殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究本科毕业论文.docx
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殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究本科毕业论文
本科毕业设计（论文）
殷钢冷却板冷却微流道电火花加工研究
Electricaldischargemachiningofthemicrogroovesoninvarcoolingplate
学院（系）：
机械工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
大连理工大学
DalianUniversityofTechnology
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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日期：
年月日
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日期：
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
殷钢，属于铁镍合金的一种，因其形变随温度变化极小，故可作为高发热量高精密仪器的散热元件。
针对某种大口径水冷式仪器冷却板的制造要求，根据水冷式腔镜换热效率和结构稳定性对冷却微流道的形状、尺寸、排列方式、加工精度及表面质量的要求，提出了采用叠加组合紫铜板、铣削紫铜电极进行微细电火花加工以及采用锯片铣刀进行微细铣削加工殷钢冷却板冷却微流道的技术方案。
使用组合紫铜版电极、铣削紫铜块电极对殷钢表面的微流道进行电火花加工试验，分析殷钢电火花加工特性，并通过分析加工后殷钢外形整体形貌、材料去除率、表面质量、侧面间隙、电极损耗速度等，结果表明，组合式紫铜板电极不适合殷钢冷却板微流道的微细电火花加工，而铣削紫铜块电极可以作为殷钢冷却板微流道电火花加工的工具电极。
使用锯片铣刀交叉微铣削殷钢冷却板微流道，第一次铣削的微槽口形貌较好，没有“飞边”现象，但是交叉铣削时，由于槽壁的刚度较差，会产生严重的“飞边”现象。
考虑到电火花加工时工具电极磨损严重，价格高，提出了先铣削后电火花加工的方法，经试验，该方法得到的微槽形貌、精度均能够满足要求，从而得出结论利用铣削与电火花组合加工的方法进行微流道的加工。
关键词：
电火花加工；殷钢；微流道；高能散热元件
Electricaldischargemachining（EDM）ofthemicrogroovesoninvarcoolingplate
Abstract
Invarisoneofiron-nickelalloys.Becauseofitslowthermalexpansion,itcanbeusedasacoolingelementofthehighheatofhigh-precisioninstruments.Fortherequirementsforsomekindof large-caliber water-cooledcoolingplate,accordingtotherequirementsofthecoolingmicro-flowchannelshape,size,thewayofthearrangementthemachiningaccuracyandsurfacequalityofthewater-cooledmirrorsheatexchangerefficiencyandstructuralstability, thepaperintroducestheelectrodeforEDMbycombinationcopperplates,millingcopperelectrodeforEDMtomanufacturecooledmicrochanneloninvarcoolingplateaswellasusingbladecutterforfinemillingthecooledmicrochanneloninvarcoolingplates.UseacombinationelectrodeofthecopperversionandmillingthecopperelectrodeforEDMtestonthesurfaceoftheinvarcoolingplate,andanalyzetheelectricaldischargemachiningcharacteristicsofinvarandoverallmorphologyoftheinvarshape,thematerialremovalrate,surfacequality,sideofthegap,electrodewearrate.Theresultsshowthatthecombined copperplateelectrodeisnotsuitableformicro-flowchannelforcoolingplateofinvarEDM,millingcopper block electrode canbeusedasthetoolelectrodeforthecoolingplateofinvarmicrofluidicchannels.Usingbladecuttertomillthemicro-flowchannelontheinvarcoolingplatecrossing,themorphologyofthefirstmillingisgood,thereisno“flash”phenomenon,butthesecondcross-milling,duetothepoorstiffnessofthegrooveedge,hasserious“flash”phenomenon.TakingintoaccounttheEDMtoolelectrode’sseriouswearing,highpricesofEDM,weproposethemethodofthemilling-EDMtest.Themicro-groove’stopographyandaccuracycanmeettherequirements.ThenweconcludethatthemethodofusingmillingandEDMcombinationistheonetomanufacturethemicro-flowchannelontheinvar.
KeyWords：
EDM;Invar;Micro-flowchannel;High-energycoolingcomponents
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1研究的背景与意义1
1.1.1研究的背景1
1.1.2研究的意义及主要工作1
1.2殷钢的性质及应用2
1.2.1殷钢的性质3
1.1.2殷钢的发展历史及应用前景5
1.3电火花加工技术6
1.3.1电火花加工技术简介6
1.3.2电火花加工技术的发展趋势9
2电火花加工试验10
2.1殷钢加工试样制备10
2.2工具电极的制备方法13
2.2.1铜板叠加式组合电极13
2.2.2一体式紫铜工具电极16
2.2.3工具电极的选择17
2.3电火花加工17
2.3.1电火花加工试验17
2.3.2交叉加工试验19
2.4本章小结21
3试验结果22
3.1电极的检测及分析22
3.1.1工具电极外观变化22
3.1.2工具电极微观形貌及检测22
3.2工件的检测及分析25
3.2.1电火花加工工件检测25
3.2.2交叉加工工件检测28
3.3本章小结30
4.技术经济分析31
结论32
参考文献33
致谢34
1绪论
1.1研究的背景与意义
1.1.1研究的背景
某军工仪器的反射镜在正常工作时发热量极大，由于绝大多数材料都有热胀冷缩的特点，因此该仪器如果应用普通材料，势必会受到热胀冷缩的影响，其精度将大大降低，甚至不能正常工作，所以开发该仪器的主要工作放在了寻找形变受温度变化影响极小的特殊材料和仪器的散热问题上。
殷钢，由于其热膨胀系数极小，甚至在特定温度段内其形状不发生变化，为了突出殷钢的该特性，人们把体积、外形不随温度而变化的现象叫做“殷钢效应”，可见殷钢体积的热稳定性很好。
因此，研究人员就把殷钢应用到了仪器的散热部分。
该仪器采用水冷式散热，而在水冷系统中，液体水流经的沟槽越细，温升越小，散热效果越好。
所以，就要研究如何在殷钢冷却板上加工出微流道。
1.1.2研究的意义及主要工作
殷钢在该军工大口径水冷仪器的散热中起到至关重要的作用，该仪器采用水冷系统，殷钢的低热膨胀率使其在保证仪器高能量高精度的前提下拥有良好地散热效果。
而在水冷系统中，液体水流经的沟槽越细，温升越小，散热效果越好。
因此，研究殷钢的电火花加工有着深远的意义。
殷钢冷却板冷却微流道的电火花加工的研究，对该军工仪器的有效散热起着至关重要的作用。
该项目处于试验阶段，在实验室做试验时，只需要在小块的殷钢试样上加工出1mm宽、1mm深的沟槽即可，没必要使用与原散热板1：
1大小的殷钢板。
试验中所使用的殷钢块体体积尺寸约为75×55×20mm。
试验所用的原材料为大块殷钢（约500×150×80mm），表面凹凸不平、异常粗糙、且已被氧化，不能直接使用，需要进行进一步的加工才能用于试验。
该项目所进行的加工试验有：
1铜板组合电极的制备；
2铣削制备紫铜棒电极；
3殷钢试样的制备；
4紫铜棒电极电火花加工殷钢试样；
5片铣刀垂直交叉铣削殷钢试样；
6殷钢试样先铣削再电火花加工；
7电火花加工前殷钢试样、工具电极表面形貌的观察测量；
8电火花加工后殷钢试样、工具电极表面形貌的观察测量。
仪器上用到的殷钢冷却板的形貌，其外形的示意图如图1.1所示。
实际该殷钢散热板的尺寸为200×200×10mm，其表面上为宽1mm、深1mm、间隔1mm的垂直交叉的沟槽。
图1.1殷钢冷却板示意图
1.2殷钢的性质及应用
随着科学技术，尤其是电子产品的快速进步、发展，航空航天和其他先进科学技术领域对材料的性能提出了更多、更高、更严格的要求，以满足科技发展的要求。
其中低热膨胀系数的合金在现代化制造中尤其重要。
殷钢就是这样一种材料，对其加工特性做进一步的研究有着重要的现实意义。
1898年，瑞士物理学家夏尔·爱德华·纪尧姆（C.E.Guillaume）为了寻找一种不随温度变化而发生形变的金属材料来制造大地测量仪时发现了殷钢[1]。
他在测试镍含量在30%-60%的镍铁合金时发现当镍的含量为36%时合金的热膨胀系数最小，这种FCC面心立方体晶格结构的特殊合金在冶炼过程中有不寻常的机械和磁特性，因其形状不随温度变化而被命名为殷钢（InvarSteel的音译）。
1.2.1殷钢的性质
殷钢，属于铁镍合金，含铁63.8%，镍36%，碳0.2%，这种合金材料最大的特点是形变随温度变化很小，适合做变形随温度变化有严格要求的工具。
与殷钢有类似特点的材料还有：
殷钢35Ni-65Fe，超殷钢32Ni-64Fe-4Co，不锈殷钢37Fe-32Co-11Cr，非晶合金83Fe-17B等。
其中，最典型的为Invar36，在前沿科技（如精密仪器、航空航天）中应用最广[2,3]。
Invar36的各化学成分及含量如表1.1所示[4]。
表1.1Invar36的化学成分（%：
质量份数）
C
P
S
Si
Mn
Ni
Fe
≤0.05
≤0.02
≤0.02
≤0.2
0.2～0.6
35.0～37.0
余量
在大气温度范围（-60℃-80℃）内，殷钢Invar36合金线性热膨胀系数非常之低。
依照YB133-69,在保护气氛或者真空中加热殷钢Invar36合金至850℃-900℃并且保温60分钟，之后以小于等于300℃/h的速度冷却至200℃以下并移出保温炉，得到Invar36合金的平均线膨胀系数α20-100℃≤1.8×10-6/℃[5]。
殷钢Invar36在不同温度范围内的平均热膨胀系数见表1.2[6]。
表1.2不同温度范围中殷钢Invar36合金的平均热膨胀系数
温度范围
（℃）
平均线膨胀系数α
（×10-6/℃）
温度范围（℃）
平均线膨胀系数α
（×10-6/℃）
20～-60
1.8
20～250
3.6
20～-40
1.8
20～300
5.2
20～-20
1.6
20～350
6.5
20～0
1.6
20～400
7.8
20～50
1.1
20～450
8.9
20～100
1.4
20～500
9.7
20～150
1.9
20～550
10.4
20～200
2.5
20～600
11.0
图1.1显示了殷钢的热膨胀系数随组成成分的变化[7]，从图中也可看出随着Ni含量的变化，膨胀系数曲线有一个明显的“低谷”，而随着Ni含量的变多或者变少都会引起殷钢热膨胀系数明显的变化。
图1.1殷钢的热膨胀系数—成分曲线
图1.2示出了殷钢Invar36膨胀系数温度曲线。
在室温下，含Ni量35.4%的热膨胀系数α值很小很稳定，但当温度升高到一定范围时，膨胀系数α将显著增加，温度为230℃左右时，随着温度的升高，α值迅速升高。
相比之下，纯Ni和其他几种不同Ni百分含量的金属的热膨胀系数在图1.2中一并给出。
由比较图可以看出，在常温和低温条件下，殷钢Invar36的热膨胀系数不仅小，而且相对稳定。
图1.2几种Fe—Ni合金及纯Ni的热膨胀系数—温度曲线
常见的奥氏体殷钢Invar36材料伸长率和断面收缩率都较高，但硬度相对较低，弹性模量比常见的各种钢都要小，室温下，与灰口铸铁HT300的水平相当，如表1.3所示[8]。
表1.3Invar36合金的力学性能
抗拉强度σb
（Kg/mm2）
屈服点σS
（Kg/mm2）
伸长率δ
（%）
面缩率ψ
（%）
维氏硬度
（HV）
弹性模量E
（Gpa）
40～60
28～42
30～45
50～70
104～150
141
1.1.2殷钢的发展历史及应用前景
因为殷钢材料具有热膨胀系数低、塑性良好、性能稳定等优点，其应用领域正在逐步扩大。
由过去单纯的应用在精密测量仪器逐渐向电子行业和特殊领域扩展。
自从殷钢Invar36及其同族铁镍合金问世以来，因其具有低热膨胀系数而得到了广泛的应用，应用范围也在迅速的发展。
殷钢Invar36最早被用于测量仪用薄带、细丝以及座钟的钟摆等[9-12]。
上个世纪20年代，铁镍合金取代铂用作与玻璃封接的引丝，从而大大降低了成本。
除此之外，铁镍合金还被广泛应用于灯泡、校对量规用的测量仪器、恒温器中作控温用的热双金属片、无线电电子管和机器零件等。
白炽灯泡封接头的引线也是用镀铜铁镍合金（又被叫做杜镁丝）做的。
第二次世界大战极大地刺激了对殷钢的需求。
铁镍合金在真空管以及电子行业的其它产品的发展中的需求日益增加。
到上世纪50年代和60年代，铁镍合金的使用量更是不断增加，应用范围涉及发动机空机器、电视机温度补偿弹簧、断路器中热双金属片的被动层以及空调机等方面。
在半导体器件和微处理器中的引线通孔、封装和盖罩封接中被用作封接合金。
上世纪80年代到90年代热双金属市场继续扩大。
由于殷钢在所发现金属及合金中热膨胀率是最小的，其非常适合应用于油轮、液化天然气（LNG）的储罐。
用传统奥氏体不锈钢来做这种材料时，为了吸收输送管道在极低温度中的热收缩，管道必须设计成特殊的回路结构。
殷钢在极低温度下的热膨胀系数仅为奥氏体不锈钢的1/10，因此用殷钢来作为输送管道的材料就不需要这样的设计，可以极大地节省建设费用。
近年来，Invar合金在高分辨率阴极射线管（显像管）的荫罩中发挥出其潜力。
在欧洲和日本，学者和科学家们利用殷钢合金解决了荫罩的“穹面效应”。
在美国，科学家们将殷钢合金与高热膨胀系数的合金组合制造出的挠曲弹簧片，用作荫罩彩色荧光粉重新定位的装置。
殷钢在现代科技中的应用还包括精密激光设备和光学测量系统及波导管中的结构元件、显微镜、天文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样的科学仪器当中。
在航空航天工业中，已经成功利用殷钢模具压铸复合材料部件。
尤其在新一代飞机用零件中，必须保证先进的复合材料在中等温度下凝固时与模具保持很狭窄的尺寸公差，殷钢的优点使其成为不可或缺的材料。
1.3电火花加工技术
电火花加工又叫放电加工、电蚀加工。
因为在加工过程中有火花出现，所以在我国叫做电火花加工，而日本、美国、英国称之为放电加工，俄罗斯
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