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《湖南大学》 2009年
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纳秒脉宽脉冲电化学微加工机床关键技术研究

罗红平  
【摘要】:电化学微加工技术(Electrochemical Micromachining,ECMM)由于具有加工单位小(0.1nm以下)、无宏观加工作用力、加工的表面质量好(无残余应力、表面变质层和热影响层)、工具无损耗、可实现多样化的工艺、具备三维加工的能力等众多突出优点而成为微细制造领域当中很有发展前途的热点研究课题。为了实现电化学微加工,需要采取有效措施克服传统电解加工所特有的杂散腐蚀现象,增强电化学反应的定域性;同时还要使加工系统的运动部件具有很高的运动精度,以满足微加工的要求。鉴于超短脉宽脉冲电源在保证加工精度和稳定性方面的特殊作用,本文以设计一套实现纳秒脉宽脉冲电化学微加工的机床为主要目标,对该机床的关键技术开展了相关研究。 从电化学的基本原理出发,概括总结了纳秒脉宽脉冲电化学微加工的基本理论,阐释了纳秒脉宽脉冲电化学微加工能够实现微米/亚微米级精度加工的根本原因,建立了描述电化学微加工成形规律的理论模型,对其进行了数值仿真;实际构建了电化学微加工机床系统,介绍了电化学微加工机床的运动平台、加工电源、电解液槽、显微观测等各部分的硬件组成,控制系统硬件,控制流程及控制软件设计等方面的具体内容;针对纳秒脉宽脉冲电化学微加工加工状态的监测与控制中对于高频/甚高频信号高速采集的困难,提出了将极间的超短脉宽电压信号转化为近直流信号再进行采集的解决方法,设计了极间电压的转换调理电路,实现了对加工状态的自动识别与监控。 首次提出一种新型柔性回转轴承及其主轴单元的设计方案。由于这种轴承利用柔性元件的弹性变形实现运动导向,因此其重复运动精度极高,理论上可以实现零误差的回转运动,而且其回转运动平稳、无机械摩擦磨损和运动间隙、无需润滑、可靠性高、结构适宜微小型化。从柔性回转轴承的设计理念和总体设计原则出发,提出了一系列的相关设计准则,对材料的选择、应力的分析与计算(如非线性有限元分析、静强度分析与抗疲劳设计)、回转误差,结构参数等进行了分析,给出了柔性回转轴承的设计实例;提出了轴承扭转管的制造工艺路线,并采取选用慢走丝电火花线切割加工方法(Low speed Wire EDM, LSWEDM)、减小加工过程中工件内部的残余应力、加强轴承扭转管的刚度(尤其是扭转刚度)等措施,实际加工出了柔性回转轴承扭转管结构,加工所得柔性片的厚度尺寸精度为±5μm,而处于相对分布角度的柔性片厚度之差则小至3μm,表面粗糙度可低至Ra0.3μm。提出了一种在内扭转管的两端配合限制同心度的装配方法,可有效防止因配合面垂直度误差所造成偏摆角度的“误差放大”现象。介绍了主轴单元各组成部分的选用或设计原则;对柔性回转轴承的振动特性和固有频率进行了理论分析和实际测试;针对微小型主轴系统回转精度测试的现实困难,探讨了几种可能的测试方法并分析了它们的特点和不足,为将来进一步精确评定回转误差或对误差进行补偿时正确选用测试方法提供了有益的参考。 全面概述了微细工具电极的在线制作方法,并采用电化学腐蚀的方法,获得了直径φ20μm以下的微细圆柱状工具电极;讨论了在不锈钢工件上实现纳秒脉宽脉冲电化学微加工的试验思路,为进一步深入研究电化学微加工的机理和机床的实际应用奠定基础。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG662

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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1 徐惠宇;微细电解加工系统及其相关工艺的研究[D];南京航空航天大学;2005年
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7 孟秀丽;面向机床产品的协同设计支持环境关键技术的研究[D];东南大学;2005年
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