一种微通道线切割加工方法与流程

本发明涉及微通道加工，尤其是涉及一种微通道线切割加工方法。

背景技术：

近年来，随着航天技术、信息与电子技术、mems(micro-electro-mechanicalsystem)技术、生物技术与生命科学等高新技术的发展呈现出空间尺度的微小化、紧凑化、结构与条件的复杂化等突出特征，使人们必须考虑介质传递过程中的尺度微细化、结构与条件复杂化等效应微尺度流动与传热已成为现代高新技术的理论与技术基础之一。随着研究的深入，微细尺度传热技术、微通道反应器等技术也逐渐由高新技术领域向传统工业领域扩展。

微通道散热器具有传热系数高、压降低、功率小等特点，已经作为一种新颖的散热结构应用于航空航天、暖通空调、微型核反应堆等多种场合中。国内外许多学者对其进行了大量的研究。文献《相变传热微通道技术的研究进展》(doi:10.3901/jme.2010.24.101)中，作者王辉、汤勇、余建军对微通道内为热流体动力学过程及传热机理、微通道结构与传热特性的影响关系、微通道结构的制造技术等进行了探讨。周帼彦、徐善东在其文章《换热技术从大型化向微小化的发展》(文章编号：1001-2060(2005)05-0447-08)中提到，微通道使得流体与通道单位体积接触表面积要远大于常规通道中流体与通道的单位体积接触表面积，从而使得整个换热器的体积可比常规换热器的体积小一个数量级以上。因此，如果能够提高微通道的比表面积，散热效率也会大大提高。微通道还常用在微反应器中，微通道结构和表面质量影响反应器催化反应速率和催化转化率。

在文献(《微通道散热器长直微通道的新加工工艺研究》，文章编号：1007-2853(2011)09-0061-04，作者杨凯钧、左春柽等人)中利用电火花线切割对微通道进行加工，并对加工过程中电极丝补偿、脉宽、脉间等加工参数进行了研究，得到了很好的加工效果。但是，线切割加工出来的微通道表面光整，比表面积低。

微通道常采用精密铣削、激光、化学刻蚀等加工方法加工，不同加工方法制作的微通道表面微观结构不同，这些表面结构会影响催化剂附着性能和微通道内介质流动性能，对散热器、反应器的效率有较大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的微通道加工所存在的难题，提供在电火花线切割加工的基础上，利用可编程脉冲电源，在线实时改变电流、脉冲频率等电参数，加工出具有周期性波浪形轮廓微通道的一种微通道线切割加工方法。

本发明包括以下步骤：

1)将微通道原料在线切割加工平台上装夹好，设置加工轨迹；

2)通过上位机设置脉冲控制器，所述脉冲控制器的模式和参数根据加工表面要求的波纹特征尺寸决定。

在步骤2)中，所述脉冲控制器的控制模式包括单独脉冲电流控制、单独调节脉冲电源的频率等中的至少一种；所述脉冲控制器的参数包括控制周期和输出波形等，所述加工表面要求的波纹特征尺寸可为波长和振幅等。

3)按照设定的加工轨迹开始切割加工，电极丝的进给由原有机床伺服系统控制；

4)在加工过程中，脉冲控制器通过串口实时控制可编程脉冲电源，根据上位机设定的参数，使脉冲电源的输出波形规律性变化，使切割出的工件表面产生周期性波纹形状；

5)加工结束。

本发明的电火花线切割加工具有加工速度快、生产效率高等优点，但是加工出来的微通道比表面积低。这种通过可编程控制脉冲电源来调节脉冲参数和电流大小的方式，在不改变加工轨迹的条件下加工出具有波纹表面的微通道，对于加工本身的操作没有影响，对机床控制系统的要求没有改变，生产效率并没有降低。但是，因为加工能量一直在规律性的变化，加工出来的轮廓是呈波浪形的，比表面积大大增加，能够提升微通道的性能。

电火花线切割加工是利用移动的细金属导线(黄铜丝或钼丝)作为电极，对工件进行脉冲火花放电，利用数控技术使电极丝对工件作相对的横向切割运动，它具有“以不变应万变”切割成形的特点，靠一根简单的导线可切割成形各种二维、三维和复杂的多维表面。线切割加工由于其加工效率高，成本低，加工工艺灵活等特点，在微通道的加工中得到了广泛的应用。本发明通过在线改变电火花线切割脉冲电源电参数的方法，改变加工过程中的放电能量，使切割工件的表面产生周期性波纹，从而增加微通道比表面积，提高反应器制氢性能。

附图说明

图1为本发明实施例的脉冲电源结构示意图。

图2为电火花线切割加工截面图。在图2中，a为常规电火花线切割加工，b为变电参数电火花线切割加工

图3为变电流加工示意图。在图3中，小点表示有多个同幅值的脉冲。

图4为电极丝走丝轨迹示意图。

图5为加工出来的微通道轮廓示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明主要用于微通道的加工，采用电火花线切割的方法在金属板上加工出具有矩形、三角形、圆形、梯形等截面形状的微通道。如图1示，本发明采用可编程脉冲电源进行线切割加工，加工路径根据截面形状由上位机1编程确定。在加工过程中采用脉冲控制器3对可编程脉冲电源2进行在线实时控制，通过改变脉宽、脉间和电流等电参数，调节加工过程中的放电能量。如公式(1)所示，由于放电能量的大小会影响加工间隙，在线切割机床4加工过程中改变电流、脉冲宽度、脉冲频率等电参数时将影响放电间隙的大小(通常在5～20μm的范围内波动)，并导致切缝宽度也发生相应的变化(如图2所示)。为了使线切割加工的微通道具有较大的比表面积，本发明将对线切割脉冲电源进行在线编程控制，使线切割加工的切缝宽度在切割过程中发生周期性变化，导致加工微通道的表面产生周期性波纹形状。在图2中，v表示工件加工方向，p为电极丝，m为工件。

式中：s——火花放电间隙(指侧面单面放电间隙，um)；

——开路电压(v)；

ku——与工作液介电强度有关的常数；

kr——常数，与加工材料有关，一般易熔金属的值较大；

wm——单个脉冲能量(j)；

sm——考虑热膨胀、收缩、振动等影响的机械间隙，约为3um。

本发明采用脉冲控制器对可编程脉冲电源进行实时控制，控制模式有3种：第1种为单独脉冲电流控制，如图3所示，在加工过程中其他参数不变，通过控制可编程脉冲电源的输出电流的大小，来调整脉冲放电能量；第2种为单独调节脉冲电源的频率，加工过程中电流等参数不变，通过频率来改变脉冲脉宽和脉间，改变单位时间内的脉冲数量；第3种为以上两种的结合，即电流和脉冲一起改变，以此改变单次放电能量和单位时间脉冲数量。

本实施例主要用甲醇重整制氢微通道反应器中催化剂载体板的加工。

具体实施步骤为：

1)将催化剂载体板在线切割加工平台上装夹好，按图4示设置电极丝走丝轨迹a，并设置好进给速度。在图4中，标记b表示微通道底面。

此步骤中，电极丝走丝轨迹及进给速度都在原机床设置，不改变伺服系统。

2)通过上位机来设置脉冲控制器，选用脉冲电流控制法，电流按照图3示周期性变化。

此步骤电流根据加工表面轮廓要求选定，电流大小变化由上位机通过串口实时控制脉冲控制器来实现。

3)开始加工，按照设定加工至结束。

加工出来的微通道轮廓示意图参见图5，在图5中，标记c为微通道。