发布时间 : 星期三 文章立式超声微细电解加工机床系统设计更新完毕开始阅读d35cd111eff9aef8941e0687
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
(a)超声加工装置 （b）加工区的放大图图
图1-2 超声加工系统构成示意图 Figure1-2 Scheme of ultrasonic machining system
1-超声波发生器； 2-换能器； 3-变幅杆； 4-工具头； 5-磨料； 6-工件； 7-容器； 8-泵；9-磨料
供给管头； 10-工作台；11-进给压力 F；12-工具振动方向；13-振动位移振幅分布
超声加工时，在成形工具头和工件之间加入液体和磨料混合的悬浮液（磨料常采用氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚石粉等，液体常用水或煤油等），使工具头以一定的作用力压在工件上。这样，当工具头作纵向振动时冲击磨料颗粒，迫使液体中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面。
超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用，由于超声振动的加速度非常大，所以磨料颗粒的加速度（或冲击力）也是非常大的，无数磨料颗粒连续不断的冲击，使加工工件的表面被破碎、去除。同时，磨料悬浮液因工具头端部的超声振动而产生“空化”现象，令间隙内液体形成空腔，促使液体钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了加工效果。所谓“空化作用”，是指当工具头端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具头端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡重新闭合，又引起较强的液压冲击波。上述作用迅速地、反复地施加在工具头与工件之间微小间隙内的磨料悬浮工作液里，可以大大强化加工过程。
假如不用磨料，而只用振动的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，只可能使工件表面产生微弱损伤，实际上并没有材料宏观去除。一般认为，常规超声加工还依靠切变应力将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起着重要作用。正负交变的液压冲击，也强迫磨料悬浮工作液在加工间隙中循环流动，使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒。随着加工工具头逐渐“深入”到被加工材料中，加工工具头的形状便复现在工件上了。 1.3.2超声微细加工的特点
超声微细加工具有如下特点：
（1）超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击是主要的，越是脆性材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易
5
立式超声微细电化学加工机床机械系统设计
于实施超声加工。超声波适合于加工多种硬脆材料，特别是难以实施电加工的不导电非金属材料；
（2）超声微细加工时，工具头压力较低，工件表面的宏观作用力很小，切削应力、切削热很小，不会引起工件变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度 Ra0.63～0.08μm，很适合加工薄壁、窄缝及低刚度工件；
（3）可用于加工多种形状的复杂型腔及型面。工具头可用相对较软的材料制作，且易于制成较复杂的形状，在一般情况下，不需要工具头和工件作比较复杂的相对运动；
（4）超声加工机床结构简单，易于操作、维护。
这些特点决定了微细超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。对于微细超声加工，压电或磁致伸缩换能器端部产生的振幅已能满足微细加工的要求，有可能不再需要变幅杆，但需要增大系统刚性，提高微细加工精度。
但是，微细超声加工也存在缺点，如加工面积不够大，效率较低，加工表面粗糙度及加工精度较难精确控制；对于一些韧性较强的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，有时甚至无法加工；同时，所使用的工具头整体尺寸较小，磨料对工具头的磨损相对较大，对工件的加工精度、表面粗糙度相对有很大的影响。
1.4超声电解复合微细加工技术研究
超声加工和电解加工单一工艺的研究及应用已经有较长的时间，并已逐渐成为了比较成熟的实用加工手段，在国内外军事工业和民用工业都得到了广泛的应用。它们的加工机理分别具有独特的优点，但具体针对不同的加工对象、加工条件和加工要求，在某种程度上也都存在着一定的缺点和限制。
因此，为发掘电解加工及超声加工机理优势，国内外有关科研人员考虑将超声振动、脉冲电流同时引入到微电流电解加工过程中，使超声、电解作用有机复合，发挥各自的优势，解决微细加工难题。
1.4.1超声电解复合微细加工基本原理
超声电解复合微细加工是将超声频振动、磨料冲击和脉冲电流电解作用有机复合在一起的微细加工技术，克服了单一超声加工工具磨损大、加工效率较低以及单一脉冲电流微细电解加工的过程难以持续进行、杂散腐蚀严重等缺点，保持了电解加工阴极无损耗、表面质量好的优点，从机理上对难加工硬脆材料（如硬质合金）的微结构加工具有很大的优势。
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。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。
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
6
青岛科技大学本科毕业设计（论文）
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，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。 1.4.2超声电解复合微细加工优点
超声电解复合微细加工工艺充分发挥了超声加工和脉冲电流电解加工的优势，克服了各自的某些缺点，在 MEMS 微器件加工方面有着其他加工所难以比拟的技术优势：
（1）超声电解复合微细加工方式的材料去除是以钝化膜层为单位（亚μm级），电解钝化与超声作用消除交替进行，机理上可保证加工过程中钝化膜产生和去除的协调配合，解决电解微细加工过程难以持续的问题，使其实用成为可能；
（2）高频振动冲击波及空化作用既可消除电解钝化膜，并能借助于高频振动，将加工产物从间隙区及时排除，实现近静液方式的微细电解加工，大大减小阴极工具头磨损，保持了加工硬脆金属（如淬火钢、硬质合金）材料的效率、得到良好的精度。阴极工具头可选择硬度高且具有很好韧性的调质中碳钢或合金钢材料，加工中超声加工工具头损耗及加工面积大效率就低的缺陷大为减轻；
（3）由于阴极工具头接近无损耗的特殊优点，加工型面将会完全根据阴极工具头形状（拷贝式）或包络轨迹（轮廓生成式）成形，而微小的阴极工具头可由线电极电火花磨削（WEDM）技术在线制作（或采用快速原型+精密微细电铸及掩模式刻蚀等多种工艺），这非常有利于微器件立体型面加工；
（4）超声振动电解复合微细加工采用低质量分数钝化性电解液（有时为了改善性能，还可加入多种添加剂），如质量分数 2%～10%NaNO3或超纯水，其污染很少；同时在超声频振动、微电流电解作用时采用静态供液即可，用量很少，因此不会产生通常大电流电解加工在工件、设备、环境保护方面存在的问题，便于实现清洁、绿色制造。
综上所述，超声电解复合微细加工将超声振动、同步脉冲电流电解加工（某些特定情况下包括微火花放电）等技术的优点结合于一体，在保持电解加工效率高、表面质量好、
7
立式超声微细电化学加工机床机械系统设计
阴极无损耗的优势的同时，又有加工定域性好、精度高并可适用于多种导电材料的优势，从机理上适合于很多微器件的微细加工，是微器件加工的一种清洁、高效、高精度、低成本的新方法，这种复合加工新工艺的研究成果将对微细制造技术的完善及 MEMS 的实用化有重要的补充作用。
1.4.3国内外超声电解复合微细加工研究进展
在国外，俄罗斯、德国等国家的科研人员开展了有关超声加工和电解加工复合工艺方法的研究，取得一定的实用性进展，已具有一些工业应用对象，俄罗斯并已经形成了超声电解复合加工机床的系列产品。波兰先进制造技术研究所的A.Ruszaj 等学者对复杂刻纹表面的电解精加工进行了实验研究，并对电极之间产生的现象进行了分析，为获得 Ra<100nm 的表面粗糙度，分别采用脉冲电流电解加工（PECM），超声电解加工（USPECM）以及在电解液中混以磨料粉末的超声电解加工（USAECM）三种方法进行试验，结果表明，超声电解加工后的表面质量好于脉冲电流电解加工，而再混以磨料粉末后的加工表面质量最好。波兰先进制造技术研究所的 S.Skoczypiec，利用计算流体力学对超声辅助电解加工间隙中的电解液流动进行了分析，超声振动使工具阴极获得一个附加速度；通过计算流体力学（CFD）方法，分析了存在气穴情况下的极间多相不稳定湍流，分析结果表明，超声振动改变了电解蚀除的条件，如果对振幅参数进行优化，能够减小电极的极化。
目前，我国对超声电解复合加工方法也开展了研究工作，南京航空航天大学曾为了加强特种加工实验室的基本建设，在超声电解复合加工技术领域开展过基础性研究，获得了较粗浅的感性认识，为在微细加工制造领域引入超声电解复合工艺开展必要的初步探讨提供了有益的经验。近年来，南京航空航天大学云乃彰和扬州大学朱永伟等对超声电解复合加工机理及技术优势进行了初步探讨，利用自行研制的变幅杆和不同截面的微细工具阴极开展了一系列超声电解复合微细加工方法基础试验，初步证实了这种复合技术的可行性和优点。
1.5本文的主要研究内容及意义
长期以来，由于加工间隙难以控制的很小，电解加工的加工精度不高，在微细制造方面的应用研究一直停滞不前。近年来由于在短脉冲电解、掩模电解、精密电解方面的研究突破，以及在电解液、控制加工间隙方面的新的研究进展，电解加工开始逐步应用于微孔加工，成功加工出从几微米到几毫米的小孔，加工精度越来越高。
随着微纳米技术的不断发展，微细加工技术作为实现其应用的关键技术和重要基础，得到了研究人员的广泛关注，基于各种原理的精密微细加工技术层出不穷。随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。
因此对立式超声微细电解加工机床的研究有着重要的价值。该毕业设计课题是自选课
8