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广东工业大学硕士专业学位论文

广东工业大学硕士专业学位论文

模板射流电解加工微沟槽关键技术研究

张三

二○二○年五月二十五日

注：

1.请按模版的字体、行间距、图标、表名、公式、页眉等格式要求撰写，红色字体内容学生自行修改。

2.学术型硕士生请将“硕士专业学位”替换成“硕士学位”；学术型博士生请将“硕士专业学位”替换成“博士学位”。

分类号：

学校代号：

11845

UDC：

密级：

学号：

广东工业大学硕士专业学位论文

模板射流电解加工微沟槽关键技术研究

张三

指导教师姓名、职称：

李四教授

专业学位类别（领域）名称：

工程（机械工程）

学生所属学院：

机电工程学院

论文答辩日期：

2020年5月25日

注：

1.专业学位类别：

工程、工商管理、工程管理、会计、翻译、社会工作、金融、艺术、电子信息、机械、材料与化工、资源与环境、能源动力、土木水利

2.学术型研究生请将“专业学位类别（领域）名称”替换成“一级学科（二级学科）名称”

ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnology

fortheDegree’sMasterofEngineering

Investigationonmaskedjetelectrochemicalmachiningofmicrogrooves

Candidate:

ZhangSan

Supervisor:

Prof.LiSi

May2020

SchoolofElectromechanicalEngineering

GuangdongUniversityofTechnology

Guangzhou,Guangdong,P.R.China,510006

摘要

微沟槽作为一种典型的表面微结构，在微传感器、微反应器、微流体器件以及微型燃料电池等产品核心零部件上发挥重要作用。

如何实现复杂形状微沟槽的精密、高效、低成本制造成为研究的热点。

目前，微沟槽的加工方法主要有微细机械切削加工、微细激光加工、微细电火花加工以及微细电解加工等加工方式。

电解加工因具有无应力接触、无切削热、无工具电极损耗、可实现离子级别的材料去除等特点，在金属微结构加工方面优势明显。

针对现有掩模电解加工中掩模制作工艺复杂、电解产物排除困难、沟槽长度方向尺寸一致性差等问题，本文提出一种模板射流电解加工微沟槽结构新方法。

该方法将带有单个或单排微通孔结构的模板与金属喷嘴集成为一体，加工过程中保持模板与工件表面接触，电解液通过喷嘴高速喷入模板微通孔到达工件表面，通过控制喷嘴与工件之间的相对运动便可由点到线扫描加工出复杂曲线形或阵列微沟槽结构。

本文的主要研究内容如下：

（1）提出模板射流电解加工方法，搭建电解加工微沟槽实验平台，完成模板喷嘴与工装夹具设计制作，开发基于LabVIEW软件的运动控制系统和数据采集系统，以满足实际加工实验需求。

（2）通过ANSYS电场仿真对模板射流电解加工微沟槽成形规律进行理论分析。

分别完成了单点微坑和微沟槽成形过程模拟，通过计算电流密度变化过程分析了微沟槽加工首尾两端圆角形成过程，并将理论计算与实际加工微沟槽首尾两端形貌进行对比。

研究了加工电压、模板尺寸与扫描速度参数对微沟槽仿真计算结果的影响，为进一步实验与工艺参数优化打下了基础。

（3）进行模板射流电解加工微沟槽工艺实验，研究了关键参数如脉冲频率、脉冲占空比、喷嘴扫描速度以及扫描次数与微沟槽加工定域性、材料去除率以及电流效率之间的关系。

最终通过参数优选，在加工电压30V，脉冲频率1000Hz，占空比20%，扫描速度20μm/s的条件下成功加工出槽宽90μm，槽深20μm的弯曲蛇形、直线和交叉阵列形以及阵列微缝等高质量微沟槽结构，验证了模板射流电解加工方法的可行性。

（4）为提高微沟槽模板射流电解加工定域性，提出采用金属模板代替绝缘模板进行电解加工。

仿真结果表明，采用金属模板能够改变微沟槽加工区域电场分布，使模板孔边缘处电场削弱，从而减小侧向腐蚀。

实验结果表明，相比于绝缘模板，采用金属模板加工侧向腐蚀系数EF从1.47直接增加至6.11。

采用金属模板能够显著减小射流电解加工过切量，提高加工定域性。

关键词：

电解加工；微沟槽；模板；射流

ABSTRACT

Asatypicalmicroscalestructure,microgrooveswithacertainsizeandshapearewidelyusedinmicrosensors,microreactors,microfluidicdevicesandmicrofuelcells.Howtorealizetheprecision,highefficiencyandlowcostmanufacturingofmicrogrooveswithcomplexshapeshasbecomethefocusofresearch.Atpresent,themachiningmethodsofmicrogroovemainlyincludemechanicalmicromachining,laserbeammicromachining,electricaldischargemicromachiningandelectrochemicalmicromachining.Electrochemicalmachininghasobviousadvantagesinmetalmicrostructureprocessingduetoitsfeaturesofstress-freecontact,nocuttingheat,noelectrodetoolwear,andionlevelmaterialremoval.Aimingattheproblemssuchascomplexmaskmakingprocess,difficulttoeliminateelectrolyticproducts,andpoorconsistencyofgroovesizeintraditionalelectrochemicalmachining,thispaperproposedanovelapproachofmaskedjetelectrochemicalmachiningformicrogroovestructure.Aflexibleinsulatedmaskwithmicrothroughholeswascoveredontheheadsurfaceofametallicnozzle.Duringmachining,themaskonthemodifiednozzlewascontactedwiththeworkpiece,andthejettingelectrolyteinthenozzlewasdividedintodifferentmachiningregionsbythemicro-through-holesinthemask,then,themicrogroovescouldbegeneratedbymovingtheworkpiecewithaneffectivevoltageappliedbetweenthenozzleandworkpiece.Bycontrollingtherelativemotionbetweennozzleandworkpiece,complexcurvedshapeorarraymicrogroovescanbeprocessedfromdottolinescanning.Themaincontentsofthispaperareasfollows:

（1）Amaskedjetelectrochemicalmachiningmethodwasproposed,andanexperimentaldeviceformicrogroovemachiningwasbuilt.ThesoftwaredevelopmentofmotioncontrolanddataacquisitionbasedontheLabVIEWplatformwascarriedouttomeettherequirementsoftheprocessingexperiment.

（2）Inthispaper,theformingprocessofmicrogroovesinmaskedjetelectrochemicalmachiningistheoreticallyanalyzedbyANSYSelectricfieldsimulation.Thesimulationofsingle-pointmicrodimpleformingprocessandthesimulationofpoint-linemicrogrooveformingprocesswerecompletedrespectively.Theprocessofformingtransitionarcsatbothstartingandendingpointsofmicrogroovewasanalyzedbycalculatingthecurrentdensitychange,andthearcprofilesofthetheoreticalcalculationandtheactualmachiningofmicrogrooveatbothstartingandendingpointswerecompared.Theinfluenceofpulsevoltage,masksizeandscanningspeedonthesimulationresultsofmicrogroovewasstudied.

（3）Onthebasisofthesimulationresults,theexperimentalverificationwascarriedout.Therelationshipbetweenthekeyparameters,suchaspulsefrequency,pulsedutycycle,scanningspeedandscanningtimes,andthemachininglocalization,materialremovalrateandcurrentefficiencyofthemicrogrooveswasstudied.Finallywiththeoptimizedparameters（pulsevoltage30V,pulsefrequency1000Hz,pulsedutycycle20%,scanningspeed20μm/s）,serpentine,straightline,crossshapemicrogroovesandarraymicroslitstructurewiththewidthof90μm,thedepthof20μmweresuccessfullygenerated,verifiedthefeasibilityofthemaskedjetelectrochemicalmachiningmethod.

（4）Inordertoimprovethelocalizationofprocessedmicrogroove,theconductivemaskwasusedtoreplacetheinsulationmaskforthesimulationandexperimentalstudy.Thesimulationresultsshowedthatusingconductivemaskcouldchangetheelectricfielddistributioninthemicrogrooveprocessingarea,reducetheelectricfieldidentityattheedgeofthemaskhole,andreducetheundercuttingoftheprofilecomparedtothatgeneratedwithinsulatedmask.Intheexperiment,theetchfactor（EF）increasedfrom1.47to6.11usingconductivemask,whichshowedalowundercuttingandhighmachininglocalization.

Keywords:

Electrochemicalmachining;Microgrooves;Mask;Jet

摘要I

ABSTRACTIII

目录V

CONTENTSVIII

第一章绪论1

1.1本课题研究背景及研究意义1

1.2微沟槽电解加工国内外相关研究现状3

1.2.1成型电极电解加工3

1.2.2电解铣削加工6

1.2.3掩模电解加工8

1.2.4射流电解加工12

1.3本课题研究目标和主要研究内容15

1.3.1课题研究目标15

1.3.2主要研究内容15

1.4课题来源16

1.5本章小结16

第二章模板射流电解加工实验平台搭建17

2.1加工原理与实验平台17

2.1.1加工原理17

2.1.2实验平台18

2.2实验平台运动控制系统19

2.2.1运动控制系统功能要求19

2.2.2运动控制系统整体架构19

2.2.3基于DMC5400A运动控制卡硬件组成20

2.2.4基于LabVIEW上位机控制软件编写22

2.3实验平台数据采集系统29

2.3.1数据采集系统功能要求29

2.3.2电流数据采集实现方法29

2.3.3基于NI9222数据采集卡采集系统29

2.3.4电流数据采集LabVIEW程序编写30

2.4一体化模板喷嘴制备31

2.4.1模板材料选择与制备31

2.4.2模板喷嘴设计制作32

2.4.3模板喷嘴夹具制作33

2.5本章小结34

第三章模板射流电解加工微沟槽成形规律35

3.1微沟槽加工过程建模35

3.2微沟槽加工成形过程动态仿真36

3.2.1单点微坑成形过程模拟36

3.2.2由点到线微沟槽成形过程模拟41

3.2.3微沟槽首尾两端形貌对比分析45

3.3微沟槽加工尺寸仿真结果分析48

3.3.1微沟槽加工尺寸与加工电压关系48

3.3.2微沟槽加工尺寸与模板尺寸关系49

3.3.3微沟槽加工尺寸与扫描速度关系51

3.4本章小结52

第四章模板射流电解加工微沟槽工艺实验53

4.1微沟槽加工关键评价指标53

4.1.1加工定域性53

4.1.2加工材料去除率54

4.1.3加工电流效率54

4.2微沟槽加工实验参数选定55

4.3脉冲参数对加工结果的影响56

4.3.1脉冲频率对微沟槽加工结果的影响56

4.3.2脉冲占空比对微沟槽加工尺寸与形貌的影响56

4.3.3脉冲占空比对微沟槽加工材料去除率的影响58

4.3.4脉冲占空比对微沟槽加工电流效率的影响59

4.4扫描运动参数对加工结果的影响61

4.4.1扫描速度对微沟槽加工结果的影响61

4.4.2扫描次数对微沟槽加工结果的影响62

4.5典型微沟槽结构加工实验64

4.5.1弯曲蛇形微沟槽65

4.5.2直线阵列形微沟槽65

4.5.3交叉阵列形微沟槽66

4.5.4阵列微缝结构67

4.6本章小结68

第五章采用金属模板提高射流加工定域性的探索69

5.1金属模板提高加工定域性理论分析69

5.1.1金属模板加工区域电场分布规律71

5.1.2金属模板加工结果仿真模拟71

5.2金属模板与绝缘模板加工成形结果对比73

5.2.1相同深度下加工结果对比73

5.2.2不同深度下加工结果对比74

5.3金属模板螺旋形微沟槽结构加工实验76

5.4本章小结77

结论与展望79

参考文献81

攻读学位期间取得与学位论文相关的成果88

学位论文独创性声明89

致谢90

CONTENTS

ABSTRACT（INCHINESE）I

ABSTRACT（INENGLISH）III

CONTENTS（INCHINESE）V

CONTENTS（INENGLISH）VIII

Chapter1Introduction1

1.1Backgroundandsignificanceofresearch1

1.2Analysisoftheresearchstatusathomeandabroad3

1.2.1Shapedcathodeelectrochemicalmachining3

1.2.2Electrochemicalmilling6

1.2.3Through-maskelectrochemicalmachining8

1.2.4Jetelectrochemicalmachining12

1.3Theresearchobjectivesandmaincontentsofthissubject15

1.3.1Researchobjectives15

1.3.2Researchcontent15

1.4Projectsource16

1.5Chaptersummary16

Chapter2Experimentalplatformofmaskedjetelectrochemicalmachining17

2.1Processingprincipleandexperimentalplatform17

2.1.1Processingprinciple17

2.1.2Experimentalplatform18

2.2Developmentofmotioncontrolsystemforexperimentalplatform19

2.2.1Functionalrequirementsofmotioncontrolsystem19

2.2.2Overallarchitectureofmotioncontrolsystem19

2.2.3HardwarebasedonDMC5400Amotioncontrolcard20

2.2.4SoftwarebasedonLabVIEWmotioncontrolprogram22

2.3Developmentofdataacquisitionsystemforexperimentalplatform29

2.3.1Functionalrequirementsofdataacquisitionsystem29

2.3.2Principleofdataacquisitionsystem29

2.3.3HardwarebasedonNI9222dataacquisitioncard29

2.3.4SoftwarebasedonLabVIEWdataacquisitionprogram30

2.4Integratednozzlepreparation31

2.4.1Materialselectionandpreparationofmask31

2.4.2Designandmanufactureofmaskednozzle32

2.4.3Fixturedesignofmaskednozzle33

2.5Chaptersummary34

Chapter3Simulationanalysisofmicro-grooveprocessedbymaskedjetECM35

3.1Modelingofmicro-groovemachiningprocess35

3.2Dynamicsimulationofmicro-grooveformingprocess36

3.2.1Simulationofsinglepointdimpleformingprocess36

3.2.2Simulationofpoint-linemicro-grooveformingprocess41

3.2.3Analysisofformingtransitionarcsatbothstartingandendingpoints45

3.3Simulationresultsofmicro-grooveprocessedbymaskedjetECM48

3.3.1Effectofpulsevoltageonmicro-groovesize48

3.3.2Effectofmasksizeonmicro-groovesize49

3.3.3Effectofscanningspeedonmicro-groovesize51

3.4Chaptersummary52

Chapter4Experimentalanalysisofmicro-grooveprocessedbymaskedjetECM53

4.1Evaluationindexofmicro-groovemachining53

4.1.1Processinglocalization53

4.1.2Materialremovalrate54

4.1.3Currentefficiency54

4.2Selectionofexperimentalparametersformicro-groovem