“约束刻蚀-电解”精密复合加工技术及相关理论研究

Electrochemical machining has many excellent characteristics, such as high machining rate, no surface defect, no macro mechanical cutting stress, wide forming field, being able to machining super-hardness and super-toughness materials, and so on. But now many other process methods have been promoting their process precision, by comparison, the electrochemical machining precision appears to be insufficient, especially the machining precision for complex three-dimensional structures. This make its many good characteristics could not be exerted. It can't meet the demands for machining peculiar shape parts and peculiar materials in the field of modern high tech industry. Confined Etchant Layer Technique (CELT) is a novel high-resolution micro and nano machining method for micro- and nano-structures. Especially it has high precision for machining complex three- dimensional structures. This subject will investigate a new high precision composite machining technique and underlying theory, i.e. "confined etching - electrochemical machining" composite machining technique and related theory. Through the study on the mechanism of Confined Etchant Layer Technique, electrochemical machining and their composite process, found the basis of composite machining. And through related technique research, make its high machining precision and the outstanding capacity of machining complex three- dimensional structures of Confined Etchant Layer Technique merge into the electrochemical machining, to form a both high rate and high precision composite machining technique, and realizes the precision machining for super-hardness and super-toughness material and complex three-dimensional structures.

电解加工具有加工速度快、无表面缺陷、无宏观机械切削应力、成型范围宽、可加工超硬超韧材料等优良特性，但在当前其它加工方法的加工精度不断提高的条件下，其加工精度（尤其是加工复杂三维型貌的精度）明显不足，使其诸多优良特性得不到发挥，满足不了现代高新技术领域特种加工以及特殊材料加工的发展要求。约束刻蚀剂层技术是一种新型高分辨率微结构加工技术，具有以高精度加工复杂三维结构的独特优点。本课题将研究一种新型高精密复合电解加工技术及相关理论，即约束刻蚀剂层技术与电解加工的复合加工技术与理论，通过对约束刻蚀剂层技术、电解加工及其复合过程的电极过程机理研究与认识，奠定复合加工基础，并通过相关技术探索，使约束刻蚀剂层技术的高精度和优越的复杂三维结构加工能力融合到电解加工技术中，形成一个既高速度又高精密的复合加工技术，实现对一些难加工材料以及复杂三维型貌部件的精密电解加工。

解决当前电解加工精度差的难题对于难加工材料（如钛合金、高温合金、高强钢等）以及复杂曲面部件的精密加工有着迫切需求和极其重大的意义，在航空航天等高科技制造领域有着重要应用。本课题提出了一种新型精密加工方法，即“约束刻蚀-电解”精密复合加工技术。课题在实施的4年中，深入开展了约束刻蚀剂层技术和电解加工技术的电极过程机理的基础研究；进行了多种用传统方法难加工（或难成型复杂曲面）的材料（TC4钛合金、7075铝合金、GH4169高温合金、砷化镓半导体、纯铝板和纯镍板、半导体硅、TC18钛合金、TC11钛合金、磷化铟半导体等）的约束刻蚀剂层技术和电解加工电极过程机理研究，确定了加工上述各材料的约束刻蚀前驱体、捕捉剂以及“电解加工—约束刻蚀”复合电化学加工的复合电解液体系。完成了各个体系的腐蚀动力学参数和电极过程动力学参数测量。深入进行了相关的加工技术探索，确定了对上述各材料的复合加工条件与技术参数，测定了各参数对加工性能参数的影响曲线，认识了作用规律。通过对课题的认真研究，在TC4钛合金上取得最好的复杂三维曲面的复制加工结果，三维曲面（直径6mm的半球面）的形貌释放精度（或形貌误差）达到5μm，线性加工精度在40μm。相对于传统电解加工的复杂三维形貌释放精度（±200 - ±500 μm）和线性加工精度（±100μm）的现状，加工精度得到极大提高，尤其是三维曲面的释放精度，大幅度提高了20多倍。其它几种金属材料复制加工三维曲面的形貌释放精度分别为40μm -80μm不等。在复合微加工研究中，相对于单纯约束刻蚀加工速率的22.68µm/h，复合加工速率达到99.88µm/h。可见，“电解—约束刻蚀”复合加工技术大大提高了加工速率。在进行约束刻蚀剂层技术优化及微纳米结构加工研究中，在砷化镓半导体阵列光学器件的加工中，对于直径为111.151μm的透镜模板，取得的径向加工精度达到3.35 nm，刻蚀加工相对误差E= 0.03‰，单个微透镜矢高（3.5143μm）的刻蚀加工精度达到1.72 nm，刻蚀相对加工误差E= 0.49‰，其它半导体材料的微加工精度也均达到亚微米级。在项目研究过程中，发展了一个新的微加工方法 — 电化学湿印章方法，也取得良好的加工效果，在金属铝和镍表面的复制加工精度达到100 nm，刻蚀加工的相对误差为E= 0.13%。