维普资讯http://www.cqvip.com 2008年8月 机械科学与技术 第27卷第8期 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering Vol 27 No 8 超声电解复合微细加工装置与试验研究 朱永伟,王占和,云乃彰2 (扬州大学机械工程学院扬州22501;2南京航空航天大学机电学院南京210016) 朱永伟 摘要:分析微细电解复合超声频振动加工过程机理,提出一种微细加工新方法--超声电解复合 微细加工;设计、构造并完善复合微细加工装置;研究微细阴极制作工艺,利用微细组合电加工技术 制作各类截面形状的微细阴极;进行超声电解复合微细加工试验,验证微细电解复合超声频振动实 现微细加工的可行性及其在加工速度、精度、表面质量等方面的技术优势,探讨超声电解复合微细 加工制作微结构的工艺规律。 关键词:电解加工;超声振动;复合微细加工;微细加工系统 中图分类号:TG662 文献标识码:A 文章编号:10038728(2008)08098606 An ECM Combined Ultrasonic Vibrating Micro-machining Device and Its Test study Zhu Yongwei, Wang Zhanhe, Yun Naizhang College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016) Abstract: The micro-machining mechanism and characteristics of ECM (electrochemical machining)combined ul trasonic vibrating are analyzed. A new micro-machining technology-ECM combined ultrasonic vibrating micro- machining process is advanced. The micro-machining system is designed and built. Micro-cathodes manufacturing technology is studied. The cathodes that have different section shapes are made by electro-discharge micro-machi ning. A series of micro-machining tests are carried out for manufacturing micro-instruments. The feasibility and the advantages of the technology are proved. The micro-instruments with good machining precision, productivity and surface quality are manufactured. The process characteristics of the combined micro-machining are discussed Key words: electrochemical machining; ultrasonic vibrating; combined micro-machining; micro-machining system 基于电化学阳极溶解原理的电解加工在微细加较难控制;另外,为了提高电解液的电导率,常采用 工中的应用还局限于少数场合,还远没有发挥其具有一定腐蚀性的高浓度电解液,对设备、环境保护 离子”方式去除材料的机理优势。原因在于:为了及零件性能均可能造成影响,限制了电解加工在微 避免钝化及提高加工速度,须采用大电流密度高流精加工领域的研究应用。电解加工机理为“离子 速电解液进行高速加工,由于加工间隙中电场、流场式溶解,具有表面无变质层及残余应力生产效率高 复杂多变及电解液的杂散腐蚀,加工间隙一致性难及阴极无损耗等优点。其它特种加工方法难以兼 以精确保证,材料去除定域性差使电解加工的精度备,因此有必要采取有效措施,充分发据电解加工机 理优势,开拓其在微精加工领域的应用空间1-3。 收稿日期:2008-02-18 基金项目:国家自然科学基金项目(50675192),中国博士后基金项 本文探索将微电流电解与超声频振动有机结 目(2003038)832007年江苏省研究生创新计划项目合,在保持电解技术优势的同时,克服其局限性,充 cX07s022x)资助 分提高去除材料的定域性及微细化水平,为导电性 作者筒介朱水伟(1966),副数投,博士,研究方向为特种加工机难加工材料的微细加工研究一种有效方法。 电控制,yzyw@yacn,ne
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维普资讯hp/www.cavip.com 第8期 朱永伟等:超声电解复合微细加工装置与试验研究 987 1超声电解复合微细加工理论基础 效应消除钝化交替进行,机理上可保证加工过程中 电解加工时,工件(阳极)表面由于电化学钝化钝化膜产生和去除协调进行,去除量将以钝化膜层 作用产生的钝化膜(金属氧化物吸附膜或成相膜)为单位进行,从而实现定域微细加工。 会阻止低电流密度下的电解作用。如图1(a),在电 电解微细加工需采用低浓度、钝化性电解液,如 流效率特性曲线上,钝化区电流密度i( NaClo3)、质量浓度1%NaNO3~5%NaNO3水溶液,电解钝 (NaNO3)可达10A/cm2~30A/cm2,常规电解加化膜能使材料蚀除在局部有选择地进行,提高电解 工用较高的电流密度及有一定压力高速流动的电解加工的定域性;当电解液浓度降低时,效率曲线将会 液来消除电解钝化、清除电解产物,保持电解过程的右移,切断间隙将减小,即只有在很小间隙时,钝化 连续高速进行3·。电解液系统复杂,设备及防护膜才能被破坏,这时的电场、流场变化对加工精度的 成本高,同时由于电解杂散腐蚀作用,材料去除的定不良影响将变得很小,杂散腐蚀现象可以避免,近似 域性及微细化很难控制。 于无间隙的接触式加工,从而可获得与微细阴极形 状对应、凹凸相反的高精度加工件 电解复合超声微细加工中,超声作用主要在于 NaNO 去除电解钝化、排除加工产物并及时更新电解液,超 声辅助磨料粒度可以很微细,如微米级微粉(甚至 无磨料加工),从而可最大限度地减小工具阴极损 耗,提高微细加工精度,减小粗糙度;另外低浓度钝 电流效率特性曲线 化性电解液,便于实现清洁、绿色制造,因此此方法 如能成功应用,将具有独特的技术优势。 2微细加工系统构造与完善 钝化性电解液 2.1微细加工试验系统构造及原理 阳极超电位φ (b)极化特性曲线 调谐指示器 图1电化学加工特性曲线 选频回路 电压放 「激励器L「功率放大 换能器}变幅杆 微细加工材料去除量微小,加工精度要求很高, L器G 器G3G 为了避免杂散腐蚀作用,电解作用须在低电位、微电 电源 磁化电 流密度下进行,在电流效率曲线上微细电解加工电 (a)超声发生器工作原理图 流密度一般处于钝化区,工件表面将产生低电流密 度难以破坏的钝化膜,电解作用不能持续进行,使单 超声频换能器 指数变幅杆 发生器 纯电解方式在微细加工中的应用受到限制。 RS-232 工件表面的钝化膜在单纯的微电流电解作用下 数字存储 难以消除,但其强度远低于基体材料,如使阴极端面 超声频 作超声频振动,利用电解液(必要时加入微细磨料) 微调砝码 的超声频振动冲击波及“负压空化”效应来破坏工 件表面的电解钝化膜,减小电化学反应极化,即电解 向测微仪甘 传感器 作用处于电化学极化特性曲线活化区域A1B1段(或 及磨料 (直流 」或脉冲 D1以后的超钝化区域),如图1(b),可使电解加工 压力油 绝缘垫片 过程保持连续进行,解决单一微细电解过程难以持 作台 续的问题,使其实用成为可能。 连通器 高频振动冲击波及“负压空化”效应能有效、及导管密封圈 y进给机械 时地去除微细加工区的电解产物,改善及加强电解 (b)微细加工装置原理图 作用,改善加工区状态,实现“静态供液”电解方式 的微细加工,可大大简化工艺系统;电解钝化与超声 图2超声电解复合微细加工系统
第 8期 朱永伟等 ：超声 电解复合微细加工装置 与试验研究 987 1 超 声电解 复合微细 加工 理论基 础 电解 加工 时 ，工件 (阳极 )表 面 由于 电化 学钝 化 作用 产生 的钝 化膜 (金 属 氧化 物 吸附 膜 或 成 相 膜 ) 会 阻止低 电流密度下 的 电解 作用 。如 图 1(a)，在 电 流效率特 性 曲线上 ，钝 化 区 电 流 密度 (NaCIO，)、 ：(NaNO，)可达 10A／cm 一30A／cm ，常 规 电解 加 工 用较高 的电流密度 及有 一定 压力高 速流动 的 电解 液来消 除电解钝化 、清 除电解产 物 ，保 持 电解 过程 的 连 续高速 进 行 。电 解 液 系 统 复 杂 ，设 备 及 防 护 成 本高 ，同时 由于 电解杂散 腐蚀作 用 ，材料 去 除的定 域性及微 细化很难 控制 。 ● 醒 脚 舅 舅 医 (a)电流效率特性 曲线 03 (b)极化特性曲线 图 1 电化 学 加 工 特 性 曲 线 微细加 工材料 去除量微 小 ，加 工精 度要求 很高 ， 为 了避免杂 散腐蚀作 用 ，电解作用 须在低 电位 、微 电 流 密度下进行 ，在电 流效率 曲线上 ，微 细电解 加工 电 流 密度一般处 于钝 化 区 ，工件 表 面 将产 生 低 电流密 度 难 以破坏 的钝 化膜 ，电解 作用不 能持 续进行 ，使单 纯 电解方式在微 细加 工 中的应用受 到 限制 。 工件表面 的钝化膜 在单 纯 的微 电 流电解作 用下 难 以消除 ，但其 强度远 低于 基体材 料 ，如使阴 极端面 作 超声频振 动 ，利用 电解液 (必 要 时 加入 微 细磨 料 ) 的超声频振动冲击波及“负压空化”效应来破坏工 件 表面的 电解 钝化膜 ，减小 电化学 反应极 化 ，即 电解 作用处于电化学极化特性曲线活化区域A。B。段(或 D 以后 的超 钝化 区域 )，如 图 1(b)，可 使 电 解 加工 过 程保持连续 进行 ，解决 单一微 细 电解 过 程难 以持 续 的问题 ，使 其实用 成为可 能 。 高频振 动冲击波 及“负压 空 化 ”效 应能 有 效 、及 时地去 除微 细加工 区的 电解 产 物 ，改 善及 加 强 电解 作 用 ，改善加 工 区状 态 ，实 现 “静 态供 液” 电解 方式 的微细加 工 ，可大 大简化工 艺 系统 ；电解钝化 与超声 效应 消 除钝 化交 替进 行 ，机 理 上 可 保证 加 工过 程 中 钝化 膜产 生和去 除协 调 进 行 ，去 除 量将 以钝 化 膜层 为单 位进行 ，从 而实 现定域微 细加 工 。 电解 微细加 工需 采用低 浓度 、钝化性 电解液 ，如 质 量 浓度 1％ NaNO，一5％ NaNO，水 溶 液 ，电解钝 化 膜能使 材料蚀 除 在局 部 有 选 择地 进 行 ，提高 电解 加 工 的定 域性 ；当电解 液浓 度降低 时 ，效 率 曲线将会 右移 ，切 断间 隙将减 小 ，即 只有 在很 小间 隙 时 ，钝 化 膜才能 被破坏 ，这 时的 电场 、流 场变化对 加工精度 的 不 良影 响将变得 很小 ，杂散 腐蚀 现象可 以避免 ，近似 于无 间隙 的接 触式 加 工 ，从 而 可获 得 与微 细 阴极 形 状对应 、凹 凸相反 的高精度 加工 件 。 电解复 合 超声 微 细加 工 中，超声 作用 主要 在 于 去除 电解 钝化 、排 除加 工 产物并 及时更 新电解液 ，超 声辅助 磨料 粒 度 可 以 很 微 细 ，如 微 米 级微 粉 (甚 至 无磨料 加工 )，从 而 可 最 大 限 度 地 减 小 工具 阴极 损 耗，提高微细加工精度 ，减小粗糙度；另外低浓度钝 化性电解液 ，便于实现清洁、绿色制造 ，因此此方法 如能 成功应用 ，将具 有独 特 的技 术优 势。 2 微 细加工 系统构 造与 完善 2．1 微 细加工 试验 系统构 造及 原理 选频回路卜f—]} }ffL二：=塑：：重二兰二 放大 器Gl Hll激G励2器Hll嚣器G3裴．G大41’i!：：!广’ 电源 磁化 电源 (a)超声发生器 工作原理 图 l发鏊生器I一 一 压 指数变幅杆 回f Rs．232 l数 罕存储 l 超声频 l示波器 l 振动 ——r— N —L +I 嚣) 进给 机械 i导管 Il密封圈：『／， y进…给…机械一 绝缘垫片 工作台 (b)微细加工装置原理图 图 2 超声 电解 复合微细加工 系统 维普资讯 http://www.cqvip.com
维普资讯hp∥www.cqvip.cam 988 机械科学与技术 第27卷 采用图2所示细加工试验系统。超声发生器通过最大电解电流的需要。 是具有自动频率跟踪的正反馈放大器,如图2(a) 阴极振动 脉冲加工区 利用电子管工作的不稳定性产生原始工作信号,通 过L、C选频回路,选出有效信号,由电子管G2激励 放大,其信号频率为换能器的工作频率,电子管G3、 电源开通区 G4组成推挽功率放大器,调谐指示器可调节指示输 电源关断区 入功率,磁化电源提供换能器直流电流,以消除超声 振动倍频现象。用组合电加工方式制作的微细阴极 (a)超声振动与电解加电相位关系 用螺纹与变幅杆连接,用植物油耦合以减少能量损 失,换能器带动变幅杆作超声频振动。调节激振电 脉冲加电区基准电+ 容,将频率调至系统共振点,阴极端面可得到最大振 幅,如图2(b) 工件通过双面胶固定于绝缘工作台上,电解电 源引线正负极分别与微器件及阴极连接,采用(含 微细磨粒)钝化性电解液,加工产物可由超声振动 冲击波及“空化”效应及时带出加工区,同时更新电 (b)超声频交变电信号与基准电压 解液,因此采用“静态”滴注方式提供电解液即可 图4复合同步加电方式 (也可将加工区置于电解液)。在连通器压力油的 作用下,工件与工具阴极间保持一定的微压力,大小 改变电压比较器的基准电压可调节电解加电间 可由砝码微细精确调节。阴极与工件之间的间隙随隙,从而保持合理的微细电解加工间隙 设计构造的超声电解复合微细加工装置已得到 台在压力油的作用下自动向上位移微器件加工深专利授权。 由于加工间隙中有微细磨料(碳化硅、碳化硼 传感器可将电解电流信号通过数字存储示波器及等微粉)的阻断作用,阴极与工件不会产生电解短 PC机显示记录,用以调节复合微细加工过程参数, 路。当超声频交变电压大于比较基准电压(设为 保持系统工作在最佳状态。 Un)时,如图4(b),阴极振动将接近工件(对应小间 隙),如图4(a),开通电解电源,进行加电电解;当超 超声频交 声频交变电压小于比较基准电压时,阴极振动与工 变电信号电压比较器光电耦合器 件对应大间隙,切断电解电源,超声频振动作用排除 加工产物,更新电解液。因此此方式可实现微小间 隙的间歇式加工,可显著改善加工精度。 斩波信号22变幅杆与工具阴极设计制作 RAl Rs ll 指数型变幅杆夹持端 图3调制电路 图3为调制电路。系统共振时,超声发生器的 超声频交变电信号频率与阴极系统超声频振动频率 相同。调制电路将超声频交变电信号通过电平转 (a)指数形变幅杆及阴极体设计图 换,接入电压比较器比较输入端,改变电阻R3、R2的 大小可决定电压比较器基准电压,电压比较器输出 结果决定是否产生光电耦合作用。通过光电耦合作 用,使晶体三极管开关元件(或 MOSFET场效应管) 产生电解电源的斩波信号,从而使超声频振动与电 解电源的开通与关断保持微细加工所需的相位关 (b)制作指数形变幅杆照片 系。斩波管可多管并联,以满足加工中电解回路需 图5变幅杆与阴极装配图
988 机 械 科 学 与 技 术 第 27卷 采用 图 2所示微 细加 工试 验 系统 。超声 发生 器 是具有 自动频率跟踪的正反馈放大器 ，如 图 2(a)， 利用 电子管工 作 的不 稳 定 性产 生 原 始 工 作 信 号 ，通 过 L、c选频回路，选出有效信号 ，由电子管 G：激励 放大，其信号频率为换能器的工作频率 ，电子管 G G。组成 推挽功率 放 大器 ，调 谐 指示 器 可 调 节指 示 输 入功率 ，磁化电源提供换能器直流电流 ，以消除超声 振 动倍频现象 。用 组合 电加工 方 式制作 的微 细 阴极 用 螺纹与 变幅杆 连接 ，用 植 物 油 耦 合 以 减少 能 量 损 失 ，换 能器带 动 变 幅杆 作 超声 频 振 动 。调 节 激 振 电 容 ，将 频率 调至系 统共振 点 ，阴极 端面 可得 到最大 振 幅 ，如 图 2(b)。 工件 通过 双 面胶 固定 于绝 缘 工作 台上 ，电解 电 源引线正负极分别与微 器件及 阴极连接 ，采用 (含 微细 磨粒 )钝 化 性 电解 液 ，加 工 产 物 可 由超 声 振 动 冲击 波及 “空化 ”效应 及 时带 出加 工 区 ，同 时更 新 电 解液 ，因此 采用“静态 ”滴注方式 提供 电解 液 即可 (也可 将加 工 区置 于 电解 液 )。在 连通 器 压力 油 的 作用 下 ，工件 与工具 阴极 间保持 一定 的微 压力 ，大小 可 由砝 码微细 精确 调节 。阴极 与工 件之 间 的间隙 随 超声频振动作周期性变化 ，随着加工深度增加 ，工作 台在压力油的作用下 自动向上位移 ，微器件加工深 度由 向测微仪给出。在电解电源线路 中串入电流 传感器，可将电解电流信号通过数字存储示波器及 PC机 显示 、记录 ，用 以调 节复 合微细 加 工过 程参 数 ， 保持系统工作在最佳状态 。 图 3 调制 电路 开关元 件 斩波信 号 图 3为调制电路。系统共振时，超声发生器 的 超声频交变电信号频率与阴极系统超声频振动频率 相同。调制 电路将超声频交变 电信号通过 电平 转 换 ，接入电压 比较器 比较输入端 ，改变电阻 ：的 大小 可决定 电压 比较器 基 准 电压 ，电压 比较 器输 出 结 果决 定是 否产生光 电耦 合作 用 。通过 光 电耦 合 作 用 ，使 晶体三极 管开关 元件 (或 MOSFET场效 应 管 ) 产生电解 电源的斩波信 号，从 而使超声频振动与 电 解电源的开通与关 断保持微 细加工所需 的相位关 系。斩波管可多管并联 ，以满足加工 中电解 回路需 通 过最大 电解 电流 的需要 。 (a)超声振动 与电解加 电相位关系 … 一 ÷脉冲加电．区…__基 电且￡ 一 i ^ ·^ !『 ·^ ^ I‘_^ ^ ^ ^ 、 ／、 ：／、 ：rI ：／、 ， 、 ，、 ，、 ，、 ，、 … U… … … ：… … }-， f＼：／ l／W l／＼ ● ● ● I ● ● ● ● t ● _ ● ● ● ● ● ● _ (b)超声频 交变 电信号与基准 电压 图 4 复合同步加 电方式 改变 电压 比较器 的基 准 电压可 调节 电解加 电间 隙 ，从 而保 持合理 的微 细 电解 加工 间隙 。 设 计构 造 的超 声 电解 复合微 细加 工装 置 已得到 专利 授权 。 由于加工间隙中有微细磨料 (碳化硅、碳化硼 等微粉 )的阻 断 作 用 ，阴 极 与 工 件 不 会 产 生 电解 短 路。当超声频 交变 电压 大于 比较基准 电压 (设为 u )时，如图 4(b)，阴极振动将接近工件(对应小问 隙 )，如图 4(a)，开通 电解 电源 ，进行加 电电解 ；当超 声 频 交变 电压小 于 比较基 准 电压 时 ，阴极 振动 与 工 件 对应 大 间隙 ，切 断 电解 电源 ，超声 频振 动作用 排除 加 工产 物 ，更 新 电解 液 。因 此 此方 式 可 实 现微 小 间 隙的间歇式加工 ，可显著改善加工精度。 2．2 变 幅杆 与工具 阴极 设计 制 作 (a)指数形变幅杆及 阴极体设计 图 (b)制作指数形变 幅杆照片 图 5 变幅杆与 阴极装配 图 维普资讯 http://www.cqvip.com
第8期 朱永伟等:超声电解复合微细加工装置与试验研究 采用共振稳定性好的 图8(a)、图8(b)为用微细线切割方法制作的 指数变幅杆,材料选用调 微凸起阴极;图8(c)为利用微细线切割方法制作的 质45钢,具有一定刚度及 阵列母电极,再通过“套料+平动”微细放电加工可 耐抛磨性能,根据声波传 制作图8(d)所示圆柱状微凸起阴极。微凸起阴极 播的半波谐振长度确定变 (a)反拷母电极 可在摩擦副表面加工出“微凹坑”,可贮存润滑液及 幅杆与工具阴极结构尺方形阴极反拷块内型面纳表面微细夹杂物,从而改善零件表面的摩擦学 寸,设计制作指数变幅杆 性能。 及微细阴极端部如图5。 极与变幅杆连 3试验及分析 接后,用微细组合电加工 3.1单一超声加工和复合加工比较 进行阴极端部加工,可有 脉冲电源电压幅值为2V频率为5000Hz,占 效保证加工与安装精度。 空比3:7,磨料400目碳化硅(SC),静压力0.50N 如图6所示,先用微 平动半径R放电间隙δ 磨料悬浮液浓度为10%,电解液为5%的NaNO3水 细电火花加工制作出各种 (b)平动放电 溶液,超声振幅±0.03mm。在硬质合金YT15上电 形状的反拷母电极,再利 解复合超声振动加工直径0.250mm微孔,尺寸精 用平动微细电火花放电原 度可达±0.02mm,圆度可达±0.003mm161。 可制作出各种相同截 从图9(a)可以看出,对硬质合金YT15材料 面、不同尺寸的微细阴极。 ooo 直流(或脉冲)电解复合超声振动加工速度均比单 7为平板电极二轴 纯超声加工高,因脉冲电解电流有效值较直流小,加 联动进给放电加工微轴 工效率相对较低,但效率仍高于单一超声加工;超声 阴极,加工后微轴直径:d (c)微细阴极照片 脉冲电解复合加工阴极损耗量最小,单一超声加工 2(H-8),此方法理论图6微细电火花平动+工具损耗量最大,原因是电解作用生成强度远低于 上可制作任意微小直径 反拷制作阴极端部基体材料的钝化膜,更易于被超声作用去除,同时脉 微轴,但受加工条件制约 冲电流间歇性进行电解作用,改善了电解加工过程, 主轴转向加工前直径D加工后直径d 能及时更新电解液与排除产物,减小了加工区沉积 的磨料及加工产物对阴极进行的持续抛磨,从而减 小了阴极损耗,如图9(b)所示。 铜板电极 0.14 电极损耗 ■单一超声加工 (a)联动进给放电制作微轴阴极 (b)阴极照片 ■超声+直流电压2V 图7联动进给放电方法制作微细轴阴极 口超声+脉冲电压2V (a)加工速度比较 0.14 (a)菱形微凸起阴极照片 b)方锥形微凸起照片 ■单一超声加工 008 ■超声+直流电压2V 超声+脉冲电压2 (b)阴极磨损量比较 (c)阵列孔母电极照片 (d)阵列微细轴阴极照片 图8组合放电加工微凸起阴极 图9超声加工和复合加工速度与阴极磨损量比较
第 8期 朱 永 伟 等 ：超 声 电 解 复 合 微细 加 工 装 置 与 试 验 研 究 989 采用共 振稳定 性 好 的 指数 变幅杆 ，材 料选 用 调 质 45钢 ，具 有一定 刚 度及 耐抛 磨 性 能 ，根 据 声 波 传 播 的半波谐 振长 度确定 变 幅杆 与 工 具 阴 极 结 构 尺 寸 ，设 计 制 作 指 数 变 幅 杆 及微细 阴极端部如 图 5。 微细阴极 与变幅 杆连 接后 ，用 微 细 组 合 电加 工 进行 阴极 端 部 加 工 ，可 有 效保证加工 与安装精度 。 如 图 6所 示 ，先 用 微 细电火花加工 制作 出各种 形 状 的 反拷 母 电极 ，再 利 用平动微细 电火花放 电原 理 ，可 制作 出各 种 相 同 截 面、不同尺 寸的微 细阴极 。 图 7为平板 电极 二轴 联 动 进 给 放 电 加 工 微 轴 阴极 ，加工 后微 轴 直 径 ：d = 2(H 一 )，此 方 法 理 论 上 可 制 作 任 意 微 小 直 径 微 轴 ，但受加 工条件制 约 。 (a)反拷母 电极 方形阴极 反拷块内型面 (c)微细阴极照片 图 6 微 细 电 火 花 平 动 + 反拷制作阴极端部 (a)联 动进给放电制作徽轴 阴极 (b)阴极照 片 图 7 联 动进 给放 电方法制作微细轴阴极 (a)菱形微凸起 阴极照片 (b)方锥形微凸起照片 一 (c)阵列孔母 电极照片 (d)阵列微细轴 阴极照片 图 8 组 合 放 电 加 工 微 凸起 阴极 图 8(a)、图 8(b)为用 微 细 线 切割 方 法 制作 的 微 凸起 阴极 ；图 8(c)为利 用微 细线切 割方 法制作 的 阵列母 电极 ，再 通过 “套料 +平 动 ”微细 放 电加工 可 制作 图 8(d)所 示 圆柱状 微 凸起 阴 极 。微 凸起 阴极 可在摩 擦副表 面加 工 出“微 凹坑 ”，可贮 存 润滑 液及 容纳表 面微 细夹杂 物 ，从 而 改 善零 件 表 面 的摩擦 学 性能 。 3 试验 及分 析 3．1 单一超声加工和复合加工 比较 脉 冲 电源 电 压 幅值 为 2V、频 率 为 5000Hz，占 空 比 3：7，磨料 400目碳 化硅 (SiC)，静 压力 0．50N， 磨料悬 浮液浓 度 为 10％ ，电解 液 为 5％ 的 NaNO，水 溶 液 ，超声振 幅 ±0．03mm。在硬 质合 金 YT15上 电 解复合 超声振 动加 工直径 f2j0．250mm微孔 ，尺 寸精 度 可达 ±0．02mm，圆度可 达 ±0．003mm 。 从图 9(a)可 以看 出，对硬质合金 YT15材料 ， 直流(或脉 冲)电解复合超声振动加工速度均比单 纯 超声加 工高 ，因脉 冲电解 电流有 效值较直 流小 ，加 工效率相对较低 ，但效率仍高于单一超声加工；超声 脉 冲 电解 复合加 工 阴极 损 耗 量 最小 ，单 一 超声 加工 工 具损耗 量最大 ，原 因 是 电解 作 用 生成 强度 远 低于 基 体材料 的钝化 膜 ，更 易于被 超声 作用去 除 ，同时脉 冲电流 间歇性进 行 电解 作用 ，改善 了 电解加 工过程 ， 能 及时更 新 电解 液 与排 除 产 物 ，减 小 了加 工 区沉积 的磨料及 加工产 物对 阴极 进 行 的持 续 抛 磨 ，从 而减 小 了 阴极 损耗 ，如 图 9(b)所示 。 基 基一 隧 雩 督 ． 量 基 一 H 目 基 基一 咖j 雩 量 基 H 晏 晕 窭 一单一超声加工 一超声 +直流 电压 2V 口超声 十脉冲 电压 2V 一单一超声加工 一超声 +直流电压 2V 口超声 +脉冲电压 2V (b)阴极磨损量 比较 图 9 超声加工和复合加工速度与阴极磨损量比较 一 I 维普资讯 http://www.cqvip.com
维告讯htp/www.cyvip.com 机械科学与技术 第27卷 3.2硬质合金(YT15)三角槽复合加工 比较如图11(a)。图11(b)为加工过程电解电流波 图10(a)为在硬质合金(YT15)上用3种方式形,显示电流脉动频率约20kHz,电流变化与超声 加工的三角槽,加工时间为2min,磨料1600目频振动同步,即振动接近时电流变大,振动远离时 siC,静压力为1.0N,超声振幅±0.05mm,电解液减小 参数同3.1节。从加工效果可以看出:单一超声效 率(以加工深度评估)及精度最差,直流2V电解复 合超声振动加工效率最高,幅值2V、脉冲5000Hz 电解复合超声振动加工精度最好 加工件尖角变圆原因:主要是阴极制作的放电 直流3V电解+超声 圆角及磨粒的超声抛磨,另外微细电解也可使圆角 半径增加。采用更小放电参数制作微细阴极,减小 超声磨粉粒度及电解电压,可减小尖角变圆程度。 饩都直流Ⅳ电解+超离流2V电解+概 直流2v电解+超声 (a)加工效果显微照片 脉冲2v500H电解+超声 单钝超声 (a)加工效果显微照片 o-4v △-2V (b)电解电流波形幅值50mMv时基50sfv 0 图11硬质合金(YG8)方形槽复合加工 脉冲频率(Hz) 由图11(a)、图12可见,随着加工电压增加,电 (b)电压幅值及脉冲频率对加工精度的影响 解作用增强,工件表面方形槽深度H(mm)逐渐增 图10硬质合金(YT15)三角槽加工效果 加,且当电压超过3V时增加明显;同时,从试验过 程看,电压达4V时,可见微火花放电,由于电 为考察不同脉冲频率和电解电压幅值对加工精 解、微火花放电共同作用,加工出较深、较大微坑 度的影响,对硬质合金(YT15)进行不同脉冲频率 电解电压2V时工件表面粗糙度Ra(m)最 (100044002700x)的电解复合超声振动小,超过2V时粗糙度值增加,电压为4V时粗糙度 的加工试验试验参数同上。不同脉冲频率及电压值甚至超过单纯超声加工;随着电解电压增加电解 对加工精度的影响规律如图10(b)所示,随着频率作用增强,阴极磨损量A(m)下降,电压超过3V 的增加,加工尺寸误差有所减小,从直流(0Hx)至后磨损量下降较显著。 脉冲频率1000Hz时,误差减小最为显著,频率继续 H(mm)h(mm)a一加工深度 增加时,误差不再明显减小;电压增加,加工误差逐 Ra (um) °一表面粗糙度Ra 渐增大,图示电压幅值2V时加工误差最小,此时电 0600.12 △一阴极工具磨损h 解作用杂散腐蚀最小,有效间隙小,定域性好。不同 加工条件、不同材料的最佳电解电压亦不相同。 33硬质合金(YG8)方形槽复合加工 直流电解电压1V-4V,静压力2.0N,超声振 电解电压(v) 幅±0.05mm,工作液参数同31。使用边长1mm 的方形阴极对硬质合金(YG8)进行不同直流电压的 图12电压对复合加工工艺指标的影响 超声电解复合加工试验,加工时间3min,加工效果
机 械 科 学 与 技 术 ． 第 27卷 3．2 硬质合 金 (YT15)三 角槽 复合 加工 图 10(a)为在 硬 质 合 金 (YT15)上 用 3种 方 式 加 工 的 三 角 槽 ，加 工 时 间 为 2rain，磨 料 1600 目 SiC，静 压力为 1．0N，超 声 振幅 ±0．05mm，电解液 参数同3．1节。从加工效果 可以看 出：单一超声效 率 (以加工 深度评 估 )及 精 度最 差 ，直流 2V电解 复 合 超声振 动加工 效 率 最 高 ，幅值 2V、脉 冲 5000Hz 电解 复合 超声 振动加 工精 度最 好 。 加工件尖角变圆原 因：主要是阴极制作的放 电 圆角 及磨 粒 的超声 抛磨 ，另 外微 细 电解 也 可 使 圆 角 半径增加。采用更小放电参数制作微细阴极 ，减小 超声磨 粉粒 度及 电解 电压 ，可 减小尖 角 变 圆程 度 。 舍口 O．08 0．06 0．04 H 最 0．02 (a)加工效果显微 照片 脉冲频率 (Hz) (b)电压幅值及脉冲频率对加工精度 的影响 图 l0 硬质合金 (YT15)三 角槽加 工效 果 为考察不同脉冲频率和电解 电压幅值对加工精 度的影响，对硬质合金 (YT15)进行不 同脉冲频率 (1000Hz、4000Hz、7000Hz)的 电解复合超声振动 的加工试验，试验参数 同上。不同脉 冲频率及电压 对加工精度的影响规律如 图 l0(b)所示 ，随着频率 的增加 ，加工尺寸误 差有所 减小 ，从直流 (0Hz)至 脉冲频率 1000Hz时，误差减小最为显著 ，频率继续 增 加 时 ，误 差不 再 明显 减 小 ；电压 增 加 ，加 工误 差逐 渐 增 大 ，图示 电压 幅值 2V时加 工误 差最 小 ，此时 电 解作用杂散腐蚀最小 ，有效间隙小 ，定域性好。不同 加 工条 件 、不 同材料 的最佳 电解 电压 亦不 相 同。 3．3 硬质合金(YG8)方形槽复合加工 直 流 电解 电压 1V一4V，静压 力 2．0N，超 声振 幅 ±0．05mm，工作液参数 同 3．1。使用边长 1mm 的方形阴极对硬质合金(YG8)进行不同直流电压的 超声 电解复合加工试验 ，加工时间 3min，加工效果 比较如 图 11(a)。图 11(b)为 加工 过 程 电解 电流波 形 ，显示 电 流 脉 动频 率 约 2OkHz，电流 变 化 与超 声 频振动同步 ，即振动接近 时电流变大，振 动远离时 减小 。 (a)加工效果显微照片 … 々…_t…’ ＼，＼r 厂 厂 八 r、，、 厂 ／． 厂 厂 ／， ，， 厂 … 一 - +_ ～ 一十● … 一 (b)电解电流波形幅 值 50mV／div，时基 5o／~sldiv 图 11 硬 质合金 (YG8)方形槽复合加工 由图 11(a)、图 l2可见 ，随着加工电压增加，电 解作用增强 ，工件表 面方形槽深度 日 (mm)逐渐增 加 ，且 当电压 超过 3V 时增 加 明显 ；同时 ，从 试 验过 程 看 ，电压 达 4V 时 ，可 见 微 火 花 放 电 ，由于 电 解 、微火花放 电共同作用 ，加工出较深 、较大微坑。 电解 电压 2 V 时工 件 表 面 粗 糙 度 Ra( m)最 小 ，超过 2V时粗糙 度 值增 加 ，电压 为 4V时粗糙 度 值甚至超过单纯超声加工 ；随着电解 电压增加 ，电解 作用增强，阴极磨损量 (mm)下 降，电压超过 3V 后 磨损 量下 降较 显著 。 H(mm) ^(mm) 。一 加工深度 (m) O．60 0．45 0．3O O．15 电解 电压 (V) 图 l2 电压对复合加工工艺 指标 的影 响 维普资讯 http://www.cqvip.com
期 朱永伟等:超声电解复合微细加工装置与试验研究 3.4微凹坑加工 电解电流波形(对应电流传感器输出电压信号),由 图13为边长0.3mm方锥形阴极在YG8硬质图可以看出,电解作用与脉冲加电电压同步,在每个 合金表面加工微凹坑显徵照片。图13(a)为超声加加电脉冲区间,电流信号出现高频谐波,其频率对应 工,图13(b)~图13(d)分别为电压1V2V4V,于极间间隙的超声频变化。 频率5000Hz,占空比4:6的电解复合加工,采用碳 复合加工试验中,当电解液中磨料浓度过低 化硼(B4C)W10磨粉,静压力1.60N,加工时间粒度很细(特别是当电解电压超过5V)时,会出现 3 mine 明显短路放电火花,频繁出现的微火花作用会使工 件及阴极烧蚀,降低加工精度。选择较大超声振幅 粒度较大磨料或减小电解电压幅值,可有效避免 结论 (1)电解与超声频振动有机结合,超声振动冲 击与“空化”作用可有效去除电解钝化,排除产物并 及时更新电解液,改善加工间隙状况,充分发挥电解 a)单一超声加工 b)1V电解复合 “离子”去除材料机理优势,提高去除定域性能,在 ■具有较高加工速度同时有效提高微细加工精度表 面质量,实现“静液”电解微精加工 (2)采用2V~3V电解电压具有较佳的精度 与表面质量,电解电压大于5V时,易出现短路火花 烧蚀。 500m (3)采用更微细的超声磨料,或者控制电解加 电与超声振动相位同步,实现无磨料的电解复合徵 c)2V电解复合 (d)4V电解复合 细加工,将更有利于加工精度、表面质量的提高。 图13硬质合金上加工方锥形微凹坑 [参考文献] 由图13,电解复合加工深度(效率)明显高于单 超声加工,电压增加,加工效率增高,同时由于微王振龙等微细加工技术M].北京:国防工业出版社,200 细电解加工间隙有所增大,凹坑平面尺寸也有所扩 [2]李小海,王振龙,赵万生微细电化学加工研究新进展[门]电 大其中2V电压电解复合加工精度及表面质量y]王建业徐家文电解加工原理与应用[M】,北京;国防工业出 最佳。 版社,200 AUTO CHANKEL2 [4] Bhattacharyya B, Munda J, Malapati M. Advancement in electro- 」输入耦合 chemical micro- machining [J]. International Journal of Ma. 带宽限制 [5]朱永伟,吴冰杰,云乃彰.制作微器件的超声电解复合微细加 档位调节 工基础研究[J.电加工与模具,206,(2) A翻 [6]朱永伟,王占和,赵晒电解复合超声频振动微细加工装置与 试验研究[A]中国机械工程学会论文集[C],长沙,2007 [7] Zhu Y W, Xu Y M, Yun N Z. The test study of ultrasonic com- bined electrochemical micro-machining[ A]. 15International CHI-200V CH2-500 mV M 100 mposium on Electromachining( ISEM XV)[C], Pittshurgh UsA,2007:493-498 图14加工方锥形微凹坑电压与电流波形 [8]Zhao W S, Wang Z L, Di S C, et al. Ultrasonic and electric dis- charge machining to deep and small hole on titanium alloy [J] Journal of Materials Processing Technology, 2002, 120: 101 数字存储示波器在分析加工过程状况、优选加 工参数中具有重要作用。图14为在加工方锥形微 凹坑时,双通道数字存储示波器采集的电解电压与
第 8期 朱永伟等 ：超声电解复合微细加工装 置与试验研究 991 3．4 微 凹坑加工 图 13为边 长 0．3mm 方锥 形 阴极 在 YG8硬质 合金 表面加工微 凹坑 显微照 片 。图 13(a)为超 声加 工 ，图 13(b)～图 13(d)分 别 为 电压 1V、2V、4V， 频 率 5000Hz，占空 比 4：6的电解 复 合 加工 ，采 用碳 化 硼 (B。C)W10磨 粉 ，静 压 力 1．60 N，加 工 时 间 3 min。 (a)单一超声加工 (c)2V电解复合 (d)4V电解复合 图 13 硬质合金上加工方锥形微 凹坑 由图 13，电解复合加工深度(效率)明显高于单 一 超声加 工 ，电压 增 加 ，加 工效 率 增 高 ，同 时 由于 微 细 电解加 工间隙有 所 增 大 ，凹坑 平 面 尺 寸也 有 所 扩 大 ，其 中 2V 电 压 电 解 复 合 加 工 精 度 及 表 面 质量 最佳 。 2 IY AUTO CHANKEL2 ； I输入耦合 风嗣；： 丽虿 ；． ；蘸璃．I垄堂 CH 1．2．00V CH2．5O．0mV M 100Its 图 l4 加工方锥形微凹坑电压与电流波形 数字存储示波器在分析加工过程状况、优选加 工参数 中具有 重 要作 用 。 图 l4为 在 加工 方 锥 形微 凹坑时 ，双通道数字存储示波器采集的电解 电压与 电解 电流 波形 (对 应 电流传 感 器输 出电 压信号 )，由 图可 以看 出，电解 作用 与脉 冲加 电电压 同步 ，在每个 加电脉冲区间 ，电流信号出现高频谐波 ，其频率对应 于极 间 间隙的超 声频变 化 。 复合 加工 试 验 中 ，当 电解 液 中磨 料 浓 度 过低 、 粒度很 细 (特别 是 当 电解 电压 超 过 5V)时 ，会 出现 明显短路 放 电火花 ，频 繁 出 现 的微 火 花作用 会 使 工 件及 阴极烧蚀 ，降低 加工 精度 。选择较 大超声振 幅 、 粒度较 大磨料 或减小 电解 电压 幅值 ，可有效避免 。 4 结 论 (1)电解 与超 声 频 振 动有 机 结合 ，超 声 振动 冲 击与 “空化 ”作 用可 有效 去除 电解 钝化 ，排 除产 物并 及时更新电解液 ，改善加工间隙状况，充分发挥电解 “离子 ”去 除材料机 理 优 势 ，提 高 去 除定 域性 能 ，在 具有较高加工速度同时，有效提高微细加工精度、表 面 质量 ，实现“静 液”电解 微 精加工 。 (2)采用 2V～3V 电解 电压具 有 较佳 的精度 与表面质 量 ，电解 电压 大于 5V时 ，易 出现 短路火花 烧蚀 。 (3)采用更微细的超声磨料，或者控制电解加 电与超声振动相位同步，实现无磨料的电解复合微 细加工 。将更有 利于 加工精 度 、表 面质量 的提高 。 [参考 文献 ] [I] 王振龙等．微细加工技术 [M]．北京 ：国防工业 出版社 。2005 [2] 李小海 ，王振龙 。赵万生．微 细电化学加 工研究新进展 [J]．电 加 工 与 模 具 ，2004，(2)：l一4 【3] 王建业 ，徐家文．电解加工原理与应用 【M]．北京 ：国防工业 出 版社 ，2001 [4] BhattacharyyaB，MundaJ，MalapatiM．Advancementinelectro· chemicalmicro．machining[J]．InternationalJournalofMa· chineTools＆ M anufacture，2004，44：1577～1589 [5] 朱永伟 ，吴冰杰 ，云乃彰 ．制作微器 件的超声 电解 复合微细加 工基 础研究 [J]．电加工与模具 ，2006，(2)：56～59 [6】 朱永伟 ，王 占和 ．赵晒．电解 复合超 声频 振动微 细加工装置与 试验研究 [A]．中国机械工程学会论文集[C]，长沙，2007 [7] ZhuYW，XuYM，YunNZ．Theteststudyofultrasoniccorn· binedelectrochemicalmicro·machining[A]．15 International Symposium OnE|ectromaehining(ISEM XV)【C】，Piushurgh USA，2007：493～498 [8] ZhaoW S，WangZL，DiSC，ela／．Ultrasonicandelectricdis· chargemachiningtodeepandsmallholeontitanium alloy[J]． JournalofMaterialsProcessing Technology，2002，120：101 ～ lO6 维普资讯 http://www.cqvip.com
