立式超声微细电解加工机床系统设计

1 绪论
1.1电解加工技术概述
1.1.1电解加工基本原理
电解加工（Electrochemical Machining ，ECM ）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。

加工中，工件和工具阴极分别接直流电源正极和负极，工件和阴极间保持很小的加工间隙，一般在 0.1～1mm 范围内。

电解液从加工间隙中不断高速（6～30m/s ）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。

加工过程中工具阴极和工件阳极不接触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点。

因此自电解加工问世以来，就受到制造业的广泛重视，被应用于加工机械加工困难的整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难加工材料成分的零件，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应用。

随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。

电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图1-1所示。

此种加工技术要求被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。

加工时，工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为5～20V ，加工电流密度为20～200A/cm2。

工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小的加工间隙（0.1～0.8mm ），同时，使具有一定压力（0.5～2MPa ）的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解，电解产物被高速流动的电解液带走，从而将工件加工成型。

(a) 加工开始 (b) 加工终止
图1-1 电解加工原理简图
Figure1-1 Scheme of ECM
1—电解加工电源；2—工具阴极；3—工件阳极；4—电解液 根据法拉第第二定律，推导出电解加工中阳极工件成型规律的方程组，可写作：
⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∆==∆=-=R a R R U i v U i E U U ηωκηωκδ （1-1）
上式中R U —间隙电解液中的欧姆压降（V ）；U —阴、阳极之间的电压（V ）；E δ—电解加工的阴、阳极电极电位值总和（V ）；i —电流密度（2/cm A ）；κ—电解液的电导率（cm ⋅Ω/1）；∆—电解加工间隙（cm ）；a v —工件的加工速度（s cm /）；η—电流效率；ω—被电解物质的体积电化学当量（s A cm ⋅/3）。

1.1.2电解加工的工艺特点
与常规的切削加工方法相比，切削加工是依靠硬的工具挤压软的工件，使工件上多余的金属脱离工件基体到达成型目的。

然而，在电解加工中，阴、阳极是不接触的，在阳极上发生电化学溶解反应，阳极的金属原子一个一个地脱离阳极表面，在阴极上发生析氢反应。

因此，电解加工具有如下特点：
（1）加工范围广。

电解加工是一种非接触式加工，工具材料可以是较软的易加工的金属材料，电解加工不受被加工材料的强度、硬度、韧性的限制，几乎可以加工所有的导电材料，加工后工件材料的金相组织基本不发生变化。

因此，它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难切削加工材料以及薄壁、易变形工件。

（2）加工效率高。

常规的切削加工需要多次切削才能达到零件的尺寸精度，然而，电解加工通过简单的进给运动，一次进给加工出复杂的型面、型腔等，而且加工速度可以随电流密度成比例地增加。

据统计，电解加工的加工效率是电火花加工的5～10倍。

美国Sermatech 公司使用电解加工工艺加工发动机部件，提高了生产效率，使得加工时间降低为传统切削加工时间的一半。

而且电解加工速度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

（3）加工质量好。

型面和型腔的加工精度可达±0.05～0.20mm ；型孔和套料的加工精度可达±0.03～0.05mm ；对于一般中、高碳钢和合金钢，可稳定地达到Ra1.6～0.4μm 。

（4）无工具阴极损耗。

在电解加工过程中，工具阴极上只发生析氢反应，而不发生金属溶解反应。

（5）进给运动简单。

电解加工的进给运动通常是直线运动，而没有复杂的曲线运动。

（6）对难加工材料复杂形状工件的批量生产，电解加工是一种低成本的工艺。

尽管电解加工具有诸多的优点，但是也存在一些局限性，主要表现为：
（1）加工精度和加工稳定性不高。

电解加工中，影响加工精度和稳定性的因素较多，包括电解液流场、加工间隙电场、加工电源电压、进给速度等10多个因素。

（2）工具阴极的设计和修正比较麻烦，周期长，因而电解加工只适合大批量生产。

对于单件小批量生成，成本较高。

（3）电解加工所需的附属设备较多，占地面积较大，而且机床需要足够的刚性和防腐蚀性能，造价较高。

电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。

综上所述，电解加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、高表面质
量、经济的工艺方法，只要加工对象选择得当，发挥出电解加工的优势，就能收到良好效果。

1.1.3电解加工的产生、发展及应用
电解加工在国外是五十年代出现的。

由于它具有效率高、质量好，复杂型面可一次成型,以及不受被加工材料机械性能的限制,工具耗损小等优点,所以受到普遍重视。

六十年代,在航空发动机叶片及锻模加工方面取得了比较显著的成效,因此,得到比较迅速的发展。

我国最早在五十年代末、六十年代初首先应用于兵器、航空等方面,以后陆续应用于汽车、拖拉机、化工等部门。

近年来应用范围有了不断扩大,机床自动化程度也在迅速提高。

同时,在提高精度、阴极设计等理论研究方面也取得了积极的进展。

但是，在70年代以后，随着国际市场经济竞争形式的变化，产品更新换代快，生产批量减小，是的电解加工的适用范围也发生变化。

总体看应用范围有所减小，但应用要求却越来越高，由于电解加工的技术特点，在某些领域又得到新的应用。

80年代以来电解加工的应用主要有：
叶片型面加工、炮管膛线加工、模具加工、整体叶盘加工、特殊孔类加工、钛合金及高温耐热合金薄壁机匣加工、电解去毛刺、电解研磨复合抛光、在线电解修整超细金刚石及CBN磨轮等。

对于21世纪科学技术发展的趋向，国内外专家、学者都有精辟的论述。

基于此并综观近20年来电解加工的应用与发展状况，大致可以预测今后电解加工的发展及应用方向，其中，基于电解加工基本原理的新工艺、新技术不断发展和应用的有：
高频、窄脉冲电流电解加工；高速、高压、小间隙电解加工；数控仿型电解加工；复合电解加工；微精电解加工等。

同时，计算机控制技术在电解加工中将得到更高水平的应用，电解加工是一项综合电化学、流体力学、电磁学、机械学和自动控制等多学科交叉的加工工艺技术，其加工过程受到多因素、多参数的影响。

因此电解加工过程的参数化控制、加工参数的优选，成为提高电解加工技术经济指标的必要保证。

阴极设计中CAD/CAM的应用以及电解加工设备的计算机控制等都将成为未来电解加工领域应用和发展的方向。

计算机控制技术在电解加工领域的发展和扩大应用，不仅整体提高电解加工的工艺水平，还将促进柔性电解加工和多阴极、多工位、多型腔电解加工技术的发展，将大大增加电解加工的快速制造能力。

为适应高新技术的发展、新型军工型号研制的需要，以及提高电解加工自身的水平，近二十余年，国内外在提高电解加工精度及扩大电解加工的应用等方面进行了大量的研究工作。

新型电解液、脉冲电流电解加工、复合电解加工、数控展成电解加工等新兴工艺方法以及CNC自动生产线、CNC自动机床等新兴电解加工设备的出现，为实现上述战略目标展现了广阔的前景。

1.2微细电解加工技术概述
随着越来越多的微细结构出现在工业应用中，微细加工的研究得到越来越广泛的重
视。

近几年来由于许多其它领域的新技术、新工艺的引入以及对电解加工过程机理的更深入研究，电解加工一改原来加工精度不高的特点，被应用于高精度微细结构的加工中，在微细电解技术方面的研究也迅速发展起来。

微纳米加工的尺寸多在几微米以下，而普通小型加工尺寸为毫米级，中间的这段范围（几微米至几百微米）称为meso scale，随着现代工业向精密化、微细化发展，微电子、航空航天、精密仪器和精密模具等领域中出现了越来越多的金属微细结构，而其中大部分的尺寸都是meso scale，它们的加工精度、加工质量、加工效率等对产品的性能、质量和成本有很大的影响，由于上述原因，国外近年来越来越重视meso machining的研究，因此研究这一经济、高效和实用的微细加工技术显得很有意义。

目前微细电解加工发展方向主要有两方面：一是不断追求微细电解加工的极限加工能力，探求微纳米尺度上的加工；二是针对目前工业制造中大量存在的meso scale(尺寸从几微米至几百微米)的微细结构，研究如何采用电解加工经济、高效地进行加工。

目前，国内外开展这方面的研究主要包括针对硅材料的半导体微细加工技术和针对金属等非硅基材料的微细加工技术，前者研究比较系统、成熟；而针对金属材料，目前发展了许多不同的加工技术（如LIGA技术、微细电火花加工技术、激光加工技术等），虽然加工精度和加工尺寸均能达到较高的水平，但是存在加工效率低、成本昂贵、加工范围有限等缺点。

近年来微细电解加工技术在整个微细制造领域，尤其是在meso machining研究中正受到越来越广泛的重视，美国、德国、日本等发达国家的科研机构相继开展了这方面的研究，并在加工机理、加工精度等关键问题上取得了一定的进展。

作为一种新的很有应用前景的微型机械加工技术，微细电解加工在国内的研究才刚刚起步，需要迎头赶上。

1.3超声加工技术概述
超声加工，是利用超声振动工具在有磨料的液体介质中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀作用来去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。

1.3.1超声加工原理
超声加工的基本装置如图所示。

装置主要由超声波发生器、换能振动系统、磨料供给系统、进给压力施加系统和工作台等部分组成。

超声波发生器的作用是将 220V 或 380V 的交流电转换成超声频电振荡信号；
换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；
并借助于变幅杆把振幅扩大到 0.05～0.1mm 左右（超声发生器产生的超声频振幅很小，仅 0.005～0.01mm，一般情况下不能直接用于去除材料的加工），驱动工具作超声振动，其振动方向如图1-2中的箭头所示。

(a)超声加工装置（b）加工区的放大图图
图1-2 超声加工系统构成示意图
Figure1-2 Scheme of ultrasonic machining system
1-超声波发生器； 2-换能器； 3-变幅杆； 4-工具头； 5-磨料； 6-工件； 7-容器； 8-泵；9-磨料供给管头； 10-工作台；11-进给压力 F；12-工具振动方向；13-振动位移振幅分布超声加工时，在成形工具头和工件之间加入液体和磨料混合的悬浮液（磨料常采用氧化铝、碳化硼、碳化硅、金刚石粉等，液体常用水或煤油等），使工具头以一定的作用力压在工件上。

这样，当工具头作纵向振动时冲击磨料颗粒，迫使液体中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工工件表面。

超声加工主要是利用磨料颗粒的“连续冲击”作用，由于超声振动的加速度非常大，所以磨料颗粒的加速度（或冲击力）也是非常大的，无数磨料颗粒连续不断的冲击，使加工工件的表面被破碎、去除。

同时，磨料悬浮液因工具头端部的超声振动而产生“空化”现象，令间隙内液体形成空腔，促使液体钻入被加工材料的微裂缝处，加剧了加工效果。

所谓“空化作用”，是指当工具头端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得工作液内瞬间形成很多微空腔，当工具头端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡重新闭合，又引起较强的液压冲击波。

上述作用迅速地、反复地施加在工具头与工件之间微小间隙内的磨料悬浮工作液里，可以大大强化加工过程。

假如不用磨料，而只用振动的超声工具头直接纵向“锤击”工件表面，只可能使工件表面产生微弱损伤，实际上并没有材料宏观去除。

一般认为，常规超声加工还依靠切变应力将材料去除，磨料在超声工具头的冲击下产生的应力含有切向成分，此切向分量对加工过程中材料的去除起着重要作用。

正负交变的液压冲击，也强迫磨料悬浮工作液在加工间隙中循环流动，使磨料不断更新，并带走被粉碎下来的材料微粒。

随着加工工具头逐渐“深入”到被加工材料中，加工工具头的形状便复现在工件上了。

1.3.2超声微细加工的特点
超声微细加工具有如下特点：
（1）超声波加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛磨作用及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击是主要的，越是脆性材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易
于实施超声加工。

超声波适合于加工多种硬脆材料，特别是难以实施电加工的不导电非金属材料；
（2）超声微细加工时，工具头压力较低，工件表面的宏观作用力很小，切削应力、切削热很小，不会引起工件变形及烧伤，加工精度较高，尺寸精度可达0.01～0.02mm，表面粗糙度 Ra0.63～0.08μm，很适合加工薄壁、窄缝及低刚度工件；
（3）可用于加工多种形状的复杂型腔及型面。

工具头可用相对较软的材料制作，且易于制成较复杂的形状，在一般情况下，不需要工具头和工件作比较复杂的相对运动；
（4）超声加工机床结构简单，易于操作、维护。

这些特点决定了微细超声加工在陶瓷、半导体硅等非金属硬脆材料加工方面的优势。

对于微细超声加工，压电或磁致伸缩换能器端部产生的振幅已能满足微细加工的要求，有可能不再需要变幅杆，但需要增大系统刚性，提高微细加工精度。

但是，微细超声加工也存在缺点，如加工面积不够大，效率较低，加工表面粗糙度及加工精度较难精确控制；对于一些韧性较强的金属的加工，尚不能取得良好的加工效果，有时甚至无法加工；同时，所使用的工具头整体尺寸较小，磨料对工具头的磨损相对较大，对工件的加工精度、表面粗糙度相对有很大的影响。

1.4超声电解复合微细加工技术研究
超声加工和电解加工单一工艺的研究及应用已经有较长的时间，并已逐渐成为了比较成熟的实用加工手段，在国内外军事工业和民用工业都得到了广泛的应用。

它们的加工机理分别具有独特的优点，但具体针对不同的加工对象、加工条件和加工要求，在某种程度上也都存在着一定的缺点和限制。

因此，为发掘电解加工及超声加工机理优势，国内外有关科研人员考虑将超声振动、脉冲电流同时引入到微电流电解加工过程中，使超声、电解作用有机复合，发挥各自的优势，解决微细加工难题。

1.4.1超声电解复合微细加工基本原理
超声电解复合微细加工是将超声频振动、磨料冲击和脉冲电流电解作用有机复合在一起的微细加工技术，克服了单一超声加工工具磨损大、加工效率较低以及单一脉冲电流微细电解加工的过程难以持续进行、杂散腐蚀严重等缺点，保持了电解加工阴极无损耗、表面质量好的优点，从机理上对难加工硬脆材料（如硬质合金）的微结构加工具有很大的优势。

电解加工时，工件(阳极)表面由于电化学钝化作用产生的钝化膜(金属氧化物吸附膜或成相膜)会阻止低电流密度下的电解作用。

常规电解加工用较高的电流密度及有一定压力高速流动的电解液来消除电解钝化、清除电解产物，保持电解过程的连续高速进行。

电解液系统复杂，设备及防护成本高，同时由于电解杂散腐蚀作用，材料去除的定域性及微细化很难控制。

微细加工材料去除量微小，加工精度要求很高，为了避免杂散腐蚀作用，电解作用须
在低电位、微电流密度下进行，在电流效率曲线上，微细电解加工电流密度一般处于钝化区，工件表面将产生低电流密度难以破坏的钝化膜，电解作用不能持续进行，使单纯电解方式在微细加工中的应用受到限制。

工件表面的钝化膜在单纯的微电流电解作用下难以消除，但其强度远低于基体材料，如使阴极端面作超声频振动，利用电解液(必要时加入微细磨料)的超声频振动冲击波及“负压空化”效应来破坏工件表面的电解钝化膜，减小电化学反应极化，可使电解加工过程保持连续进行，解决单一微细电解过程难以持续的问题，使其实用成为可能。

高频振动冲击波及“负压空化”效应能有效、及时地去除微细加工区的电解产物，改善及加强电解作用，改善加工区状态，实现“静态供液”电解方式的微细加工，可大大简化工艺系统；电解钝化与超声效应消除钝化交替进行，机理上可保证加工过程中钝化膜产生和去除协调进行，去除量将以钝化膜层为单位进行，从而实现定域微细加工。

电解复合超声微细加工中，超声作用主要在于去除电解钝化、排除加工产物并及时更新电解液，超声辅助磨料粒度可以很微细，如微米级微粉(甚至无磨料加工)，从而可最大限度地减小工具阴极损耗，提高微细加工精度，减小粗糙度；另外低浓度钝化性电解液，便于实现清洁、绿色制造，因此此方法如能成功应用，将具有独特的技术优势。

1.4.2超声电解复合微细加工优点
超声电解复合微细加工工艺充分发挥了超声加工和脉冲电流电解加工的优势，克服了各自的某些缺点，在 MEMS 微器件加工方面有着其他加工所难以比拟的技术优势：（1）超声电解复合微细加工方式的材料去除是以钝化膜层为单位（亚μm级），电解钝化与超声作用消除交替进行，机理上可保证加工过程中钝化膜产生和去除的协调配合，解决电解微细加工过程难以持续的问题，使其实用成为可能；
（2）高频振动冲击波及空化作用既可消除电解钝化膜，并能借助于高频振动，将加工产物从间隙区及时排除，实现近静液方式的微细电解加工，大大减小阴极工具头磨损，保持了加工硬脆金属（如淬火钢、硬质合金）材料的效率、得到良好的精度。

阴极工具头可选择硬度高且具有很好韧性的调质中碳钢或合金钢材料，加工中超声加工工具头损耗及加工面积大效率就低的缺陷大为减轻；
（3）由于阴极工具头接近无损耗的特殊优点，加工型面将会完全根据阴极工具头形状（拷贝式）或包络轨迹（轮廓生成式）成形，而微小的阴极工具头可由线电极电火花磨削（WEDM）技术在线制作（或采用快速原型+精密微细电铸及掩模式刻蚀等多种工艺），这非常有利于微器件立体型面加工；
（4）超声振动电解复合微细加工采用低质量分数钝化性电解液（有时为了改善性能，还可加入多种添加剂），如质量分数 2%～10%NaNO3或超纯水，其污染很少；同时在超声频振动、微电流电解作用时采用静态供液即可，用量很少，因此不会产生通常大电流电解加工在工件、设备、环境保护方面存在的问题，便于实现清洁、绿色制造。

综上所述，超声电解复合微细加工将超声振动、同步脉冲电流电解加工（某些特定情况下包括微火花放电）等技术的优点结合于一体，在保持电解加工效率高、表面质量好、
阴极无损耗的优势的同时，又有加工定域性好、精度高并可适用于多种导电材料的优势，从机理上适合于很多微器件的微细加工，是微器件加工的一种清洁、高效、高精度、低成本的新方法，这种复合加工新工艺的研究成果将对微细制造技术的完善及 MEMS 的实用化有重要的补充作用。

1.4.3国内外超声电解复合微细加工研究进展
在国外，俄罗斯、德国等国家的科研人员开展了有关超声加工和电解加工复合工艺方法的研究，取得一定的实用性进展，已具有一些工业应用对象，俄罗斯并已经形成了超声电解复合加工机床的系列产品。

波兰先进制造技术研究所的A.Ruszaj 等学者对复杂刻纹表面的电解精加工进行了实验研究，并对电极之间产生的现象进行了分析，为获得Ra<100nm 的表面粗糙度，分别采用脉冲电流电解加工（PECM），超声电解加工（USPECM）以及在电解液中混以磨料粉末的超声电解加工（USAECM）三种方法进行试验，结果表明，超声电解加工后的表面质量好于脉冲电流电解加工，而再混以磨料粉末后的加工表面质量最好。

波兰先进制造技术研究所的 S.Skoczypiec，利用计算流体力学对超声辅助电解加工间隙中的电解液流动进行了分析，超声振动使工具阴极获得一个附加速度；通过计算流体力学（CFD）方法，分析了存在气穴情况下的极间多相不稳定湍流，分析结果表明，超声振动改变了电解蚀除的条件，如果对振幅参数进行优化，能够减小电极的极化。

目前，我国对超声电解复合加工方法也开展了研究工作，南京航空航天大学曾为了加强特种加工实验室的基本建设，在超声电解复合加工技术领域开展过基础性研究，获得了较粗浅的感性认识，为在微细加工制造领域引入超声电解复合工艺开展必要的初步探讨提供了有益的经验。

近年来，南京航空航天大学云乃彰和扬州大学朱永伟等对超声电解复合加工机理及技术优势进行了初步探讨，利用自行研制的变幅杆和不同截面的微细工具阴极开展了一系列超声电解复合微细加工方法基础试验，初步证实了这种复合技术的可行性和优点。

1.5本文的主要研究内容及意义
长期以来，由于加工间隙难以控制的很小，电解加工的加工精度不高，在微细制造方面的应用研究一直停滞不前。

近年来由于在短脉冲电解、掩模电解、精密电解方面的研究突破，以及在电解液、控制加工间隙方面的新的研究进展，电解加工开始逐步应用于微孔加工，成功加工出从几微米到几毫米的小孔，加工精度越来越高。

随着微纳米技术的不断发展，微细加工技术作为实现其应用的关键技术和重要基础，得到了研究人员的广泛关注，基于各种原理的精密微细加工技术层出不穷。

随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。

因此对立式超声微细电解加工机床的研究有着重要的价值。

该毕业设计课题是自选课。