气膜屏蔽阵列凹坑微细电解加工技术研究
发布时间：2020-08-13 20:34
【摘要】：在金属表面加工微织构可大幅提高产品性能,如减小摩擦磨损、提高承载力、避免表面粘附等情况,因此该类结构被广泛应用于农业机械、航空航天等多个领域。在电化学射流加工技术中,由于高压、高速电解液,工件表面存在水跃现象,在电液束正对的工件周边杂散腐蚀严重,加工定域性差。因此,为了改善微凹坑的加工质量和提高加工效率,本文将气膜屏蔽微细电解加工方法运用到阵列凹坑加工中,利用同轴辅助气体约束电解液,使纯电解液流场快速过渡到气液混合流场,达到改善间隙流场特性、屏蔽电场的目的。主要研究内容如下:1.基于流体动力学、多相流理论,采用ANSYS FLUENT对流场进行数值仿真。根据气液体积分数和速度优化喷嘴与工件间距、气液出口间壁厚、工具电极间距等设计参数。同时,为了保证各出口流体流动的一致性,设计喷头内部结构,进行内部流场仿真。2.基于线性阵列喷嘴进行可行性实验研究,利用SEM、三维轮廓仪等测量阵列微凹坑的成形尺寸及表面精度,计算锥度和标准差,对比气膜屏蔽前后加工的可行性和凹坑尺寸一致性。结果表明:采用气膜屏蔽微细电解加工方法,阵列凹坑平均入口直径减小40%,极差减小67.7%,锥度增加42%,加工精度提高,加工定域性和稳定性改善。3.采用脉冲电源进行工艺实验,探究气体/液体速度、电压、进给速度、脉冲宽度等因素对凹坑成形尺寸、精度的影响规律。结果显示:在脉冲周期为12μs,脉冲宽度为6-7μs,电解液流速为5m/s,气体流速为100m/s,电压为12V,进给速度为70μm/min时,可以加工出锥度较大、底面质量好的阵列微凹坑。4.基于支持向量机理论,在现有实验数据的基础下综合考虑加工效率、加工定域性和凹坑一致性等,利用Matlab等软件进行全局寻优,为之后的研究提供理论依据。论文研究表明气膜屏蔽微细阵列电解加工可以加工出表面质量好、尺寸一致性高的阵列微织构,可为阵列电解加工等相关研究领域提供参考,也有助于促进微结构在工程方面的应用。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG662
【图文】：
1.1 选题背景及意义现代摩擦学[1-4]、仿生学[5-6]、和空气动力学[7-8]等领域的专家、学者近些年发现：自然界中很多动植物的体表存在很多的微结构，它们由大量鳞片或皮下结缔组织构成，呈现非光滑表面状态。例如，鲨鱼体表有许多鳞片和脊鳞，达到减小运动阻力的目的[9]；荷叶表面有很多微小的乳突[10]，使表面呈现疏水性；在贝壳表面排布着凹坑和凸起[9]；壁虎脚掌上有密集分布的微小吸盘[11]。对这些表面做进一步的摩擦性能分析后表明：在一定范围内，表面耐磨性与表面光滑程度呈正相关，但并非越光滑就越耐磨，具有一定微细结构的非光滑形态表面有时具有更好的实用性[12-13]；同时，加工有微细孔、凹坑矩阵或微细槽(如图 1-1 所示)等微结构的表面的耐高温、耐腐蚀性能也大幅度提高，工件表面的粘附和咬死等现象明显减少[14-16]。因此，近年来，微细结构被广泛应用于航空、电子、汽车等工业领域，如航空引擎的冷却空气管和阻尼衬套、电子显微镜的光栅和活塞表面的表面纹理等[17-19]。
图 1-2 激光微细加工“翻边”现象[20]工属于热熔化、汽化过程，高压蒸汽使得工件表面的液态上的熔融物遇冷凝固，形成“翻边”(图 1-2)，有时加工表面粗糙度变差。用激光微细加工技术钛合金表面加工了凹槽，同时对凹立了对应的数学模型[21]；Kawasegi等人利用微细激光加尺寸和形状的微织构，并且根据不同的刀具进行了车削摩擦磨损大幅度减小，使得切削力减小[22]。流加工技术加工技术是一种利用高速、高密度的微细磨料流束对工用于制造加工高硬度、高脆性的三维微细结构和微细零23-24]。气射流微细加工脆性材料具有高效率、低成本的优势，
图 1-3 掩膜微细电解加工原理图[31-32]图 1-4 掩膜微细电解加工群孔[33]航空航天大学孙毅等基于掩膜微细电解加工理论，探究了电解液种类、电压等参数微结构尺寸的影响规律，在工件上加工了平均直径为 0.61mm，孔径方差为 0.0236 的阵列凹坑[31-32]；河南理工大学的赵晨昊将可导电、易属和掩膜电解加工技术相结合，提出了泡沫阴极掩膜电解加工技术，加工的微坑阵列[33]。细电解铣削加工技术电解铣削加工作为电化学加工方法的一种，主要采用形状简单的工具电极式一样，在工件表面作规律性的轨迹运动，实现微结构的加工。近几年，电源被采用，加工精度得到了很大提高，可加工成形尺寸几十微米甚至几，如图 1-5(a)所示为纳秒级脉冲电流下电解铣削加工的微槽结构，所用工10μm，其槽宽仅 25μm，加工后工件表面几乎无杂散腐蚀[34]。
本文编号：2792485
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG662
【图文】：
1.1 选题背景及意义现代摩擦学[1-4]、仿生学[5-6]、和空气动力学[7-8]等领域的专家、学者近些年发现：自然界中很多动植物的体表存在很多的微结构，它们由大量鳞片或皮下结缔组织构成，呈现非光滑表面状态。例如，鲨鱼体表有许多鳞片和脊鳞，达到减小运动阻力的目的[9]；荷叶表面有很多微小的乳突[10]，使表面呈现疏水性；在贝壳表面排布着凹坑和凸起[9]；壁虎脚掌上有密集分布的微小吸盘[11]。对这些表面做进一步的摩擦性能分析后表明：在一定范围内，表面耐磨性与表面光滑程度呈正相关，但并非越光滑就越耐磨，具有一定微细结构的非光滑形态表面有时具有更好的实用性[12-13]；同时，加工有微细孔、凹坑矩阵或微细槽(如图 1-1 所示)等微结构的表面的耐高温、耐腐蚀性能也大幅度提高，工件表面的粘附和咬死等现象明显减少[14-16]。因此，近年来，微细结构被广泛应用于航空、电子、汽车等工业领域，如航空引擎的冷却空气管和阻尼衬套、电子显微镜的光栅和活塞表面的表面纹理等[17-19]。
图 1-2 激光微细加工“翻边”现象[20]工属于热熔化、汽化过程，高压蒸汽使得工件表面的液态上的熔融物遇冷凝固，形成“翻边”(图 1-2)，有时加工表面粗糙度变差。用激光微细加工技术钛合金表面加工了凹槽，同时对凹立了对应的数学模型[21]；Kawasegi等人利用微细激光加尺寸和形状的微织构，并且根据不同的刀具进行了车削摩擦磨损大幅度减小，使得切削力减小[22]。流加工技术加工技术是一种利用高速、高密度的微细磨料流束对工用于制造加工高硬度、高脆性的三维微细结构和微细零23-24]。气射流微细加工脆性材料具有高效率、低成本的优势，
图 1-3 掩膜微细电解加工原理图[31-32]图 1-4 掩膜微细电解加工群孔[33]航空航天大学孙毅等基于掩膜微细电解加工理论，探究了电解液种类、电压等参数微结构尺寸的影响规律，在工件上加工了平均直径为 0.61mm，孔径方差为 0.0236 的阵列凹坑[31-32]；河南理工大学的赵晨昊将可导电、易属和掩膜电解加工技术相结合，提出了泡沫阴极掩膜电解加工技术，加工的微坑阵列[33]。细电解铣削加工技术电解铣削加工作为电化学加工方法的一种，主要采用形状简单的工具电极式一样，在工件表面作规律性的轨迹运动，实现微结构的加工。近几年，电源被采用，加工精度得到了很大提高，可加工成形尺寸几十微米甚至几，如图 1-5(a)所示为纳秒级脉冲电流下电解铣削加工的微槽结构，所用工10μm，其槽宽仅 25μm，加工后工件表面几乎无杂散腐蚀[34]。
【参考文献】
相关博士学位论文 前5条
1 朱国征;微细电火花加工微喷阵列孔孔径一致性及相关装置的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
2 董绍江;基于优化支持向量机的空间滚动轴承寿命预测方法研究[D];重庆大学;2012年
3 张彬;高压旋喷气液同轴喷嘴射流流场理论与试验研究[D];中国地质大学（北京）;2011年
4 钱双庆;表面织构电解加工技术的基础研究与应用[D];南京航空航天大学;2011年
5 郭育华;LIGA技术制作高性能微电子机械模具及其脱模性能的研究[D];中国科学技术大学;2007年
本文编号：2792485
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/2792485.html
