基于乙二醇的非水基钛合金电解加工机理及关键工艺研究

发布时间：2020-09-29 10:37

　　钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好的优点,在兵器制造、医疗器械、航空航天等领域广泛应用。在这些领域应用的钛合金工件通常包含大量的精密微细结构,如人造种植体上的光滑微孔和微轴、燃料电池的流道和航空工业中涡轮叶片的散热孔等。因为钛合金加工难度大(硬度大、强度高),微米级刀具刚度不足,所以钛合金的微细结构很难采用机械方法加工。微细电解加工基于电化学溶解去除多余材料,不受工件材料硬度等力学性能影响,因此尤其适合钛合金微细结构的精密加工。钛合金的微细电解加工必须解决两方面的关键技术问题:一是微细电解加工过程中必需的高精度微细电极的加工,二是钛合金自钝化特性劣化加工精度的问题。针对上述关键问题,本课题开展以下几方面的研究工作:根据电极反应过程中扩散层的流动状态,提出了利用准固态电解质(琼脂水凝胶)加工微细电极的方法。采用反拷法加工微细电极时,液态扩散层的流动会劣化加工精度;准固态电解质能够抑制扩散层流动,保证扩散层均匀分布,电解加工出大长径比、小锥度的圆柱电极。通过单变量工艺实验研究主要工艺参数(极-液距离、占空比和脉冲峰值电压)对加工效果的影响,并优化工艺参数。针对钛合金自钝化特性,提出采用非水基电解质——乙二醇基电解质电解加工钛合金微细结构。对比钛合金在水基电解质和乙二醇基电解质中的极化曲线、电化学腐蚀过程和加工区域底面状态,研究钛合金的电化学腐蚀机理。在水基电解质中,由于阳极极化,钛电极表面不断生成氧化膜,劣化加工精度。在乙二醇基电解质中,固有氧化膜破除后,不再形成新的氧化膜,加工精度高。利用自主搭建的精密电解加工平台,在乙二醇基电解质中进行微孔加工的工艺实验。通过工艺实验研究脉冲峰值电压、进给速度和占空比对加工精度和加工效率的影响,在实验条件下得到最优参数为:脉冲峰值电压40 V、进给速度1μm/s、占空比12.5%。利用最优参数在钛板上加工出深300μm,平均直径148μm的深微孔。增加工件在X-Y平面上的运动,采用乙二醇基电解质中进行微槽的电解加工实验。分析影响加工精度的主要因素,通过工艺实验研究行走速度、初始加工间隙和脉冲峰值电压对加工效果的影响,在实验条件下得到最优参数为:行走速度3μm/s,初始加工间隙10μm,脉冲峰值电压30 V。利用最优参数在钛板上加工出形状精度高、表面质量好的“TJU”字母图案。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.23;TG661
【部分图文】：

铣削加工,微结构,磨具

图 1-1 微细铣削加工的微结构[6,7]微细机械加工方法细机械加工方法还包括微细磨削（Micro-grinding）和ping）加工等。加工的磨具是具有微小磨粒的微砂轮或微磨棒，通过磨削，可用于钛合金微结构的加工和后处理，能加工微米或亚工精度高，加工面光滑平整。但是磨具尺寸小，刚度不足获得足够的磨削线速度，磨具转速快，对设备的要求高，国的 Aurich 等人利用直径 4 μm 的微磨棒，加工出粗糙构[9]。加工多用于加工钛合金微孔，在仪器仪表制造等行业应用与对应形状的凹模，施加一定的外力，将板材冲出一定尺等采用微细冲压加工方法，冲压出直径 25 μm 的微细孔

飞秒激光,微细加工,微结构

实现无接触加工[11]。激光微细加工有很多优点：应、导电性等影响；光斑集中，光斑直径可以小于 1μm，足存在切削力，不受刀具刚度影响，可以加工薄壁类工件加工最初用来加工微孔，尤其适合加工大长径比的微细孔刻写复杂的图案和花纹。其中，微细激光立体光刻技术，激光加工技术，能够加工出具有三维曲面的复杂微细结研究突飞猛进，飞秒激光甚至皮秒激光的出现，大大推动展。飞秒是 10-15s，飞秒激光即脉冲宽度在飞秒量级的激功率以及极强的聚焦能力，而激光所需能量维持在较低水学者使用飞秒激光加工出的高精度深微孔，孔深 1 mm[13激光在不锈钢板上加工出微齿轮结构，如图 1-（b）所示[1仍然有很多问题无法解决，例如：对材料吸光性要求高，辅助喷砂预处理；加工面粗糙，表面精度不足；工件受热变形；激光器设备昂贵，不利于大范围推广和应用。

加工精度,激光术,立体成形,技术

图 1- 1 LIGA 技术的加工过程[15]准 LIGA 技术来解决上述问题。准 LIGA 技术是线，降低生产成本，简化工艺流程，例如激光术、硅准 LIGA 技术、紫外线立体成形光刻技一些问题，如产品的深宽比减小，加工精度降细加工工（Ultrasonic Micro-machining）是向带有磨粒粒在工件表面振动、抛磨、冲击，并发生空化的[18]。超声微细加工适合钛合金等脆硬材料的大，而且加工精度高，表面粗糙度达到 Ra 0.变形。工主要用来加工深小孔。日本学者研制出型号

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