[发明专利]倒置式电化学放电加工方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种特种加工领域内对非导电脆性材料进行微细加工的技术方法，具体是一种结合电化学技术和电火花技术并利用火花放电产生的热能和化学腐蚀对非导电脆性材料进行加工的一种新的方法。

背景技术

近年来，非导电脆性材料例如：各种玻璃、陶瓷等都得到了广泛的应用。玻璃材料具有耐化学腐蚀、透明、低导电率和良好的生物相容性等特征，从而被应用在微加速器、微反应器、微型泵、医疗器械和光学系统中；而陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、绝缘性好等优异性能，在机械电子、航空航天、化工机械、陶瓷发动机、生物陶瓷和精密仪表等领域日益显示出广泛的应用前景。对非导电脆性材料加工技术的开发与研究已经受到世界各国的高度重视。与非导电脆性材料的其它加工方法相比，电化学放电加工(Electrochemical Discharge Machining，ECDM)技术具有较高的加工效率、宏观作用力小、表面质量高等优点，从而成为非导电脆性材料微细加工的理想方法。日本学者Kurafuji和Suda在1968年首次利用电化学放电加工(ECDM)技术在非导电脆性材料上进行打孔实验，从此以后，许多学者对电化学放电加工(ECDM)技术进行了研究。台湾的Zhi-Ping Zheng利用电化学放电加工(ECDM)技术对耐热玻璃进行铣削加工，加工出结构复杂的微细三维结构；韩国学者Xuan Doan Cao在钠钙玻璃上加工出深30μm、宽40μm、长度为1000μm的微通道，并且加工出厚度为10μm、高度为90μm的微细壁；印度、韩国学者对陶瓷材料的电化学放电加工(ECDM)方法进行了研究。瑞士学者R Wüthrich对电化学放电加工(ECDM)中不同的进给方法进行了分析，并且对采用重力进给方法的电化学放电加工(ECDM)对玻璃工件进行钻孔的加工过程进行了研究。

在实际的电化学放电加工(ECDM)装置中，工具电极(阴极)接电源负极，辅助电极(阳极)接电源的正极，电解质溶液多采用氢氧化钠(NaOH)或者氢氧化钾(KOH)等碱性电解质溶液，加工工件浸没在电解质溶液中，电解质溶液液面高于工件表面2mm左右，工具电极位于加工工件的上方并且工具电极的端部与工件表面保持接触或者位于工件表面的附近，工具电极的端部和辅助电极也同时浸入在电解质溶液中，当在工具电极和辅助电极之间施加电压之后，电解质溶液中便会有电解反应发生，在辅助电极(阳极)发生的反应为：

4(OH)^-→2H₂O+2O₂↑+4e^-

在辅助电极(阳极)上生成氧气。在工具电极(阴极)上发生的反应为：

2H₂O+2e^-→2(OH)^-+H₂↑

在工具电极(阴极)上产生氢气泡，氢气泡生成以后会附着在工具电极的表面，并且随着气泡的增多而不断进行合并，最终在工具电极表面形成一个氢气膜，氢气膜对电极产生绝缘作用，这样就在工具电极和电解质溶液之间形成电势差，当这个电势差超过电火花放电的临界电压值以后，电火花放电现象就会发生。当工具电极和工件之间的距离小于25μm的时候，工件材料就会在不断放电产生的热量和化学腐蚀的作用下被蚀除。

在利用电化学放电加工(ECDM)对非导电脆性材料进行打孔过程中，随着加工深度的增加，电化学放电加工(ECDM)的打孔过程会表现出两种不同的状态。在电化学放电加工(ECDM)刚开始时，火花放电稳定，此时电化学放电加工(ECDM)的加工速度比较快(在对玻璃工件进行加工时，最快速度可以达到100μm/s)。但是当加工超过一定深度后(约300μm)，电化学放电加工(ECDM)的加工速度降为几微米每秒甚至停止，加工深度很难超过500μm。出现这种情况的主要原因是，随着电化学放电加工(ECDM)深度的增加，电极端部与加工工件之间的电解质溶液的更新变得困难，而且由于电解反应生成的气泡在浮力的作用下很难在工具电极的端部形成稳定的气膜。

发明内容