納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、電化學(xué)微加工技術(shù)(Electrochemical Micromachining,ECMM)由于具有加工單位小(0.1nm以下)、無(wú)宏觀加工作用力、加工的表面質(zhì)量好(無(wú)殘余應(yīng)力、表面變質(zhì)層和熱影響層)、工具無(wú)損耗、可實(shí)現(xiàn)多樣化的工藝、具備三維加工的能力等眾多突出優(yōu)點(diǎn)而成為微細(xì)制造領(lǐng)域當(dāng)中很有發(fā)展前途的熱點(diǎn)研究課題。
　　 為了實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微加工,需要采取有效措施克服傳統(tǒng)電解加工所特有的雜散腐蝕現(xiàn)象,增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)的定域性;同時(shí)還要使

2、加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件具有很高的運(yùn)動(dòng)精度,以滿足微加工的要求。鑒于超短脈寬脈沖電源在保證加工精度和穩(wěn)定性方面的特殊作用,本文以設(shè)計(jì)一套實(shí)現(xiàn)納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工的機(jī)床為主要目標(biāo),對(duì)該機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究。
　　 從電化學(xué)的基本原理出發(fā),概括總結(jié)了納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工的基本理論,闡釋了納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工能夠?qū)崿F(xiàn)微米/亞微米級(jí)精度加工的根本原因,建立了描述電化學(xué)微加工成形規(guī)律的理論模型,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值仿真;實(shí)際構(gòu)建了

3、電化學(xué)微加工機(jī)床系統(tǒng),介紹了電化學(xué)微加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、加工電源、電解液槽、顯微觀測(cè)等各部分的硬件組成,控制系統(tǒng)硬件,控制流程及控制軟件設(shè)計(jì)等方面的具體內(nèi)容;針對(duì)納秒脈寬脈沖電化學(xué)微加工加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制中對(duì)于高頻/甚高頻信號(hào)高速采集的困難,提出了將極間的超短脈寬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為近直流信號(hào)再進(jìn)行采集的解決方法,設(shè)計(jì)了極間電壓的轉(zhuǎn)換調(diào)理電路,實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別與監(jiān)控。
　　 首次提出一種新型柔性回轉(zhuǎn)軸承及其主軸單元的設(shè)計(jì)方

4、案。由于這種軸承利用柔性元件的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向,因此其重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度極高,理論上可以實(shí)現(xiàn)零誤差的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而且其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)機(jī)械摩擦磨損和運(yùn)動(dòng)問(wèn)隙、無(wú)需潤(rùn)滑、可靠性高、結(jié)構(gòu)適宜微小型化。從柔性回轉(zhuǎn)軸承的設(shè)計(jì)理念和總體設(shè)計(jì)原則出發(fā),提出了一系列的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,對(duì)材料的選擇、應(yīng)力的分析與計(jì)算(如非線性有限元分析、靜強(qiáng)度分析與抗疲勞設(shè)計(jì))、回轉(zhuǎn)誤差,結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行了分析,給出了柔性回轉(zhuǎn)軸承的設(shè)計(jì)實(shí)例;提出了軸承扭轉(zhuǎn)管的制造工藝路線,并采

5、取選用慢走絲電火花線切割加工方法(Low speed Wire EDM,LSWEDM)、減小加工過(guò)程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力、加強(qiáng)軸承扭轉(zhuǎn)管的剛度(尤其是扭轉(zhuǎn)剛度)等措施,實(shí)際加工出了柔性回轉(zhuǎn)軸承扭轉(zhuǎn)管結(jié)構(gòu),加工所得柔性片的厚度尺寸精度為±5μm,而處于相對(duì)分布角度的柔性片厚度之差則小至3μm,表面粗糙度可低至Ra0.3μm。提出了一種在內(nèi)扭轉(zhuǎn)管的兩端配合限制同心度的裝配方法,可有效防止因配合面垂直度誤差所造成偏擺角度的“誤差放大”現(xiàn)象。介

6、紹了主軸單元各組成部分的選用或設(shè)計(jì)原則:對(duì)柔性回轉(zhuǎn)軸承的振動(dòng)特性和固有頻率進(jìn)行了理論分析和實(shí)際測(cè)試;針對(duì)微小型主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試的現(xiàn)實(shí)困難,探討了幾種可能的測(cè)試方法并分析了它們的特點(diǎn)和不足,為將來(lái)進(jìn)一步精確評(píng)定回轉(zhuǎn)誤差或?qū)φ`差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)正確選用測(cè)試方法提供了有益的參考。
　　 全面概述了微細(xì)工具電極的在線制作方法,并采用電化學(xué)腐蝕的方法,獲得了直徑φ20μm以下的微細(xì)圓柱狀工具電極;討論了在不銹鋼工件上實(shí)現(xiàn)納秒脈寬脈沖電化學(xué)微