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【新闻】阳极振动辅助微细电解线切割技术铝导线

发布时间:2020-10-18 18:24:43 阅读: 来源:蔬菜清洗机厂家

0刖目电解加工是基于金属电化学溶解原理,以离子形式蚀除材料的一种制造技术,因此电解加工技术在微细甚至微纳加工领域都有很大的发展潜力。

德国科学家通过采用超短脉冲电流技术,使电化学溶解定域性发生突变式提高,实现了微米尺度的电解加工,使得微细电解加工成为业界研究的热点。

国内外学者研究了微细电化学加工机理,实现了微米级电极制备和三维结构加工。微细电解线切割是一种基于微细电解原理的线切割加工技术,特别适合高精度金属窄缝、窄槽微细结构的加工制造。由于微细电解线切割技术还具有加工表面无裂纹、加工表面无应力、无变质层、与零件材料硬度无关等优点,尤其适合航空装备中对加工表面质量有特殊要求的金属微结构制造。

国内外学者对微细电解线切割加工技术进行了探索。SHIN等研究了超短脉冲、电解液浓度对加工间隙的影响;王昆等对微细电解线切割加工技术进行了深入、系统的研究,建立了加工的理论模型,提出了电化学腐蚀法在线制备线电极的新方法;利用这种方法,王少华等制备了直径最小为2叫的丝电极,加工出了缝宽为8叫的微螺旋结构;为了加速微米量级加工间隙内电解产出的排出,王少华等提出了线电极往复运动加快产物输送的方法,提高了加工效率和加工精度,最大加工速度达到5pm/s.微细电解线切割加工中产物的及时输送对加工精度和稳定性有着极为重要的影响,为了进一步提高产物排出效率,本文提出加工过程中线电极往复运动的同时,阳极进行低频微幅振动,通过振动扰动阳极表面的电解液,促进阳极产物扩散和排出,并通过对比试验说明了振动对加工精度的影响。

1阳极振动对加工精度的影响1.1阳极振动辅助微细电解线切割阳极振动辅助微细电解线切割加工示意图如所示。线电极作为阴极和电源负极相连,工件作为阳极连接电源正极。阴极和阳极在精密数控运动系统的驱动下进行相对运动,同时线电极沿自身轴线方向往复运动,工件进行振动,振动方向和线电极轴向一致。

阳极振动辅助微细电解线切割加工示意。2影响微细电解线切割加工精度的因素为微细电解线切割加工模型,阴阳极之间等效电流电路如虚线方框内所示,其中Aa、Ca表示阳极表面双电层的等效电阻和等效电容,凡为溶液电阻,凡和G表示阴极双电层的等效电阻和等效电容。微细电解线切加工采用纳秒超短脉冲电流技术,每个脉冲周期内脉冲电流对电极/溶液界面双电层充电,过电位逐渐大,随时间(的变化为r电极等效电路的时间常数R等效电路电阻在阳极表面,每个脉冲内只有过电位大于阳极金属分解电位的区域才发生电化学溶解反应。在中,当线电极位于M立置时,工件表面9上各点距离阴极更近,阴阳极之间的电解液电阻凡较小,等效电路电阻R相应较小,在一个脉冲内,可以超过阳极分解电位,因此味上各点金属发生溶解。而991和5方1上各点距阴极较远,R较大,速较慢,在脉冲结束时过电位不能达到分解电位,因此阳极表面和SSi区域不发生金属溶解反应。

微细电解线切割加工模型如果在(0(1加工过程中,电解产物对电解液电阻的影响较小,则每个脉冲内阳极的溶解区域大小基本一致,切缝均匀性较高。但实际加工过程中,加工间隙内的电解产物会影响加工精度。假设在,2时,电解液中产物质量分数加,电解液电阻变大,阳极双电层的充电常数变大,在一个脉冲内,工件表面上仅有距离阴极更近的1区域内的过电位可以超过工件的分解电位,而原本应属于加工区的32c、§2乃转变为非加工区,缝宽相应变小。如果在2(3加工过程中,产物排出效率提高,尺减小,加工区域又逐渐变大,缝宽随之相应加。

由上述分析可知,微细电解线切割的加工产物会引起电解液尤其是加工区内电解液电导率的波动,进而改变加工区的大小。在线电极沿预定轨迹加工过程中,加工区大小的不断变化会导致切缝宽度不一致,切缝精度下降。1.3阳极振动对加工精度的影响加工过程中阳极金属溶解,阴极表面生成气体。因此在加工间隙内靠近工件表面的电解液中金属溶解产物质量分数较高,而靠近线电极表面的溶液中气体质量分数较高。由于线电极壁面粘性作用,线电极运动可以带动加工间隙内的电解液尤其是靠近线电极表面的电解液运动,可以在一定程度上促进加工间隙内产物排出和电解液更新。但是加工间隙内工件加工表面附近的电解液受工件壁面粘性较受线电极壁面粘性作用更为显著,线电极运动对加工间隙内工件加工表面附近的产物排出影响不大。若仅有线电极运动,工件加工表面附近电解液几乎静止,产物排出效率则相对较低。阳极振动一方面可以使阳极产物快速脱离加工表面,并在线电极运动的作用下从间隙中排出,同时还强了对间隙内电解液扰动,进一步提高间隙内电解产物的排出效率。由于加工间隙内电解液中电解产物排出较快,降低了电解液电导率出现较大波动的概率,因此阳极叠加振动会使切缝更宽更均匀。

2试验2.1试验系统试验系统原理图如所示。试验系统采用德国PI公司C843运动控制卡控制高精度三轴运动平台实现伺服运动,可以实现0.1的进给分辨率和1的重复定位精度,将固定线电极的夹块和z轴连接,利用z轴往复运动实现线电极运动,x/v轴实现线电极的二维运动;采用PI公司的纳米位移工作台实现阳极振动。阳极固定于微型电解槽中,电解槽和压电陶瓷连接。伺服控制系统精确控制压电陶瓷,使其按设定幅值和频率输出振动,使阳极产生沿线电极轴向振动;电流传感器监测加工电流,经NI6052数采卡采集后与加工短路预设参数进行比较,实现闭环反馈控制;超短脉冲电源输出电压幅值为10V,最小脉宽为5ns. 2.2试验安排m的钨丝作为线电极,电解液为稀酸溶液,工件材料为弹性合金。线电极沿加工方向进给速度为0.2 /s.加工过程中线电极沿自身轴向进行往复运动,单向运动距离为140叫,运动速度280叫/s,往复运动频率1Hz.本文为了研究阳极振动对加工的影响,进行了频率为100Hz、80Hz、60Hz、40Hz、20Hz和0Hz的单因素对比试验和振幅取7m、5 m的单因素对比试验,通过比较切缝宽度和切缝宽度标准差,说明不同的振动频率和振幅对切缝的影响;进行叠加振动与不叠加振动两种条件下的电压、脉宽、周期参数单因素对比试验,通过对比不同参数条件下的切缝宽度和缝宽标准差,说明阳极振动对加工的影响;最后采用优选参数在弹性合金上进行微结构加工,验证阳极振动可以提高微细电解线切割的加工质量和精度。

3结果分析3.1阳极振动对切缝的影响3.1.1振动频率对切缝的影响加工电参数脉冲周期取12降,脉冲宽度为40ns,电压为5V,振动幅值取5叫,振动频率分是切缝宽度和切缝宽度标准差随阳极振动频率的变化趋势图。由可以看出,随着振动频率的加,切缝宽度呈上升趋势,切缝宽度标准差则逐渐减小。说明振动频率较高时,振动能更有效的促进产物排出。加工间隙内电解液的成分更接近纯净电解液,因此在相同的电参数条件下,加工缝宽更宽,缝宽的均匀性更好。

3.1.2振动幅值对切缝的影响为加工电参数脉冲周期为12降,脉冲宽度为40ns,电压为5V,振动频率为100Hz时,振幅分别取7叫、5叫、3叫、1叫、0叫的缝宽和标准差的变化曲线。

由变化曲线可以看出,切缝宽度随振幅的加而加,缝宽标准差在振幅小于5m时,随振幅加呈下降趋势,振幅5 m时标准差最小。这说明振动频率一定时加振幅也可以强对间隙内电解液以及靠近工件加工表面的电解产物的扰动作用,可以提高产物排出效率。

3.2阳极振动对电参数-缝宽变化规律的影响根据振动频率和振幅单因素试验,取阳极振动频率为100Hz,振动幅值为5叫,进行阳极振动与无振动条件下电参数对比试验。

3.2.1阳极振动对电压-缝宽变化规律的影响为脉冲周期为12降,脉冲宽度为40ns,电压分别为8V、7V、6V、5V,阳极振动与无振动条件下,切缝宽度和切缝缝宽标准差的曲线图。

否叠加振动,缝宽都呈现递趋势。这是由于脉冲电源输出的峰值电压直接决定了电极过电位的稳态值。随着电压的不断提高,电极暂态过程的反应电流大,工件上电化学去除量加,切缝相应变宽,缝宽标准差大,说明缝宽均匀性下降。但是相同电压条件下,阳极叠加振动的缝宽均比未叠加振动的缝宽更大,而缝宽标准差则更小,这说明阳极振动促进了电解产物尤其是阳极电解产物的扩散和排出,电解液电阻更小且更稳定,因此加工缝宽的较大并且均匀性更好。

3.2.2阳极振动对脉宽-缝宽变化规律的影响脉冲宽度决定双电层的充电时间,从而影响电极过电位的大小。脉冲宽度的加,工件表面双电层充电时间变长,工件表面高于阳极金属分解电位的区域也相应变大,工件上金属发生电化学溶解的部分扩大,同时脉冲宽度加,也相应延长了工件上发生金属蚀除的时间。由上述分析可知,加脉冲宽度,会使金属溶解体积变大,对于微细电解线切割加工,表现为切缝宽度变大。为数脉冲周期为12降,电压为5V,脉宽分别取70ns、60ns、50ns、40ns时阳极振动与无振动条件下,切缝宽度和切缝缝宽标准差曲线图。

从中可以看出,无论阳极是否叠加振动,切缝宽度和切缝宽度标准差随脉冲宽度的加基本呈长的趋势,但是在相同脉宽条件下,阳极未叠加振动的切缝宽度要明显小于叠加振动时的切缝宽度,这说明虽然脉宽的加可以提高过电位,加金属电化学溶解体积,但是由于加工间隙内阳极表面附近产物排出效率不高,电解液电阻加,使得电极过电位的变化不大,切缝较窄,同时电解产物的积聚加了电解液电导率发生较大波动的概率,导致缝宽的一致性降低,阳极未叠加振动时缝宽标准差急剧变大也验证了这一点。而阳极叠加振动后,由于促进了产物尤其是阳极表面产物的排出,因而缝宽随脉宽加而变大,标准差则变化较小。

3.2.3阳极振动对周期-缝宽变化规律的影响当脉冲宽度一定时,周期越大,脉冲间歇时间越长,电极双电层放电更加充分,脉冲间歇越大也有利于电解产物的排出。脉冲周期和单位时间电化学去除量成反比关系,周期越长单位时间内电解产物越少,切缝宽度也相对较窄。为加工参数电压为5V,脉冲宽度为40ns,脉冲周期分别取6降、8降、10降、12降时阳极振动与无振动条件下,切缝宽度和切缝缝宽标准差的曲线图。从中可以看出,虽然无论阳极是否振动,随着脉冲周期变大,切缝宽度和缝宽标准差都呈递减趋势,但是阳极叠加振动后,切缝宽度较相同参数下阳极不叠加振动条件下,切缝更宽,缝宽一致性更好。这也验证了阳极振动可以促进产物的排出。

周期r/ns不同周期条件下切缝变化曲线4微结构加工为采用优化后的工艺参数和振动参数加工微结构。a为直缝结构,采用直径为4的钨丝加工,通过电镜测量,缝宽约为4.28叫;b、9c为采用直径为10 m的钨丝加工的微槽和方螺旋结构。微槽结构底面平整,侧壁陡直;方螺旋结构完整,轮廓清晰,缝宽均匀。验证了阳极振动可以提高微细电解线切割的加工精度。

5结论阳极振动可以促进产物尤其是阳极产物的扩散和排出,可以提高微细电解线切割的加工精度。

振动频率和幅值的加可以促进间隙内电解产物排出,提高加工精度。但是当频率一定时,幅值过高会加加工的不稳定性,反而会降低加工精度。

由于阳极振动促进产物排出,微细电解线切割可以在小电压、小脉宽以及大周期参数条件下进行稳定加工,进一步提高加工精度。

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