電解加工是一種利用陽極溶解原理并借助于成型的陰極,將工件加工成型的工藝方法,其以離子狀態(tài)去除材料的方式在加工機理上存在微細、精密加工,甚至是納米級加工可能性,因此,電解加工技術(shù)在微細制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?但是在傳統(tǒng)電解加工中,通常采用具有腐蝕性電解質(zhì)水溶液(如中性鹽、酸、堿)作電解液,對加工零件及環(huán)境可能產(chǎn)生腐蝕和污染,這在精密、微細元件的加工中更要特別注意防止。為了解決這些問題,日本有學者提出以高純水為電解液的構(gòu)想。常溫、常壓條件下,高純水中OH~-、H~+濃度只有10-7mol/L,在電場強度為4×10~4V/m的條件下,電流密度只能達到10-5A/cm~2數(shù)量級,很難用于實際電解加工。而采用強酸性陽離子交換膜催化水解離,在同樣電場強度下,高純水中有大量水分子解離,使電流密度可達1A/cm~2以上。而電流密度達到1～10A/cm~2范圍內(nèi),相應(yīng)電解加工去除速度達到1～10μm/min數(shù)量級,已經(jīng)進入實用微細電解加工速度范圍,顯示了其在微細、精密加工領(lǐng)域良好的應(yīng)用前景。 本文在分析高純水設(shè)備在微細電解加工的理論和水解離機理的基礎(chǔ)上,得到了實現(xiàn)高純水微細電解加工的必要條件,建立了水解離模型,并對此進行了分析,采用“空穴”傳導(dǎo)理論解釋了水解離的過程,為高純水電解加工技術(shù)的后續(xù)研究工作奠定了理論基礎(chǔ)。 通過對離子交換樹脂、離子交換膜、雙極膜三種類型離子交換材料的結(jié)構(gòu)、性能及促進水解離的方式進行了分析,根據(jù)高純水微細電解加工的特點,選擇陽離子交換膜作為促進水解離的離子交換材料,并為下一步設(shè)計高純水微細電解加工試驗裝置提供了依據(jù)。 還以工程應(yīng)用為目標,進行了高純水微細電解加工試驗裝置的設(shè)計和制作,特別對試驗裝置的關(guān)鍵部分進行了系統(tǒng)的分析和設(shè)計,并對不同試驗裝置系統(tǒng)的使用進行了說明。選擇了壓電陶瓷微驅(qū)動器和普通的步進電機驅(qū)動的多軸數(shù)控系統(tǒng)作為微進給驅(qū)動系統(tǒng),確保試驗裝置滿足加工的要求。 *后,進行了高純水微細電解加工的可行性及工藝試驗研究。通過測定ηω—i關(guān)系曲線、三角/方形孔的加工及字母“PW-ECM”的加工,驗證了其在2D/3D幾何形狀加工的可行性。并且針對工藝試驗中出現(xiàn)的問題,采用脈沖電流、超聲波輔助的方式進行了高純水微細電解加工的研究。試驗結(jié)果表明,采用脈沖電流不僅提高了高純水電解加工的加工精度,且通過脈間的斷電間歇來實現(xiàn)加工間隙內(nèi)電解液的周期性更新,使間隙中的電解產(chǎn)物得到及時排除,保證了加工的穩(wěn)定性。另外,在加工區(qū)加上超聲振動,利用電解液的振動沖擊及“負壓空化”效應(yīng)來消除附著在工件表面的鈍化膜,使加工過程連續(xù)進行,同時超聲振動還可改善加工區(qū)狀態(tài),解決了電解產(chǎn)物排出問題。 通過以上理論分析和試驗研究,表明了以高純水為電解液的微細電解加工是可行的,并且高純水電解加工為傳統(tǒng)的電解加工方法提供了新的思路,有望為“綠色”微細加工開拓出新的途徑。