铜表面高精密去除电化学射流加工工艺研究

摘要

金属铜由于具有良好的导电性和导热性，而被广泛地应用于电子工业、航空航天、仪表仪器、军工工业、医疗器械等领域的精密结构器件中。电化学射流加工（Jet Electrochemical Machining，简称Jet-ECM）是传统的电化学加工（Electrochemical Machining，简称ECM）的一种重要变体，是通过在阴极喷嘴和阳极工件上施加电压的同时，从喷嘴向工件喷射电解质来去除材料。经文献调研发现，电化学射流加工适用于铜材质精密结构器件的加工。 本文在总结了传统精密加工以及特种精密加工国内外研究现状的基础上，搭建了基于新型酸性电解液的高精度电化学射流加工系统装置，对加工过程中工件表面的电场分布进行了有限元模拟分析，分析了电化学射流加工中各工艺参数对定点加工去除形貌以及表面粗糙度的影响，进行了复杂结构去除形貌的解析计算，并与实际加工结果进行了对比。具体的主要研究工作如下： （1）论述了现有精密加工技术的研究现状以及电化学射流加工相关理论。设计搭建了完整的高精度电化学射流加工实验系统，详细介绍了电解液循环组件、电解液喷射组件、运动控制组件、对刀装置、调平装置以及高频脉冲电源，使用T2紫铜片作为阳极工件材料，提出了一种新型磷酸电化学射流加工电解液，并测定了其阳极极化曲线。 （2）通过有限元建模分析的方法，研究了电化学射流加工工件表面的电场分布；详细研究了加工时间、加工电压、电极间隙、电解液温度、射流速度以及脉冲电源占空比等工艺参数对去除形貌以及表面粗糙度的影响，总结了基于新型磷酸电解液的电化学射流加工工艺的去除规律。综合考虑工艺参数对加工性能的影响，选择电压3.5V、电极间隙500μm、电解液温度45℃、流速50mL/min的为最佳参数，定点去除速率为9.43μm/min。进行了3×3阵列凹坑的加工，去除结果显示出了较高表面质量（粗糙度Ra值为6.81nm）和较高去除稳定性（去除深度波动在0.3μm以内，误差为3.2%左右）。 （3）进行了复杂结构去除形貌计算以及实际加工，使用定点加工的去除形貌进行直线槽、环形槽去除形貌的解析推导计算，将解析计算形貌与实际加工形貌进行对比分析。结果表明，使用电化学射流加工可以进行高精度复杂结构的加工，加工去除形貌与解析计算去除形貌有着较好的一致性，直线槽和环形槽去除深度误差在5%以内。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 精密加工技术发展现状

1.2.1 传统机械加工

1.2.2 特种加工

1.3 电化学射流加工

1.3.1 电解液喷射加工技术

1.3.2 基本原理

1.3.3 研究现状

1.3.4 电解液分类与优缺点

1.4 电化学射流加工相关理论

1.4.1 法拉第定律

1.4.2 电流效率

1.4.3 双电层理论

1.4.4 阳极极化曲线

1.5 课题来源与主要研究内容

2 电化学射流加工实验系统

2.1 工件材料

2.2 电解液循环组件

2.2.1 新型酸性电解液的组分和优点

2.2.2 阳极极化曲线的测量

2.2.3 电解液供给循环组件

2.3 电解液喷射组件

2.4 运动控制组件

2.5 对刀装置与调平装置

2.6 加工电源

2.7 本章小结

3 电化学射流加工工艺研究

3.1 电极间隙内的电场分析

3.1.1 电场特性

3.1.2 电场模拟分析

3.2 定点加工实验参数分析

3.2.1 加工时间

3.2.2 加工电压

3.2.3 电极间隙

3.2.4 电解液温度

3.2.5 电解液射流速度

3.2.6 脉冲占空比

3.3 阵列凹坑加工

3.3.1 去除形貌分析

3.3.2 去除稳定性分析

3.4 本章小结

4 复杂结构去除形貌计算与实际加工

4.1 直线槽

4.1.1 去除形貌计算

4.1.2 实际加工对比

4.2 环形槽

4.2.1 去除形貌计算

4.2.2 实际加工对比

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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