放电辅助化学加工中工具电极控制方法与扫描工艺研究

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现如今,导体和半导体的加工技术已经十分成熟,但非导体的加工仍在探索之中。非导体陶瓷材料广泛应用于航空航天、国防、生物芯片等重要领域。例如航空发电机涡轮叶片热障涂层的气膜孔、微流控芯片的应用、石英谐振器和生物芯片等应用。但该材料具有熔点高、硬脆的特性,因此不易于加工。放电辅助化学加工(Spark Assisted Chemical Engraving,SACE)是一种适合加工非导体材料的加工方式。该方法由于同时具备物理和化学作用的蚀除过程,有望实现在微细尺度下的无损伤加工。但该加工方式仍有待完善,加工中环境变量和影响因素众多,包括:浸液深度、电极形状、电解液浓度,主轴控制方式等。本文旨在研究主轴控制策略,进而优化SACE加工的效率和精度。本文首先面向Φ0.5mm中空工具电极SACE加工,提出了中空冲液压力反馈加工间隙的主轴控制模型。从理论的角度将中空电极冲液理论模型为两部分进行分析:中空电极圆柱管液腔部分和作用于工件表面的中空电极端部加工间隙部分。以分辨率、精度、响应速率作为评价指标定性,分析了入口压强反馈加工间隙大小的规律。通过Comsol软件建模仿真,探讨1-40μm加工间隙情况下中空冲液压强的对应关系,并针对电极倾斜问题对模型可行性进行了分析。进而考虑Φ0.1mm微细实心工具电极SACE加工,研究了工具电极与工件表面之间微小接触力反馈的弹性进给控制方法,开展了基于柔性铰链的弹性进给力反馈主轴的性能测试,实现了给定进给深度和恒定接触力反馈两种主轴控制策略,工艺实验验证了可行性和有效性。重点分析了接触力和主轴控制工具电极位置的关系,测试了扫描速度、扫描方式对加工效果的影响。工艺实验优化了微槽加工工艺效果,获得了加工工艺中的可控精度及影响因素。
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