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