微细电化学加工应用技术研究.doc

微细电化学加工应用技术研究摘 要微细电加工要达到工业应用的目的，需兼顾加工效率和加工精度两方面的要求以微细孔、微细三维结构的加工为目标，进行了微细孔电火花加工、三维微细结构电火花伺服扫描加工及微细电化学加工技术的研究开发设计出微细电极的损耗补偿进给和导向机构，开发出三维微细结构的电火花伺服扫描加工工艺，研究了采用阵列微细电极的微细电化学加工方法微细孔电火花加工可连续加工直径小至 100μm 的孔伺服扫描电火花加工可便捷地在小于 1mm2 区域内加工出三维微细结构提出的微细电化学加工技术路线拟将微细电解加工应用于阵列微细孔和三维微细结构的加工 关键词：微细电化学加工；电极损耗；伺服进给；伺服扫描Micro Electro Machining Technologies for Industrial ApplicationAbstract： Micro electro machining technologies including micro-EDM and micro-ECM are developed to drill micro holes and shape 3D micro structures for industrial purposes.An automatic feed mechanism is designed for micro EDM equipment to compensate electrode wear and guide micro electrode.A servo scanning EDM method is proposed for shaping 3D micro structures,in which electrode wear is compensated on real time by servo control of discharge gap.Then a micro ECM process is also tried to drill array micro holes.Micro hol... .Key words： micro ECM; electrode erosion; servo feed; servo scanning 前言电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。

近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等发展较快目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等中国在 20 世纪 50 年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展利用电化学反应对金属材料进行加工的方法1 微细电化学加工的基本原理电化学加工的基本原理是用两片金属作为电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路导线和溶液中均有电流通过但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的：后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，机电化学反应2 微细电化学加工的特点电化学反映具有很高的反应速度，反应速率远远高于其他的制造工艺,其电流密度达到 10～500 安 /厘米；两电极的距离很小，约为 0.1～1 毫米，且阴 极对阳极被加工工件作相对运动；电解液在电极间 隙高速通过，具有高液压、高流速，带走反应中产生的大量金属溶解产物和气体以及热量。

其流体动力学状态至为复杂电解加工工艺与一般的机制工艺相比较，具有以下特点：能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔；由于加工中工件与刀具（阴极）不接触,不会产生切削力和切削热,不生成毛刺；与材料的机械性能(如硬度、韧性、强度 )无关，因此可加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金，但与材料的电化学性质、化学性质、金相组织密切有关3 微细电化学加工的分类3.1 电解加工利用阳极溶解的电化学反应对金属材料进行成型加工的方法中国在 20 世纪 50 年代就开始应用电解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛应用于航空发动机的叶片，筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的加工近年来出现的重复加工精度较高的一些电解液以及混气电解加工工艺，大大提高电解加工的成型精度，简化了工具阴极的设计，促进了电解加工工艺的进一步发展 电解加工时，通常以工件为阳极，工具为阴极，工件与工具之间保持狭窄的间隙(一般不超过 0.02～1 毫米) ，两极之间有高速电解液通过当时，由于两表面之间间隙不等，间隙最小的地方，电流密度最大，工件阳极在此处溶解得最快。

因此，金属材料按工具阴极型面的形状不断溶解，同时电解产物被电解液冲走，直至工件表面形成与阴极型面近似相反的形状为止，此时即加工出所需的零件表面电解加工采用低压直流电源（6～24 伏） ，大工作电流为了能保持连续而平稳地向电解区供给足够流量和适宜温度的电解液，加工过程一般在密封装置中进行 3.2 导电磨削 是电解作用和机械磨削相结合的加工过程导电磨削时，工件接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在阴极上，两者保持一定的接触压力，并将电解液引入加工区当接通电源后，工件的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧化膜，又被砂轮磨去如此进行，直至达到加工要求为止3.3 电化学抛光直接应用阳极溶解的电化学反应对机械加工后的零件进行再加工，以提高工件表面的光洁度电解抛光比机械抛光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韧性的影响，有逐渐取代机械抛光的趋势电解抛光的基本原理与电解加工相同，但电解抛光的阴极是固定的，极间距离大（1.5～200 毫米）去除金属量少电解抛光时，要控制适当的电流密度电流密度过小时金属表面会产生腐蚀现象，且生产效率低；当电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子的放电现象，且有气态氧析出，从而降低了电流效率。

3.4 电镀 用电解的方法将金属沉积于导体(如金属) 或非导体(如塑料、陶瓷、玻璃钢等)表面，从而提高其耐磨性，增加其导电性，并使其具有防腐蚀和装饰功能 对于非导体制品的表面，需经过适当地处理（用石墨、导电漆、化学镀处理，或经气相涂层处理） ，使其形成导电层后，才能进行电镀电镀时，将被镀的制品接在阴极上，要镀的金属接在阳极上电解液是用含有与阳极金属相同离子的溶液通电后，阳极逐渐溶解成金属正离子，溶液中有相等数目的金属离子在阴极上获得电子随即在被镀制品的表面上析出，形成金属镀层例如在铜板上镀镍，以含硫酸镍的水溶液作电镀液通电后，阳极上的镍逐渐溶解成正离子，而在阴极的铜板表面上不断有镍析出 3.5 电刻蚀 应用电化学阳极溶解的原理在金属表面蚀刻出所需的图形或文字其基本加工原理与电解加工相同由于电刻蚀所去除的金属量较少，因而无需用高速流动的电解液来冲走由工件上溶解出的产物加工时,阴极固定不动电刻蚀有以下 4 种加工方法①按要刻的图形或文字，用金属材料加工出凸模作为阴极，被加工的金属工件作为阳极，两者一起放入电解液中接通电源后，被加工件的表面就会溶解出与凸模上相同的图形或文字②将导电纸（或金属箔）裁剪或用刀刻出所需加工的图形或文字，然后粘贴在绝缘板材上，并设法将图形中各个不相连的线条用导线在绝缘板背面相连，作为阴极。

适于图形简单，精度要求不高的工件③对于图形复杂的工件，可采用制印刷电路板的技术,即在双面敷铜板的一面形成所需加工的正的图形，并设法将图形中各孤立线条与敷铜板的另一面相连，作为阴极不适于加工精细且不相连的图形④在待加工的金属表面涂一层感光胶，再将要刻的图形或文字制成负的照相底片覆在感光胶上，采用光刻技术将要刻除的部分暴露出来这时阳极仍是待加工的工件，而阴极可用金属平板制成3.6 电解冶炼利用电解原理，对有色和稀有金属进行提炼和精炼分为水溶液电解冶炼和焙盐电解冶炼两种水溶液电解冶炼在冶金工业中广泛用于提取和精炼铜、锌、铅、镍等金属例如铜的电解提纯：将粗铜（含铜 99％）预先制成厚板作为阳极，纯铜制成薄片作阴极，以硫酸(H2SO4)和硫酸铜(CuSO4) 的混和液作为电解液通电后，铜从阳极溶解成铜离子 2+ (Cu )向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜（亦称电解铜）粗铜中杂质如比铜活泼的铁2+ 2+和锌等会随铜一起溶解为离子（Zn 和 Fe） 由于这些离子与铜离子相比不易析出，所以电解时只要适当调节电位差即可避免这些离子在阳极上析出比铜不活泼的杂质如金和银等沉积在电解槽的底部4、微细电化学加工的技术微细加工在许多工业领域中有着重要而广阔的应用前景，是当今最为活跃的研究领域之一。

微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺，但发展至今其内涵已经大大拓宽，不局限于 IC 工艺中的硅片刻蚀技术，LIGA、LIGA —LIKE、微细电加工、微细束流加工及微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中的重要组成部分南京航空航天大学机电学院的朱荻，王明环，明平美，张朝阳开展了微细电化学加工技术的试验研究工作，内容包括微细电铸和微细电解加工讨论了微细电化学加工的工艺特点和主要技术步骤针对若干典型微结构，提出了相应的微细电化学加工方法和技术方案朱荻等研究人员从微细电铸和微细电解加工两个方面研究了微细电化学加工技术首先是微细电铸电铸是LIGA 技术中一个重要的不可替代的组成部分朱荻等几位专家采取与 LIGA 技术类似的过程，进行了微小零件制造的研究主要工艺步骤包括采用不锈钢片作为基底材料，在其上均匀涂覆感光胶，然后进行曝光和蚀刻等步骤，在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层将带有图案胶层的金属模版放人电铸槽内进行电沉积，金属离子在模版上衬底材料裸露处沉积，直至将其填满；然后将金属沉积物和感光胶层分离，得到的金属结构就是所需的微细零件采用该方法制备的微型铜齿轮在微细电铸过程中，同时采用了高频脉冲电流和高速冲液的方法，使电沉积在电化学极化度较高的情况下进行，从而细化了晶粒，获得了致密的金属沉积层。

另外，还试验了压力正负交变等措施，利用较强的压力扰动，及时排除阴极上的吸附气泡，消除了阴极吸附气泡造成的针孑 L 和麻点等问题采取了低应力工作液，并对过程参数进行优化，控制了沉积应力，避免了变形在微细电解加工方面，在脉冲电解加工的基础上，采取工具往复运动方式，在加工周期中，先施加一个对刀电压，工具电极进给至工件阳极，进行零位对刀；然后工具电极回退，使间隙至所需要的数值，施加相对较高的加工电压进行加工；加工后切断加工电压，工具电极回退到较大间隙，进行充分的电解液冲刷以排出加工产物同 时采用超短脉宽脉冲电流，以提高加工的定域性，利于微细加工并将超短脉冲电流、低浓度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合，实现微米级精度的加工参考文献 ［1］.朱保国 王振龙. 微细轴的电加工技术. 电加 工与模具.2005 ［2］.李小海 王振龙 赵万生. 微细电化学加工研 究新进展. 电加工与模具.2004 ［3］.陈远龙，杨涛，万胜美，王天霁.电化学加工 技术的概况与展望.电加工与模具.2010 ［4］.王丹等.基于 CPLD 的纳秒级微细电化学加工 脉冲的研究.电加工与模具.2009 ［5］ .邱中军等.阴极往复运动的电化学加工方法初 探.电气与自动化.2009 ［6］ .唐。