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《南京航空航天大学》 2007年
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微细电解线切割加工技术的基础研究

王昆  
【摘要】: 电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理将零件加工成形的,其材料的减少过程以离子的形式进行。由于金属离子的尺寸非常微小,因此这种微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。电火花线切割加工是用线电极靠电火花放电对工件进行切割加工,因为电极丝的损耗,必须采用30微米以上直径的线电极,而且为了补偿金属丝损耗必须使电极丝进行快速的运动,不可避免地带来了一定程度的运动误差。因此,它的微细加工能力得到很大的限制。 本文结合微细电解加工技术和线切割的基本思想,提出一种新的微细加工方法:微细电解线切割加工。原理上阴极电极丝不会损耗,采用微米级直径的电极丝,可加工出微米至数十微米尺度的复杂微结构件。提出的技术主要面向航空航天、精密仪器、生物医疗等领域。本文的主要内容包括以下几个方面: 1.建立了微细电解线切割加工的基本理论。分析了微细电解线切割加工的特点,利用法拉第定律和巴特勒-伏尔摩方程,建立了微细电解线切割加工的理论模型,得出线电极进给速度具有理论上限。将微流体边界层理论引入到微细电解线切割加工间隙流场特性的分析中,分析了微细电解线切割加工中微尺度间隙流场下物质的输运机理,提出了加快微尺度间隙中产物排出的技术方案。 2.设计了微细电解线切割加工系统。分别对运动系统、加工检测系统、线电极系统、超短脉宽电源、电解液系统进行设计。提出了加工间隙中短路的两种类型:加工产物堵塞性短路、加工机理性短路,研究了通过统计发生短路位置的分散程度来判别短路类型的方法,实现加工间隙状态的在线检测与辨识。在加工中采用罚函数法优化线电极的进给速度,并依此设计了伺服进给控制策略。最后,基于虚拟仪器技术设计了微细电解加工控制系统及其软件。 3.提出了在线制备微米尺度线电极的新方法。用实时测量金属丝自身电阻变化的方法来控制其腐蚀到所需的尺寸,并基于有限元电场分析优化设计了电化学腐蚀装置,保证线电极的腐蚀均匀性。基于虚拟仪器技术建立了线电极电化学腐蚀法制备监控系统。微细电解线切割的线电极制作和后续加工在同一工艺系统中连续完成,工艺兼容性好,对于提高微细加工精度十分有利。通过实验制备出直径为5μm的线电极。 4.进行了微细电解线切割加工工艺的实验研究。对影响加工精度、加工稳定性和表面质量的因素进行分析。通过微缝的加工实验,全面分析了进给速度、进给频率、电参数、电解液浓度和线电极直径等工艺参数对加工的影响规律。此外,还通过实验验证了线电极相对微幅振动法改善加工稳定性的可行性。 5.进行了微细结构电解线切割加工的实验研究。提出了两种微细电解线切割的加工模式:缝槽切割和结构加工。在缝槽切割模式中,将参数曲线分割为众多直线段,使线电极始终以恒定的线速度沿参数曲线轮廓运动,获得了各种形状缝宽为15μm、深宽比为10的微细缝槽结构;在结构加工模式中,对理论轮廓进行等距偏移,加工出切缝宽度为20μm左右的微型桨叶结构和曲率半径在1μm以下的微细尖角结构。 本文对微细电解线切割加工这一微细加工新技术进行了基础研究,为特殊性能材料的微细加工提供了新的加工途径,必将对微机电系统的进一步发展起到有力的推动作用。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG662

【引证文献】
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【参考文献】
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