双极性脉冲辅助电极微细电解加工技术研究

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硬质合金是通过粉末冶金工艺将硬质化合物和金属粘结剂烧结而成的一种复合材料,由于其具有高弹性模量、高硬度、高导热性、抗冲击性和耐磨性等出色的机械物理性能而被广泛应用于微电子、汽车制造、生物医疗等行业。然而,这也为这类极其坚硬材料的微细加工带来了较大的难度。微细电解加工是一种加工范围广、工具无损耗和无机械应力的加工方法,但对碳化钨硬质合金的电解加工通常需要在强酸或强碱电解液中进行,这带来了严重的环境安全问题。近年来,有人成功利用双极性脉冲在中性电解液中实现了碳化钨硬质合金的电解加工,但是在负脉冲作用时会因此带来工具电极损耗的问题,因而丧失了电解加工的一个重要优势。本文针对采用双极性脉冲进行电解加工碳化钨硬质合金时存在工具损耗的问题,提出了一种利用牺牲辅助电极进行双极性电解加工的新方法。通过正、负脉冲作用期间内,工具电极和辅助电极分时分别与工件组成电解加工回路,进而实现对碳化钨硬质合金表面微结构(微孔和微沟槽等)的工具电极无损耗电解加工。论文的主要研究内容包括:(1)从硬质合金加工方法的国内外研究现状出发,提出双极性脉冲辅助电极电解加工方法。在由工具电极、工件电极、辅助电极和中性电解液组成的电解加工系统中引入双极性脉冲,当体系处于正脉冲状态时,工件阳极与工具阴极形成回路进行电解加工,工件溶解并在表面生成WO3钝化膜;当体系处于负脉冲状态时,工件阴极与辅助电极(阳极)形成回路,使工件表面生成OH-,从而在正脉冲状态时溶解WO3钝化膜,达到进一步溶解工件的目的,同时保证工具电极不发生腐蚀行为。通过不断施加双极性脉冲电压和控制工件与工具之间的相对运动即可加工出微结构。(2)通过电化学工作站测量YG8硬质合金的极化曲线,了解该材料在中性电解液中的溶解行为。利用COMSOL Multiphysics建立由电场和气液两相流场组成的加工间隙的二维轴对称模型,在负脉冲电压下,对电解加工区域的电流密度、气体体积分数、流体流速分别进行了仿真分析。仿真结果表明,工件表面产生的气泡会带来水动力流,从而对工件表面产生冲刷,促进了电解产物的顺利排除。(3)根据双极性脉冲辅助电极电解加工碳化钨硬质合金原理,基于FPGA控制芯片和利用由氮化镓(Ga N)晶体管组成的多路高速开关,通过直流电压斩波方法,研制出双极性脉冲微细电解加工电源,实现了电压、频率和占空比可任意调节。(4)利用研制的双极性脉冲电源对YG8硬质合金开展电解加工工艺试验,在中性电解液条件下,试验对比了单极性脉冲电解加工和双极性脉冲辅助电极电解加工方法,试验结果显示,在双极性脉冲条件下可以加工微孔且工具电极无损耗,而单极性条件基本无加工,证实了论文所提方法的正确性,也证明了论文研制电源的有效性。在此基础上,研究了负脉冲电压、脉冲频率,脉冲占空比等参数对加工微孔表面的影响,结果表明,增大负脉冲电压有利于提高析氢反应速度,从而获得较好的微孔形貌;而增加脉冲频率和降低正脉冲宽度,可以减少微孔表面的杂散腐蚀,同时获得较好的微孔形貌。最后使用直径110μm的钨丝,通过双极性脉冲辅助电极微细电解加工方法,在YG8硬质合金表面上加工出宽度和深度分别为180μm和48μm的微槽。
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