微窄缝电液束加工技术研究

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电液束加工是利用“阴极化”的电解液射流冲击加工区域,使阳极金属发生电化学溶解而被去除的加工方法。电液束加工适合加工尺度在0.1mm~1.0mm的微凹槽、窄缝等微结构,可广泛应用于航空航天、仪器仪表、微型机械等领域。论文在总结微结构加工方法及电液束加工国内外研究现状的基础上,建立了微结构电液束加工装置,分析了电液束加工中微凹槽和窄缝的流场和电场分布及各加工参数对凹槽及窄缝成形质量的影响,主要研究工作如下:介绍了电解加工及电液束加工的相关理论和基本原理,对电液束加工工件表面液流流动状态和喷嘴出口速度分布云图进行仿真与分析,发现到达工件表面的液流成膜状快速流动,并在某一位置产生水跃现象。喷嘴出口的射流速度的仿真值与实际测量值较为相符,最大偏差仅为8.43%。对加工区电场强度的仿真结果显示,工件表面的电流密度符合高斯分布。建立了整套电液束加工系统,包括运动控制组件,由精密石英毛细管和有机玻璃圆锥收敛型毛细管夹头组成的喷嘴,用于导入电解液的阴极喷头,由质量分数20%NaNO3电解液、耐腐高压隔膜泵和三级过滤网等构成的电解液循环供给系统,以及0~1000V的可调高压直流稳压电源等,设计了带有辅助对刀电极的干对刀装置,测定了电液束加工的极化曲线,为电液束的加工奠定了试验基础。为分析电液束加工的成形规律,获得较优的加工参数,研究了射流角度、加工电压、电解液压力等对微凹槽形貌的影响。试验结果显示,电液束的较优入射角度为90。;微凹槽深度、宽度与加工电压近似成正比;电解液压力越大,得到的微凹槽宽度越小,凹槽深度先减小后增大,但低于0.3MPa时会造成电解液在加工区堆积;扫描速度越大,凹槽深度、宽度越小;扫描次数越多,凹槽深度、宽度越大,但增幅逐渐减小。较优的工艺参数是电压300V-550V,电解液压力大于0.3MPa;电液束加工微凹槽时实际加工区的电流密度分布和各种参数下加工出的凹槽截面曲线均符合二次曲线,且微凹槽截面形貌的形成主要受电流密度分布的影响。最后开展了窄缝加工试验,分析了扫描次数、加工电压对窄缝形貌的影响规律。结果显示,采用保压夹具可明显改善窄缝的加工质量;合适的扫描次数能形成形貌规整的窄缝,过多或过少的扫描次数均不利于窄缝的成形;小加工电压更有利于形成高质量窄缝。采用保压夹具和优化的加工参数获得了高质量菱形凹槽、自由曲线窄缝等微结构。
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