微小孔电火花-电解复合加工基础研究

南京航空航天大学硕士学位论文摘要微小孔在工程领域中有大量应用,例如航空发动机叶片的冷却孔，各种喷嘴孔等。

加工微小孔有许多种方法，例如机械钻孔、电火花、激光、电子束等。

机械钻孔，钻头刚度小，不适合加工高温合金等难加工材料。

采用电火花、激光、电子束加工微小孔，会在加工表面产生热影响层。

当孔结构受交变应力时，会在加工面产生疲劳裂纹，这严重影响了孔结构的性能。

采用电解加工微小孔可以避免此类问题。

电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，将零件加工成型的，其材料的减少过程是以离子的形式进行的，同时加工中阴阳极间无接触作用力，工具阴极无损耗。

因此，这种溶解去除方式使得电解加工技术在微细制造领域有着很大的发展潜力。

本文主要完成了以下内容：1)介绍了电解加工的基本原理和电解加工微小孔的各种方法。

2)详述了工具阴极的制作方法并在碱性溶液中制取阴极，并用毛细管解决了阴极侧壁的绝缘问题。

3)在酸性电解液中，利用脉冲电源和侧壁无绝缘层的钨丝在0.12mm厚的钢片上进行了加工微孔的工艺研究。

分析了孔入口处加工间隙与脉冲参数、阴极进给速度的关系。

4)利用侧壁绝缘的钨丝在1mm厚的钢片上进行了加工微孔的工艺研究。

分析了孔入口处加工间隙与脉冲参数、阴极进给速度的关系。

关键词微细电解加工；微小孔；绝缘层；毛细管；脉冲电解加工ABSTRACTThe appl i cati on of Mi cr o-holes i s a br oa d i n i n dustr y.F or e xa mp l e there are many cooling holes in jet turbine blades in aerospace ,and ma ny nozzl es are used. Many me thods to machine mi cro-holes,such as machine dril ling,Elect ro-di s charge machining, Focused io n b e a m ma c h i n i n g a n d Laser beam machining ,are employed.The aiguille’s stiffness is small in boring holes in machining hard ma terials. Electro-di sc harge machining,Laser bea m ma chining and F oc use d i on b e a m ma c hi ni ng ma y l e a ve hea t a f f e c t e d l a yer. Electrochemical machining (ECM) i s co mpetent for mi cro holes without heat affected layer.ECM i s a n anodic dis solution pr oc ess of t he wor kpi ec e in a flowi ng electr olyt e wher e the shape of the tool as cathode is copied into the w or kpi ec e a s a no d e wit h t h e re moval o f t h e a n ode i on b y i on. D u e t o t he tiny size of metal ion, this mi cr o-dis solution pr oce s s bri ngs ECM tremendous potential in the micro-machining field.The following work has been done in this paper:1)The ba sic theory of pul se ECM and the methods of ECM mi croholes are proposed.2) The cathode ar e machi ned i n alka line electrolyte and it isinsulated with the capillary tube.3) Th e experiments on the process of machining mi cro holes with thecathode wi thout the insulated layer in the thickness of 0.12mmstainl ess steel piece with pulse power are carried out in acidelectr olyt e. The ef fect of bot h el ectr ic pul se par a meter and t hevel oc i t y o f t he ca t ho de o n t he l at e ral cle ara nc e i n t h e e nt r ance o fthe hole is discussed.4) Th e experiments on the process of machining mi cro holes with thecat hode wi th the i ns ul a ed l aye r i n t h e t hi c kne ss o f 1m m st ain l e sssteel pi ece wi th pulse power ar e ca rried out in acid electrolyte.The effect of both electric pulse p ar a me t er a nd t he velocity of thecat hode on the la tera l cl earance i n the entrance of the hole isdiscussed.Keyword：m i c r o E C M,m i c r o h o l e s,i n s u l a t e d l a y e r,a c a p i l l a r y t u b e,p u l s e E C M图表索引图 1.1高频窄脉冲加工的微细结构 (2)图 1.2激光打孔典型剖面照片 (2)图 1.3电液束打孔典型剖面照片 (2)图 1.4 阴极制作方法示意图 (3)图 1.5 阴极高速钻孔和铣削微结构 (3)图 1.6 管状阴极电解加工微孔示意图 (4)图 1.7 辅助阳极电解加工示意图 (5)图 1.8 电液束加工示意图 (6)图 1.9 复合电解加工示意图 (7)图 1.10 电液束－激光复合加工示意图 (8)图 1.11 电液束－激光复合加工示意图 (8)图 1.12 超声振动电解加工示意图 (9)图 2.1 电解池和电解过程示意图 (12)图 2.2电解加工示意图 (13)图 2.3脉冲电解加工与直流电解加工的η-i对比 (16)η−曲线特性的对比 (17)图 2.4直流及脉冲加工中不同占空比的i图 3.1微细电解加工系统主体机床结构示意图 (19)图 3.2微细电解加工平台实物照片 (19)图 3.3电气结构图 (20)图 3.4数控软件界面 (20)图 3.5对刀与加工过程示意图 (21)图 3.6阴极钨丝腐蚀过程 (24)图 3.7阴极钨丝溶断过程示意图 (25)图 3.8阴极制作示意图 (26)图 3.9 直流U=10V电解腐蚀出的钨丝电极 (26)图 3.10 直流U=7V电解腐蚀出的钨丝电极 (26)图 3.11直流U=4V电解腐蚀出的钨丝电极 (26)图 3.12直流U=5V电解腐蚀出的钨丝电极 (26)图 3.13弹性石英毛细管 (28)图 3.14毛细管绝缘性试验 (30)南京航空航天大学硕士学位论文图 3.15 钨丝套毛细管照片 (30)图 4.1 电解加工的加工间隙 (31)图 4.2 侧面不绝缘阴极加工微孔示意图 (32)图 4.3 侧面间隙随加工时间变化图 (33)图 4.4电解钻孔示意图 (35)图 4.5电解孔显微照片 (35)图 4.6 加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (36)图 4.7 加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (36)图 4.8 加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (37)图 4.9 加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (38)图 4.10加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (39)图 4.11加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (39)图 4.12 加工间隙∆s随阴极进给速度变化 (40)图 4.13脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (41)图 4.14脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (41)图 4.15脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (41)图 4.16脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (42)图 4.17脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (42)图 4.18脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (43)图 4.19脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (43)图 4.20脉冲频率对加工间隙∆s的影响 (43)图 4.21脉冲宽度T o n =0.1ms，加工间隙∆s随加工参数的变化 (44)图 5.1 侧面绝缘阴极加工微孔示意图 (45)图 5.2电解钻孔示意图 (46)图 5.3微孔扫描电镜照片 (46)图 5.4加工间隙∆s随脉冲占空比的变化 (47)图 5.5加工间隙∆s随脉冲占空比的变化 (48)图 5.6加工间隙∆s随脉冲占空比的变化 (49)图 5.7加工间隙∆s随脉冲占空比的变化 (50)图 5.8加工间隙∆s随脉冲频率的变化 (50)图 5.9加工间隙∆s随脉冲频率的变化 (51)微细电解钻孔工艺研究图 5.10加工间隙∆s随脉冲频率的变化 (52)图 5.11加工间隙∆s随脉冲频率的变化 (52)图 5.12加工间隙∆s随脉冲频率的变化 (53)图 5.13 v=25(step/s),加工间隙∆s随脉冲参数的变化 (54)表 3.1 毛细管型号表 (29)表 4.1阴极进给速度对∆s影响 (35)表 4.2阴极进给速度对∆s的影响 (36)表 4.3阴极进给速度对∆s的影响 (37)表 4.4阴极进给速度对∆s的影响 (38)表 4.5阴极进给速度对∆s的影响 (38)表 4.6阴极进给速度对∆s的影响 (39)表 5.1加工间隙∆s随脉冲占空比变化表 (47)表 5.2加工间隙∆s随脉冲占空比变化表 (48)表 5.3加工间隙∆s随脉冲占空比变化表 (48)表 5.4加工间隙∆s随脉冲占空比变化表 (49)南京航空航天大学硕士学位论文符号索引符号物理意义单位n 原子价A 元素的原子量F 法拉第常数C/mol W 阳极溶解的金属质量gQ 电量 Ck 电化当量g／A⋅s I 电流 At 时间sγ元素的密度g/cm3 r 脉冲占空比v a电解加工速度(阳极溶解速度) mm/min v0阳极上离阴极较近点的溶解速度mm/min v1阳极上离阴极较远点的溶解速度mm/min L 阳极上远近点的溶解速度比m 幂指数c 常数v 阴极进给速度mm/s i 电流密度Α/cm2η电流效率f 脉冲频率Hzi切断电流密度Α/cm2 0p a气体压力MPa T o n电流导通时间msT o f f电流关断时间ms承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

微小孔的电解加工工艺研究陈辉;王玉魁;王振龙【摘要】为了研究微小孔的电解加工工艺,采用在线加工的微细电极和超短脉冲电压,以及复合电解液电解加工微小孔.通过在线加工电极,避免了电极的二次装夹,提高了加工孔时的定位精度.实验中,分析了不同种类的电解液及其浓度、加工电压以及脉冲宽度对微小孔加工精度的影响.实验结果表明,添加络合剂的钝化电解液既能溶解阳极的电解产物,避免发生短路,提高了加工的稳定性,又不会增大加工间隙.而超短脉冲电压能明显减小微小孔加工的侧面间隙,并保证孔直径的一致性.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】5页(P17-20,31)【关键词】微细电解;微细电极;微小孔;超短脉冲电压【作者】陈辉;王玉魁;王振龙【作者单位】哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学微系统与微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG662微小孔结构在微小机械零件加工中占有重要的比重。

一般将直径0.3～1.0mm的孔称为小孔,将直径＜0.3mm的孔称为微孔。

微小孔的应用十分广泛,如燃料喷嘴(内燃机)、化纤细丝喷嘴、医用流量计、喷码机喷嘴等的微小孔加工[1]。

微小孔的加工方法有机械钻削、冲压、电火花加工、超声加工、激光加工、电子束加工和离子束加工等。

与其他加工方法相比,由于电解加工金属是以离子形式去除,对材料的破坏小,几乎没有切削力,很适合金属材料的微细加工[2]。

电解加工微小孔的方法有多种。

如:掩膜电解加工可在镍、钼、不锈钢等金属材料上加工微小孔,用于喷墨打印机喷嘴和MEMS器件[3];喷射电解液电解加工,可在钛表面快速加工数百个孔,在曲面上也能加工出高深径比的孔,但它的加工精度与掩膜加工相比低很多[4]。

德国的研究人员采用纳秒超短脉冲电源,可把工件上的电化学反应限制在几微米的范围内,为电化学微细加工金属材料奠定了基础。

基于电火花-电解复合加工方法的微小孔制造
徐正扬;张辰翔
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2018(061)003
【摘要】航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的制造一直是难点所在.提出了微小孔电火花-电解同步复合加工方法,通过电火花加工和电化学溶解同步进行,实现小孔的高效无重铸层制造.针对电火花-电解复合加工方法进行了试验研究,观测了复合加工过程中的试验现象,研究了加工过程中的电压电流波形和加工产物成分,计算了电化学溶解作用占复合加工材料去除量的比例,分析了工作液电导率对电极损耗的影响,比较了复合加工与纯电火花加工后的微小孔加工质量.试验结果表明,电火花-电解复合加工可以在微小孔制造完成的同时,有效去除孔壁上的重铸层.提出的方法可以为实现航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的高效无重铸层制造提供新的解决途径,并可用于其他微小群孔类零部件的加工.
【总页数】7页(P16-22)
【作者】徐正扬;张辰翔
【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京 210016;南京航空航天大学机电学院,南京 210016
【正文语种】中文
【相关文献】
1.Ti60电解电火花复合加工微小孔试验研究 [J], 张茜熙
2.微小孔电火花-电解复合加工基础研究 [J], 张彦
3.Ti60电火花-电解双电源复合加工微小孔试验研究 [J], 黄绍服;张茜熙;张建翔;李君
4.Ti-46Al合金微小孔电火花-电解复合加工工艺研究 [J], 黄绍服;邵骏灵;李君;孙伦业;朱延松
5.微小孔电火花电解复合加工关键技术研究 [J], 刘斌; 吴强; 成哲
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高速电火花小孔加工技术的研究和优缺点分析摘要本文总结了高速电火花小孔加工技术的原理，技术特点以及其相比较其他常规的小孔加工加工工艺的优缺点分析【关键词】电火花加工深小孔加工研究现状高速电火花小孔加工技术优缺点分析1.概述随着科学技术的进步和工业生产的发展，微孔及深孔的应用越来越广泛。

在喷油嘴、过滤器、喷丝板孔、印刷电路板以及打印机打印头等元器件上都能见到微小孔的踪迹。

传统观念认为直径为0.1-3mm的孔为小孔，小于0.1mm的为微孔，深径比大于10以上的孔称为深孔。

微小深孔的加工在工艺上是比较困难的，例如用线切割加工的模具的穿丝孔，其结构尺寸直径为1mm左右，深径比为(20-100):1。

特别是对孔径尺寸和孔的精度有一定要求的孔，加工起来更加困难，例如航空发动机零件的发汗孔，孔径一般在几十微米，用传统工艺方法已经很难实现对上述孔的加工。

电火花小孔加工就体现了它的优势。

电火花加工小孔常用于高硬度金属材料的加工中，它在提高生产效率和增加孔的深径比等方面有一定的优势。

但是成型精度不易控制，因而需要对高速电火花深小孔加工技术及优缺点进行深入分析。

2.背景2.1 深小孔加工现状孔加工是机械加工中所占比例较大的一道重要加工工序。

据统计，孔加工约占机械加工总量的三分之一，占机械加工时间的四分之一。

在孔加工中尤其以深小孔的加工最为困难。

深小孔的加工在机械加工中面临很大的挑战，特别是在模具钢、硬质合金、陶瓷材料和聚晶金刚石等高强度、高硬度的材料上进行深小孔加工尤为困难。

机械加工方法效率很低，例如采用金刚石钻头加工，主轴转速2000 r/min，进给速度200 mm/ min，只能加工深径比小于20:1的孔。

随着加工深度的增加导致排屑不畅，甚至无法正常加工。

随着现代科学技术和工业生产的发展，对难加工材料上的小孔加工技术有了迫切的需求。

机械钻削方法在高硬度材料上加工深小孔效率很低，孔越深，切屑越不容易排出，在出口处容易发生堵塞，再者是很难将切削液导入切削区，由于加工不稳定钻头容易折断，这些因素都将导致孔的精度下降(包括孔的圆柱度及表面粗糙度)。

微细及小孔电火花加工的关键技术研究的开题报告1. 研究背景微细及小孔电火花加工（Micro-Electrical Discharge Machining，简称Micro-EDM）是一种高精度、高效率、非接触的微细加工技术，可用于加工半导体材料、陶瓷材料、硬质合金材料以及其他难加工材料。

然而，Micro-EDM加工仍存在许多技术瓶颈，特别是在加工大深度、小直径（Diameter<20μm）的细微孔道时，加工效率和精度均面临巨大挑战。

为了解决这些技术难题，需要深入研究Micro-EDM过程的关键技术，提高Micro-EDM加工的效率和精度。

2. 研究目的本研究旨在探究Micro-EDM加工中的关键技术，针对大深度、小直径孔道加工难题，研究并优化Micro-EDM加工参数，提高加工效率和精度，从而为微细及小孔电火花加工技术的发展提供技术支撑。

3. 研究内容（1）Micro-EDM关键技术研究本文将从放电控制方法、电极、工作液以及辅助气体等方面对Micro-EDM关键技术进行研究，探讨各项技术对加工效率和精度的影响。

（2）大深度、小直径孔道加工技术研究本文将研究各项Micro-EDM加工参数对大深度、小直径孔道加工的影响，分析加工过程中的孔道直径误差、加工深度误差等问题，并提出相应的加工优化方案，提高Micro-EDM加工效率和精度。

4. 研究方法（1）理论分析法本文将从Micro-EDM加工过程的放电机理、放电脉冲参数、工作液理论等角度进行理论分析，明确放电控制方法以及其他关键技术。

（2）实验室实验法本文将在微细加工实验中采用一系列微细加工实验，探讨Micro-EDM加工的关键技术和影响因素，进行加工参数优化，提高加工效率和精度。

5. 研究意义研究Micro-EDM加工技术的关键技术，探讨大深度、小直径孔道加工技术优化方案，对提高Micro-EDM加工效率和精度，推动微细及小孔电火花加工技术的发展具有重要意义。

三维微结构微细电火花和电解组合加工实验研究胡满红;李勇;佟浩;马晓宇【摘要】提出一种微三维结构的微细电火花和微细电化学组合加工工艺,利用三维伺服扫描微细电火花加工快速去除三维型腔材料和微细电解铣削加工形成高精度和高质量三维型腔轮廓表面的互补优势,实现三维微结构的高效率和高精度加工.该组合加工工艺可在同一台微细电加工装置上进行.以在四方体型腔内形成设计尺寸为400 μm×400 μm×180 μm四棱柱结构的加工为例,实验加工出尺寸为410μm×406 μm×181 μm的四棱柱结构,加工材料的去除速度分别为微细电火花加工31 182 μm3/s,微细电解加工11 017 μm3/s,得到了加工效率和加工精度的优化组合.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2010(000)002【总页数】6页(P28-32,37)【关键词】微三维结构加工;组合加工工艺;伺服扫描微细电火花加工;微细电解铣削加工【作者】胡满红;李勇;佟浩;马晓宇【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TG661微细电火花加工技术和微细电化学加工技术都适于三维微结构的加工。

微细电火花加工依靠电能在放电间隙放电产生的热能熔化蚀除金属;而微细电解加工利用电流流过加工间隙,使金属在电解液中以阳极离子形式溶解来蚀除金属。

两种加工技术都是利用电能蚀除金属材料,在加工设备上有很大的共性,都是由三维运动平台、脉冲电源、工作液循环系统等组成,可方便地在一台设备上实现两种加工技术的复合或组合。

三维结构的电加工方法可分为成形电极法和简单电极分层扫描成形法。

而对于三维微结构加工来说,由于微细成形电极的制造本身就很困难,且在微细电火花加工中电极损耗相对严重,在微细电解加工中平衡稳定的加工间隙难以控制,所以成形电极法在三维微结构加工中很少采用。