扫描电极掩模微电解放电加工表面织构新方法及应用基础研究

A novel method of scanning electrode mask micro-electrochemical discharge machining is proposed and surface texture processing is achieved by a simple scanning motion of the electrode with copying the template shape precisely. According to the characteristics of new technology，the micro-electrochemical EDM pulse power is designed and developed with breakdown voltage adaptive. By detecting the discharge state, discharge breakdown is sustained in the case of tool electrode without feeding while the pulse energy is precisely controlled. Multi-scale dispersion under special conditions of the working medium large gap discharge breakdown, mixed media guide, channel formation, energy transportation and material removal mechanism are investigated; The impact of nano self-assembly of colloidal particles agglomeration effects and rheological effects on discharge breakdown in the mask field within a small space is investigated.Large gap discharge "far-field" trace removal action principle is developed to achieve a gradual slight gap discharge energy transfer and stability control.Multiscale simulation method for predicting the mask topography micro-electrochemical discharge machining is employed. The project is expected to launch a new process provides a method for the manufacture of large-scale surface texture, explore basic science research-related issues, has important theoretical and practical significance.

提出扫描电极掩模微电解放电加工新方法，高精度的复制模板形状，通过简单电极的扫描运动实现表面织构的加工。根据新工艺的特点，设计和研制可自动升压的击穿自适应微电解放电加工组合脉冲电源。通过放电状态检测，在工具电极不进给的情况下自动升压维持放电击穿，同时精确控制脉冲能量。研究多尺度分散系特殊工作介质条件下大间隙放电击穿，混合介质引导，通道形成，能量输送及材料去除机制。研究在掩膜狭小空间内电场作用下纳米颗粒胶体的自组装集聚效应与流变效应对放电击穿的影响。探索大间隙放电“远场”微量去除的作用原理，实现渐变间隙放电微小能量的稳定传递与控制。采用多尺度的仿真方法预测掩膜微电解放电加工形貌。本项目的开展将有望为大规模表面织构的制造提供一种新的工艺方法，探索研究相关基础科学问题，具有重要的理论和现实意义。

本项目首先开展掩膜电解电火花放电加工表面微结构的基础研究，分别对具有导电性质的、多尺度分散系统以及非牛顿流体性质的新工作介质进行了实验研究。对采用的新工作介质中电解气泡的动态特性进行了系统的分析。设计和搭建掩膜电解放电加工和具有特征数据采集基础功能的实验平台。自主设计自适应高频高压脉冲电源，以探索高压电射流加工中等离子体通道放电机理。. 本项目首次利用具有非牛顿流体性质多尺度分散系的电解介质作为新工作介质实现大间隙放电加工，并对新工作介质中的电解放电加工机理进行探讨。同时系统研究了电压、脉宽和溶液质量分数对最大放电间隙的影响规律，并且进行响应曲面分析，建立了最大放电间隙的数学模型。项目在此基础上对非牛顿流体电解介质中掩膜电解放电加工表面微结构展开系统研究，研究了电压、占空比、加工时间和溶液质量分数对加工的影响。分析了陶瓷掩膜的可靠性，并且通过正交优化工艺参数，加工出了质量较好的平均直径为483.214μm，平均深度为45.57μm的微坑。还进行了大面积掩膜电解放电加工表面微结构的实验研究。. 此外，基于本项目中“掩膜约束下的高压电加工”的新思想，开展了高压电射流掩膜加工表面微结构的关键技术研究。并且对该工艺的尺寸精度和重复精度进行了实验研究，还对自由界面下射流形态学、掩膜空间内离子传质和大尺度变形的数值计算等科学问题展开系统研究。最后在本项目的基础上发展了一个新方向，利用非牛顿流体电解介质电化学放电加工绝缘材料新方法；初步对工作介质中气层的动态特性、临界击穿电压、加工尺寸精度、表面粗糙度等关键技术进行研究。本项目的开展对于实现数微米尺度大面积表面结构的批量加工具有重要的科学意义。