專利名稱：脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明《脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝及裝置》，屬微細(xì)電解加工工藝及裝置。
背景技術(shù)：
電解加工具有優(yōu)異的工藝特點無機(jī)械切削力，無殘余應(yīng)力、加工表面粗糙度低，采用成型陰極單方向進(jìn)給可加工復(fù)雜的型腔、型面(成型電解加工)，或?qū)Ψ羌庸っ娌扇∠鄳?yīng)的絕緣保護(hù)可以電解腐蝕復(fù)雜的輪廓、微孔、溝槽。由于電解加工以離子狀態(tài)去除材料，基于對加工參數(shù)、特別是電參數(shù)的控制，可以精密控制去除速度及加工深度，因而微細(xì)、精密電解加工顯示了誘人的開發(fā)應(yīng)用前景。
電解加工作為微細(xì)加工的有效方法之一，在國外微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造及微細(xì)加工的研究中得到高度重視。但是，在傳統(tǒng)電解加工中，通常采用具有一定腐蝕性、甚至是強(qiáng)腐蝕性的電解質(zhì)水溶液作電解液，對加工環(huán)境、加工零件會產(chǎn)生腐蝕、污染作用，這對于微精加工要特別注意防止。對環(huán)境產(chǎn)生的污染問題，還可以對電解液、電解產(chǎn)物進(jìn)行無害處理來解決；但在加工過程中對精密零件的污染、腐蝕問題，通常就很難解決；對于特別精密、復(fù)雜的零件，處理過程將非常復(fù)雜，成本也高。為了避免在電解加工過程中對工件的污染，同時也為了清潔環(huán)境，日本有學(xué)者提出超純水電解加工的構(gòu)想，而在本發(fā)明中，提出采用蒸餾水作電解液，其制備過程簡單，容易操作。需要指出，在通常條件下，純水中離子(OH-、H+)濃度只有10-7mol/L，在電場強(qiáng)度為4×104V/m的條件下，電流密度只能達(dá)到10-5A/cm2數(shù)量級，如此小的電流密度，還不能進(jìn)行實用意義上的電解加工。而如果采用強(qiáng)酸性陽離子交換措施，促進(jìn)、催化純水中更多的水分子的解離(也稱電離)出更多的OH-離子，則在同樣4×104V/m電場強(qiáng)度下，電流密度可以提高到1A/cm2，甚至達(dá)到10A/cm2，為通常條件下純水電流密度的幾萬倍。試驗研究表明，電流密度達(dá)到(1-10)A/cm2，相應(yīng)電解Cu、Mo、Fe的速度可以達(dá)到(100-101)μm/min數(shù)量級，足以滿足實用微細(xì)電解加工速度的需求，展現(xiàn)了其在微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
而采用高頻、窄脈寬脈沖電流，將能夠進(jìn)一步改善流場、電場和陽極溶解特性，使電解電流密度和加工精度都得到進(jìn)一步提高，這已為研究和應(yīng)用所證明。
正是基于以上介紹的背景技術(shù)，本發(fā)明將實施技術(shù)集成創(chuàng)新，將采用高頻、窄脈寬脈沖電源，采用蒸餾水作電解液，研制專用微細(xì)電解加工裝置，采用微細(xì)電解加工參數(shù)，實現(xiàn)工程實用的微細(xì)電解加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將提供一種全新的精密、清潔的微細(xì)電解加工工藝及其裝置。
本發(fā)明的脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工方法是通過電化學(xué)陽極溶解原理，在專門研制的微細(xì)電解加工裝置中，采用蒸餾水作電解液，采用高頻、窄脈寬脈沖電源，采用微細(xì)電解加工陰極和工藝參數(shù)，實現(xiàn)工程實用的微細(xì)電解加工。其特征是不像通常電解加工那樣采用鹽、酸、堿等各類腐蝕性溶液作電解液，也不像日本資料中籠統(tǒng)提出的那樣采用超純水作電解液，而是采用蒸餾水作電解液；同時還采用既便于安裝、又便于更換的強(qiáng)酸性陽離子交換膜以催化水解離而提高蒸餾水中的離子濃度，從而提高電解電流密度達(dá)到微細(xì)電解去除材料的要求。
采用高頻、窄脈沖電源而實現(xiàn)脈沖電流微細(xì)電解加工。如此，能在采用蒸餾水作電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工優(yōu)點的基礎(chǔ)上，利用脈沖電流間歇期間去極化、散熱，改善間隙的電化學(xué)、流場、電場特性，更容易實現(xiàn)微小間隙加工，從而提高陽極溶解的集中蝕除能力，達(dá)到提高加工精度和表面質(zhì)量的目的。
采用以微小間隙(10μm-100μm數(shù)量級)為主的微細(xì)電解加工工藝參數(shù)。施加于工具陰極和工件陽極之間的脈沖電壓為幾伏到幾十伏(1V-10V數(shù)量級)，則電場強(qiáng)度達(dá)104V/m-106V/m；脈沖頻率在1K-10K數(shù)量級范圍內(nèi)變化，依據(jù)加工需要調(diào)節(jié)；如此，平均加工電流可達(dá)1A/cm2-10A/cm2，可以實現(xiàn)工程應(yīng)用目標(biāo)的微細(xì)電解加工；而且，隨著微細(xì)電解加工的進(jìn)行，在壓電陶瓷微位移進(jìn)給裝置的驅(qū)動下，工件相對于陰極進(jìn)給運(yùn)動，其速度在(100-101)μm/min數(shù)量級，即與陽極溶解速度基本相同，如此而保證加工間隙穩(wěn)定不變。
本發(fā)明具有上述綜合工藝特征的脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝的裝置包括過濾器、微型水泵、壓力表、球閥、脈沖電源、電解液槽以及微細(xì)電解加工裝置，其特點是所述的微細(xì)電解加工裝置，包括上安裝座、下安裝座通過軸、孔和端面定位配合，兩者分別固定在夾具主體的上下端面，壓電陶瓷微進(jìn)給裝置安裝在上安裝座中心孔內(nèi)，保護(hù)套固定在夾具主體的上端，工件安裝座通過螺紋連接，固定在壓電陶瓷微進(jìn)給裝置的下端，工件陽極通過螺旋壓套國定在工件安裝座的下端面上，輔助電極和螺旋微位移調(diào)整桿分別由下安裝座的上、下端插入下安裝座中心孔并定位在下安裝座中心，將陽離子交換摸與工具陰極定位安裝于螺旋微位移調(diào)整桿的上端。
四

圖1是脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中加工區(qū)域A部分的放大示意圖。
圖1中標(biāo)號名稱1、過濾器，2、微型水泵，3、壓力表，4、球閥，5、進(jìn)水接頭，6、螺旋壓套，7、壓電陶瓷微進(jìn)給裝置，8、陽離子交換膜，9、輔助電極，10、調(diào)壓閥，11、螺旋微位移調(diào)整桿，12、工具陰極，13、下安裝座，14、出水接頭，15、夾具主體，16、上安裝座，17、保護(hù)套，18、脈沖電源，19、電解液槽圖2中的標(biāo)號及名稱與圖1中的標(biāo)號及名稱一致，另有20、工件陽極，21、工件安裝座。
五具體實施例方式
實施本發(fā)明脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝的裝置，如圖1與圖2所示，該裝置包括過濾器1、微型水泵2、壓力表3、球閥4、脈沖電源18、電解液槽19、以及微細(xì)電解加工裝置。所述的微細(xì)電解加工裝置的安裝、連接關(guān)系是上安裝座16、下安裝座13通過軸、孔和端面定位、配合，分別安裝固定在夾具主體15的上、下部位，壓電陶瓷微進(jìn)給裝置7定位安裝于上安裝座16中心，為保持壓電陶瓷微進(jìn)給裝置7干燥、清潔的保護(hù)套17安裝固定在夾具主體15的上端，工件安裝座21通過螺紋連接、固緊在壓電陶瓷微進(jìn)給裝置7的下端，工件陽極20通過螺旋壓套6壓緊固定在工件安裝座21的下端面上；輔助電極9、螺旋微位移調(diào)整桿11分別由下安裝座13的上、下端插入中心孔定位安裝在下安裝座13中央，然后再定位安裝并固緊陽離子交換膜8和工具陰極12于螺旋微位移調(diào)整桿11的上端。其中陽離子交換膜8、輔助電極9、工件20、工具陰極12需要保持在如圖1所示的正確位置(特別又局部放大示于圖2)，以保證工件與陰極之間合適的間隙(10μm-100μm數(shù)量級)，同時在輔助電極9、工件20、工具陰極12之間形成一定的電場強(qiáng)度(104V/m-106V/m)，安置陽離子交換膜8以催化離子選擇性透過過程，提高溶液中的離子濃度，提高電解電流密度以達(dá)到微細(xì)電解加工要求。
向加工間隙連續(xù)提供蒸餾水的電解液循環(huán)系統(tǒng)包括自電解液槽19開始，經(jīng)過過濾器1、微型水泵2、壓力表3、球閥4、進(jìn)水接頭5、出水接頭14、又回到電解液槽19；還包括溢流管道及其上安裝的調(diào)壓閥10。
高頻、窄脈寬直流脈沖電源18的正、負(fù)極通過導(dǎo)線分別與工件陽極、工具陰極連接。
本發(fā)明脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝的原理是采用不銹鋼作陰極，其端頭部分長度加工到直徑φ0.1mm數(shù)量級，采用蒸餾水作電解液，利用強(qiáng)酸性陽離子交換膜催化水解以提高蒸餾水中OH-離子濃度，使電解電流密度提高到1A/cm2-10A/cm2，可以實現(xiàn)工程應(yīng)用目標(biāo)的微細(xì)電解加工。采用高頻、窄脈沖電流進(jìn)行微細(xì)電解加工，以發(fā)揮脈沖電流斷電間歇期間去極化、散熱，改善加工間隙中流場、電場及電化學(xué)溶解的特性，實現(xiàn)微小間隙加工，提高陽極溶解的集中蝕除能力，從而達(dá)到提高加工精度和表面質(zhì)量。電解加工過程，陽離子交換膜8、輔助電極9與工件21之間形成的電場中，在其電場電位差驅(qū)動下，完成離子選擇性透過過程，提高溶液中的離子濃度，提高電解電流密度以達(dá)到微細(xì)電解加工的要求。具體實施過程是調(diào)整加工間隙。按照附圖1、2所示幾何關(guān)系，定位安裝好全部零件；旋轉(zhuǎn)螺旋微位移調(diào)整桿11，微位移工具陰極12，以調(diào)整工具陰極12和工件陽極20之間的間隙(一般在10μm-100μm數(shù)量級)，如果需要更精確調(diào)整(如μm級)，還可以在采用螺旋微位移調(diào)整桿11調(diào)整后，再借助壓電陶瓷微進(jìn)給裝置7微位移工件陽極20以實現(xiàn)μm級調(diào)整。
循環(huán)流動電解液(蒸餾水)。確認(rèn)管道通暢、閥門位置正確無誤后，開啟微型水泵2，則蒸餾水從進(jìn)水接頭5流人加工區(qū)，然后通過出水接頭14經(jīng)由管道流回電解液槽19；輸入加工區(qū)蒸餾水的壓力借助壓力表3測量顯示，壓力越高，也表示流量也越大，流速也越高；其調(diào)節(jié)借助于調(diào)壓閥10，旁路溢流越多，則輸入加工區(qū)的流量減少，壓力表讀數(shù)降低。
開通脈沖電源，進(jìn)行脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工。在蒸餾水流動合適，并檢查陰極-工件間加工間隙是設(shè)定數(shù)值，且確認(rèn)沒有接觸短路，則開通脈沖電源，調(diào)整電源輸出電壓、脈沖頻率、脈沖寬度、脈沖間歇等電參數(shù)，進(jìn)行微細(xì)電解加工，并同時開啟壓電陶瓷微進(jìn)給裝置7，保持加工過程中加工間隙穩(wěn)定。加工過程，注意讀取電流；但要注意，電流表只顯示平均電流值，如果要動態(tài)測量，則需采用示波器或數(shù)據(jù)接口的計算機(jī)測量系統(tǒng)。
加工過程中的調(diào)整。除上述調(diào)整脈沖電參數(shù)、蒸餾水流動參數(shù)(以壓力表3顯示的壓力表征)外，還可能出現(xiàn)由于陽離子交換膜8的面積大小、安裝位置、以及是否老化等原因引起的加工電流不高而使加工過程不穩(wěn)，甚至難以進(jìn)行；對此，需要采取對應(yīng)措施解決。
權(quán)利要求
1.一種脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝方法，該工藝方法基于陽極溶解原理，工具陰極—工件陽極之間保持微小間隙，采用高頻、窄脈沖電流及在加工區(qū)域內(nèi)使電解液低速流動，從而實現(xiàn)微細(xì)電解加工，其特征是(1)采用蒸餾水作電解液；同時還采用既便于安裝、又便于更換的強(qiáng)酸性陽離子交換膜以催化水解離而提高蒸餾水中的離子濃度，從而提高電解電流密度達(dá)到微細(xì)電解去除材料的要求；(2)采用高頻、窄脈沖電源而實現(xiàn)脈沖電流微細(xì)電解加工，如此，能在采用蒸餾水作電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工優(yōu)點的基礎(chǔ)上，利用脈沖電流間歇期間去極化、散熱，改善間隙的電化學(xué)、流場、電場特性，更容易實現(xiàn)微小間隙加工，從而提高陽極溶解的集中蝕除能力，達(dá)到提高加工精度和表面質(zhì)量的目的；(3)采用以10μm-100μm數(shù)量級微小間隙為主的微細(xì)電解加工工藝參數(shù)，施加于工具陰極和工件陽極之間的脈沖電壓為1V-10V數(shù)量級，則電場強(qiáng)度達(dá)104V/m-106V/m；脈沖頻率在1K-10K數(shù)量級范圍內(nèi)變化，依據(jù)加工需要調(diào)節(jié)；如此，平均加工電流可達(dá)1A/cm2-10A/cm2，可以實現(xiàn)工程應(yīng)用目標(biāo)的微細(xì)電解加工；而且，隨著微細(xì)電解加工的進(jìn)行，在壓電陶瓷微位移進(jìn)給裝置的驅(qū)動下，工件相對于陰極進(jìn)給運(yùn)動，其速度在(100-101)μm/min數(shù)量級，即與陽極溶解速度基本相同，如此而保證加工間隙穩(wěn)定不變。
2.一種脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝裝置，該裝置包括過濾器(1)、微型水泵(2)、壓力表(3)、球閥(4)、脈沖電源(18)、電解液槽(19)及微細(xì)電解加工裝置。其特征在于，所述的微細(xì)電解加工裝置包括上安裝座(16)、下安裝座(13)通過軸、孔和端面定位、配合，分別固定在夾具主體(15)的上下端面，壓電陶瓷微進(jìn)給裝置(7)安裝在上安裝座(16)中心孔內(nèi)，保護(hù)套(17)固定在夾具主體(15)的上端，工件安裝座(21)通過螺紋連接固定在壓電陶瓷微進(jìn)給裝置(7)的下端，工件陽極(20)通過螺旋壓套(6)固定在工件安裝座(21)的下端面上，輔助電極(9)、螺旋微位移調(diào)整桿(11)分別由下安裝座(13)的上下端插入下安裝座(13)中心孔定位安裝在下安裝座(13)中央，將陽離子交換膜(8)與工具陰極(12)定位安裝緊固置于螺旋微位移調(diào)整桿(11)的上端。
全文摘要
一種脈沖電流、蒸餾水微細(xì)電解加工工藝及裝置，屬微細(xì)電解加工工藝及裝置，本發(fā)明在專門研制的微細(xì)電解加工裝置中，采用蒸餾水作電解液，采用高頻、窄脈寬脈沖電源，采用微細(xì)電解加工陰極、微位移進(jìn)給和微細(xì)電解工藝參數(shù)，實施工程實用的微細(xì)電解加工。微細(xì)電解加工裝置主要部分包括螺旋壓套(6)、壓電陶瓷微進(jìn)給(7)、陽離子交換膜(8)、輔助電極(9)、螺旋微位移調(diào)整桿(11)、工具陰極(12)、下安裝座(13)、夾具主體(15)、上安裝座(16)。本發(fā)明由多項技術(shù)集成，其綜合效果是陽極溶解的集中蝕除能力強(qiáng)，加工精度和表面質(zhì)量高，對加工工件、加工環(huán)境無污染，可以實現(xiàn)精密、清潔、綠色的微細(xì)電解加工。
文檔編號B23H3/08GK1743117SQ20051009451
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者徐家文, 鮑懷謙, 李穎, 彭思平 申請人:南京航空航天大學(xué)