微细电解铣槽加工技术研究

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近年以来,随着先进制造技术的迅猛发展,微型零部件结构越来越广泛地应用于航空航天、生物医疗以及微机电系统(MEMS)等领域。微细电解加工技术作为微细特种加工技术之一,相比于其他微细加工技术,微细电化学加工是以离子形式进行材料去除,且加工表面质量高,无再铸层,加工工具电极无损耗,工具电极与工件不接触,无加工应力和加工热等优点,成为先进制造技术中的关键技术之一。微型槽结构作为微型结构中的基本结构单元,是涡喷式航空发动机涡轮叶片散热单元的核心结构,对其要求极其苛刻,要求具有耐高温高压,表面质量高且无再铸层,微型槽几何成型精度高等特性。本文基于微细电解加工技术,设计研制了实验室首台微细电解加工机床,基于此研制机床进行微细电解加工型槽结构进行深入研究和探索实验,并对实验结果进行分析讨论,主要从以下方面进行研究。研制实验室首台Micro ECM机床,并基于Lab VIEW平台开发机床在线控制系统。通过优化控制程序和调节机床主轴PID参数,使其运动控制系统响应时间小于0.1ms,最大超调量小于0.1μm,可实现工具电极在线制备、加工信号在线监测以及可读取CNC数控加工代码执行三维加工指令等功能,满足微细电解加工要求。本文针对微细电解铣槽加工技术中的加工参数对微型槽加工结果的影响进行探索研究实验。通过改变加工电源频率、脉宽、加工电压、工具电极转速以及电解液浓度等不同加工参数设计五组实验,加工出19组微型槽阵列,实验结果表明,采用低压高频窄脉宽加工电源结合工具电极高速旋转能够在保证加工材料去除效率的同时显著提高微细电解铣槽加工成型精度和表面质量,其加工底面表面粗糙度为80nm。针对上述实验过程中出现的微型槽左右侧壁与底面拐角曲率半径以及左右侧壁斜度偏差较大等问题,本文基于流体力学伯努利原理建立了双喷嘴对流式电解液流场模型,并设计2组对比实验进行实验验证其模型的可行性。实验结果表明,采用双喷嘴对流式电解液流场的微细电解铣槽加工能够有效均化加工区域电解液流场和电场,提高微型槽加工几何精度的一致性。其加工后微型槽结构左右侧壁拐角曲率半径平均偏差从3.66μm降低至0.34gm,其侧壁与底面拐角曲率半径值控制在8μm;微型槽结构左右侧壁斜度平均偏差从4.37°减小至0.73°,侧壁斜度几乎接近垂直,仅为91°。
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