电解腐蚀复杂的轮廓、微孔、沟槽。由于电解加工以离子状态去除材料，基于对加工参数、特别是电参数的控制，可以精密控制去除速度及加工深度，因而微细、精密电解加工显示了诱人的开发应用前景。
电解加工作为微细加工的有效方法之一，在国外微机电系统(MEMS)制造及微细加工的研究中得到高度重视。但是，在传统电解加工中，通常采用具有一定腐蚀性、甚至是强腐蚀性的电解质水溶液作电解液，对加工环境、加工零件会产生腐蚀、污染作用，这对于微精加工要特别注意防止。对环境产生的污染问题，还可以对电解液、电解产物进行无害处理来解决；但在加工过程中对精密零件的污染、腐蚀问题，通常就很难解决；对于特别精密、复杂的零件，处理过程将非常复杂，成本也高。为了避免在电解加工过程中对工件的污染，同时也为了清洁环境，日本有学者提出超纯水电解加工的构想，而在本发明中，提出采用蒸馏水作电解液，其制备过程简单，容易操作。需要指出，在通常条件下，纯水中离子(OH-、H+)浓度只有10-7mol/L，在电场强度为4×104V/m的条件下，电流密度只能达到10-5A/cm2数量级，如此小的电流密度，还不能进行实用意义上的电解加工。而如果采用强酸性阳离子交换措施，促进、催化纯水中更多的水分子的解离(也称电离)出更多的OH-离子，则在同样4×104V/m电场强度下，电流密度可以提高到1A/cm2，甚至达到10A/cm2，为通常条件下纯水电流密度的几万倍。试验研究表明，电流密度达到(1-10)A/cm2，相应电解Cu、Mo、Fe的速度可以达到(100-101)μm/min数量级，足以满足实用微细电解加工速度的需求，展现了其在微细加工领域的应用前景。
而采用高频、窄脉宽脉冲电流，将能够进一步改善流场、电场和阳极溶解特性，使电解电流密度和加工精度都得到进一步提高，这已为研究和应用所证明。
正是基于以上介绍的背景技术，本发明将实施技术集成创新，将采用高频、窄脉宽脉冲电源，采用蒸馏水作电解液，研制专用微细电解加工装置，采用微细电解加工参数，实现工程实用的微细电解加工。
三、发明内容
本发明将提供一种全新的精密、清洁的微细电解加工工艺及其装置。
本发明的脉冲电流、蒸馏水微细电解加工方法是通过电化学阳极溶解原理，在专门研制的微细电解加工装置中，采用蒸馏水作电解液，采用高频、窄脉宽脉冲电源，采用微细电解加工阴极和工艺参数，实现工程实用的微细电解加工。其特征是：
不像通常电解加工那样采用盐、酸、碱等各类腐蚀性溶液作电解液，也不像日本资料中笼统提出的那样采用超纯水作电解液，而是采用蒸馏水作电解液；同时还采用既便于安装、又便于更换的强酸性阳离子交换膜以催化水解离而提高蒸馏水中的离子浓度，从而提高电解电流密度达到微细电解去除材料的要求。
采用高频、窄脉冲电源而实现脉冲电流微细电解加工。如此，能在采用蒸馏水作电解液进行微细电解加工优点的基础上，利用脉冲电流间歇期间去极化、散热，改善间隙的电化学、流场、电场特性，更容易实现微小间隙加工，从而提高阳极溶解的集中蚀除能力，达到提高加工精度和表面质量的目的。
采用以微小间隙(10μm-100μm数量级)为主的微细电解加工工艺参数。施加于工具阴极和工件阳极之间的脉冲电压为几伏到几十伏(1V-10V数量级)，则电场强度达104V/m-106V/m；脉冲频率在1K-10K数量级范围内变化，依据加工需要调节；如此，平均加工电流可达1A/cm2-10A/cm2，可以实现工程应用目标的微细电解加工；而且，随着微细电解加工的进行，在压电陶瓷微位移进给装置的驱动下，工件相对于阴极进给运动，其速度在(100-101)μm/min数量级，即与阳极溶解速度基本相同，如此而保证加工间隙稳定不变。
本发明具有上述综合工艺特征的脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺的装置包括：过滤器、微型水泵、压力表、球阀、脉冲电源、电解液槽以及微细电解加工装置，其特点是所述的微细电解加工装置，包括上安装座、下安装座通过轴、孔和端面定位配合，两者分别固定在夹具主体的上下端面，压电陶瓷微进给装置安装在上安装座中心孔内，保护套固定在夹具主体的上端，工件安装座通过螺纹连接，固定在压电陶瓷微进给装置的下端，工件阳极通过螺旋压套国定在工件安装座的下端面上，辅助电极和螺旋微位移调整杆分别由下安装座的上、下端插入下安装座中心孔并定位在下安装座中心，将阳离子交换摸与工具阴极定位安装于螺旋微位移调整杆的上端。
四、附图说明
图1是脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺装置的结构示意图。
图2是图1中加工区域A部分的放大示意图。
图1中标号名称：1、过滤器，2、微型水泵，3、压力表，4、球阀，5、进水接头，6、螺旋压套，7、压电陶瓷微进给装置，8、阳离子交换膜，9、辅助电极，10、调压阀，11、螺旋微位移调整杆，12、工具阴极，13、下安装座，14、出水接头，15、夹具主体，16、上安装座，17、保护套，18、脉冲电源，19、电解液槽
图2中的标号及名称与图1中的标号及名称一致，另有20、工件阳极，21、工件安装座。
五、具体实施方式
实施本发明脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺的装置，如图1与图2所示，该装置包括：过滤器1、微型水泵2、压力表3、球阀4、脉冲电源18、电解液槽19、以及微细电解加工装置。所述的微细电解加工装置的安装、连接关系是：上安装座16、下安装座13通过轴、孔和端面定位、配合，分别安装固定在夹具主体15的上、下部位，压电陶瓷微进给装置7定位安装于上安装座16中心，为保持压电陶瓷微进给装置7干燥、清洁的保护套17安装固定在夹具主体15的上端，工件安装座21通过螺纹连接、固紧在压电陶瓷微进给装置7的下端，工件阳极20通过螺旋压套6压紧固定在工件安装座21的下端面上；辅助电极9、螺旋微位移调整杆11分别由下安装座13的上、下端插入中心孔定位安装在下安装座13中央，然后再定位安装并固紧阳离子交换膜8和工具阴极12于螺旋微位移调整杆11的上端。其中阳离子交换膜8、辅助电极9、工件20、工具阴极12需要保持在如图1所示的正确位置(特别又局部放大示于图2)，以保证工件与阴极之间合适的间隙(10μm-100μm数量级)，同时在辅助电极9、工件20、工具阴极12之间形成一定的电场强度(104V/m-106V/m)，安置阳离子交换膜8以催化离子选择性透过过程，提高溶液中的离子浓度，提高电解电流密度以达到微细电解加工要求。
向加工间隙连续提供蒸馏水的电解液循环系统包括：自电解液槽19开始，经过过滤器1、微型水泵2、压力表3、球阀4、进水接头5、出水接头14、又回到电解液槽19；还包括溢流管道及其上安装的调压阀10。
高频、窄脉宽直流脉冲电源18的正、负极通过导线分别与工件阳极、工具阴极连接。
本发明脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺的原理是：采用不锈钢作阴极，其端头部分长度加工到直径φ0.1mm数量级，采用蒸馏水作电解液，利用强酸性阳离子交换膜催化水解以提高蒸馏水中OH-离子浓度，使电解电流密度提高到1A/cm2-10A/cm2，可以实现工程应用目标的微细电解加工。采用高频、窄脉冲电流进行微细电解加工，以发挥脉冲电流断电间歇期间去极化、散热，改善加工间隙中流场、电场及电化学溶解的特性，实现微小间隙加工，提高阳极溶解的集中蚀除能力，从而达到提高加工精度和表面质量。电解加工过程，阳离子交换膜8、辅助电极9与工件21之间形成的电场中，在其电场电位差驱动下，完成离子选择性透过过程，提高溶液中的离子浓度，提高电解电流密度以达到微细电解加工的要求。具体实施过程是：
调整加工间隙。按照附图1、2所示几何关系，定位安装好全部零件；旋转螺旋微位移调整杆11，微位移工具阴极12，以调整工具阴极12和工件阳极20之间的间隙(一般在10μm-100μm数量级)，如果需要更精确调整(如μm级)，还可以在采用螺旋微位移调整杆11调整后，再借助压电陶瓷微进给装置7微位移工件阳极20以实现μm级调整。
循环流动电解液(蒸馏水)。确认管道通畅、阀门位置正确无误后，开启微型水泵2，则蒸馏水从进水接头5流人加工区，然后通过出水接头14经由管道流回电解液槽19；输入加工区蒸馏水的压力借助压力表3测量显示，压力越高，也表示流量也越大，流速也越高；其调节借助于调压阀10，旁路溢流越多，则输入加工区的流量减少，压力表读数降低。
开通脉冲电源，进行脉冲电流、蒸馏水微细电解加工。在蒸馏水流动合适，并检查阴极-工件间加工间隙是设定数值，且确认没有接触短路，则开通脉冲电源，调整电源输出电压、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲间歇等电参数，进行微细电解加工，并同时开启压电陶瓷微进给装置7，保持加工过程中加工间隙稳定。加工过程，注意读取电流；但要注意，电流表只显示平均电流值，如果要动态测量，则需采用示波器或数据接口的计算机测量系统。
加工过程中的调整。除上述调整脉冲电参数、蒸馏水流动参数(以压力表3显示的压力表征)外，还可能出现由于阳离子交换膜8的面积大小、安装位置、以及是否老化等原因引起的加工电流不高而使加工过程不稳，甚至难以进行；对此，需要采取对应措施解决。
Claims (2)
1、一种脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺方法，该工艺方法基于阳极溶解原理，工具阴极—工件阳极之间保持微小间隙，采用高频、窄脉冲电流及在加工区域内使电解液低速流动，从而实现微细电解加工，其特征是：
(1)采用蒸馏水作电解液；同时还采用既便于安装、又便于更换的强酸性阳离子交换膜以催化水解离而提高蒸馏水中的离子浓度，从而提高电解电流密度达到微细电解去除材料的要求；
(2)采用高频、窄脉冲电源而实现脉冲电流微细电解加工，如此，能在采用蒸馏水作电解液进行微细电解加工优点的基础上，利用脉冲电流间歇期间去极化、散热，改善间隙的电化学、流场、电场特性，更容易实现微小间隙加工，从而提高阳极溶解的集中蚀除能力，达到提高加工精度和表面质量的目的；
(3)采用以10μm-100μm数量级微小间隙为主的微细电解加工工艺参数，施加于工具阴极和工件阳极之间的脉冲电压为1V-10V数量级，则电场强度达104V/m-106V/m；脉冲频率在1K-10K数量级范围内变化，依据加工需要调节；如此，平均加工电流可达1A/cm2-10A/cm2，可以实现工程应用目标的微细电解加工；而且，随着微细电解加工的进行，在压电陶瓷微位移进给装置的驱动下，工件相对于阴极进给运动，其速度在(100-101)μm/min数量级，即与阳极溶解速度基本相同，如此而保证加工间隙稳定不变。
2、一种脉冲电流、蒸馏水微细电解加工工艺装置，该装置包括：过滤器(1)、微型水泵(2)、压力表(3)、球阀(4)、脉冲电源(18)、电解液槽(19)及微细电解加工装置。其特征在于，所述的微细电解加工装置包括上安装座(16)、下安装座(13)通过轴、孔和端面定位、配合，分别固定在夹具主体(15)的上下端面，压电陶瓷微进给装置(7)安装在上安装座(16)中心孔内，保护套(17)固定在夹具主体(15)的上端，工件安装座(21)通过螺纹连接固定在压电陶瓷微进给装置(7)的下端，工件阳极(20)通过螺旋压套(6)固定在工件安装座(21)的下端面上，辅助电极(9)、螺旋微位移调整杆(11)分别由下安装座(13)的上下端插入下安装座(13)中心孔定位安装在下安装座(13)中央，将阳离子交换膜(8)与工具阴极(12)定位安装紧固置于螺旋微位移调整杆(11)的上端。
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