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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O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”。广东工业大学硕士专业学位论文分类号：学校代号：11845UDC：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：答20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”ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityOfTechnologyfortheDegree,sMasterofEngineeringInvestigationonmaskedjetelectrochemicalmachiningofmicrogroovesCandidate:ZhangSanSUPerViSO匚Prof.LiSiMay2020SchoolofElectromechanicalEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,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100OHz,占空比20%,扫描速度20ms的条件下成功加工出槽宽90m,槽深20m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EFA1.47直接增加至6.1K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ABSTRACTAsatypicalmicroscalestructure,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:(I)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%,scanningspeed20ms),serpentine,straightline,crossshapemicrogroovesandarraymicroslitstructurewiththewidthof90m,thedepthof20mweresuccessfullygenerated,verifiedthefeasibilityofthemaskedjetelectrochemicalmachiningmethod.(4) Inordertoimprovethelocalizationofprocessedmicrogroove,theconductivemaskwasusedtoreplacetheinsulationmaskforthesimulationandexperimentalstudy.Thesimulationresultsshowedthatusingconductivemaskcouldchangetheelectricfielddistributioninthemicrogrooveprocessingarea,reducetheelectricfieldidentityattheedgeofthemaskhole,andreducetheundercuttingofth