微細電解加工微電極成形工藝研究

汪 濤,彭 偉,王明環(huán)

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造及先進加工技術(shù)教育部重點實驗室,浙江 杭州 310032)

電解加工是基于金屬陽極在電解液中發(fā)生電化學(xué)溶解的原理,對工件進行蝕除加工的特種加工方法[1-3]。在電解加工時,工件材料以離子的形式被蝕除,理論上工件可達到微米甚至納米精度,在精密、微細制造領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景,因此,近年來以電解原理為基礎(chǔ)的微細電解加工技術(shù)受到普遍的關(guān)注。

在進行微細電解鉆孔加工時,需要有更小尺寸的微細電極作為陰極,微細電極在很大程度上決定了小孔的形狀和尺寸。但實際上,微細電極的加工由于受到尺寸的限制,傳統(tǒng)的加工方法難以實現(xiàn)。而電解加工具有加工速度快、表面質(zhì)量好、能加工所有金屬材料且不受材料硬度影響、無機械切削力、工具陰極無損耗等優(yōu)點,被證明是一種有效的微細電極加工方式[3]。

1 實驗原理分析

1.1 電極加工的裝置與原理

電極加工裝置及原理見圖1。其中陽極為待加工鎢絲電極,陰極為不銹鋼片。鎢絲被裝夾在機床主軸上,并隨機床主軸旋轉(zhuǎn)。陽極和陰極分別接在電源的正負兩極,并同時浸到電解液(NaOH)中。接通電源后,陰極不銹鋼片上有氣體(H2)緩慢生成,陽極鎢絲逐漸被氧化生成WO2-4,溶解于電解液中。兩極的電化學(xué)反應(yīng)如下:

圖1 電極加工裝置原理圖

反應(yīng)的初始階段,由于鎢絲電極的尖端電場集中,尖端部位反應(yīng)速度比其他部位快,反應(yīng)一段時間后,鎢絲有形成“尖錐”狀的趨勢。隨著反應(yīng)的進行,鎢絲反應(yīng)生成的在電極周圍逐漸聚集,同時逐漸向溶液各方向擴散。當(dāng)擴散的速度小于產(chǎn)生的速度時,便聚集成一定厚度包裹在電極周圍,稱為擴散層。同時,擴散層由于重力的作用沿著電極以一定速度往下流,實驗過程中可清晰地看到這一過程。擴散層會增加溶液的電阻值,阻礙OH-到達鎢絲電極參與反應(yīng),降低反應(yīng)速度。由于擴散層沿著電極側(cè)面往下沉,每一個截面產(chǎn)生的慢慢匯流,電極上部的擴散層相對下部薄,造成上部的反應(yīng)速度相對下部快的結(jié)果。當(dāng)電流的阻礙作用超過電極尖部電場集中的作用時,電極上部比下部加工快,這樣電極又有了上小下大的“紡錘”狀結(jié)構(gòu)趨勢[3]。

通過控制調(diào)整影響成形的加工參數(shù),如電壓、極間間隙、電源類型、脈寬等,實現(xiàn)“尖錐”狀和“紡錘”狀趨勢相對平衡的加工狀態(tài),得到圓柱形的電極。

1.2 理論分析與建模

電極加工的影響因素較多,如電源、電解液濃度、溫度、工件材料、加工時間、浸入深度等。其中,工件材料是固定的,電解液濃度、溫度變化較小,在同一組實驗中可認(rèn)為是不變的。電源、加工時間、浸入深度是較易控制的因素。

假設(shè)電極在加工初期為圓柱形結(jié)構(gòu)(圖2),Δ為電極間隙,h為電極浸入深度,r為電極半徑。因為r?Δ,所以加工間隙用 Δ近似代替,不改變間隙,不考慮因材料蝕除對間隙的影響。電極蝕除速度表達式為:

式中:va為電極蝕除速度;η為電流效率;ω為體積電化學(xué)當(dāng)量;κ為溶液電導(dǎo)率;t為電流加工時間;UR為間隙電解液中的電壓降。

圖2 電極加工尺寸

電流效率η與溶液本身的特性、溫度和濃度有關(guān)。電極加工實驗采用NaOH溶液,此類無機堿性溶液的電流效率隨溫度的變化非常小[5],可忽略其對電解加工的影響。體積電化學(xué)當(dāng)量 ω由材料確定,也是不變量。

溶液電導(dǎo)率κ和電流效率相似,與溶液的本身特性、溫度和濃度有關(guān)。但實際上,由于加工過程中電解產(chǎn)物形成擴散層,對溶液電導(dǎo)率產(chǎn)生一定的影響,包圍在電極周圍的擴散層形狀見圖3。

圖3 電極周圍的擴散層

電解液的實際電導(dǎo)率隨著電解產(chǎn)物所占體積的增加大致呈線性減小趨勢,其近似公式為[8]:

式中:κβ為電解液和電解產(chǎn)物混合物的電導(dǎo)率;κ為電解液的電導(dǎo)率;β為電解產(chǎn)物H2和Fe(OH)3在電解液混合物中所占的體積比。

在電極加工實驗中,因為擴散層阻礙了周圍溶液中的OH-離子到達鎢絲表面參加反應(yīng),鎢絲的反應(yīng)速度與擴散層厚度成近似反比[4]。用 β來表示擴散層在溶液中的體積比,那么,式(2)在電極加工實驗中同樣適用。顯然,擴散層的體積比β和深度Z 有關(guān),即:

綜上所述,電極加工實驗中產(chǎn)生“尖錐”狀與“紡錘”狀的根本原因是,由于浸入電解液參與反應(yīng)的電極在不同深度有著不同的蝕除速度?？赏ㄟ^改變電源性質(zhì)、電壓、浸入深度來縮小擴散層隨深度的變化范圍,從而改善電極加工時上下蝕除速度不均勻的現(xiàn)象。

圖4是通過電解加工的電極成形示意圖。其中,D1和D2分別為電極上部和下部的直徑,L為電極的長度,α為電極的錐度。錐度 α的正弦值計算公式為:

若tanα為負值時,D2＜D1,電極呈上大下小狀,為“尖錐”形;若 tanα為正值時,D2＞D1,電極呈上小下大狀,為“紡錘”形;tanα越接近于0,電極越接近圓柱狀。因此也可通過計算 α的正弦值來判定電極成形的效果。

圖4 電極成形示意圖

在加工過程中,電極被裝夾在銑床主軸上,可繞主軸作旋轉(zhuǎn)運動。若電極不旋轉(zhuǎn)而靜止在電解液中,那么電極靠近陰極的那一側(cè)會因為加工間隙較小而接受較強的腐蝕作用,電極將變成偏心狀。若電極采用高速旋轉(zhuǎn)方式,由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力,WO2-4會被離心力甩出,這樣就不能對電極下部起到保護作用,電極將會變成“尖錐形”。因此,考慮到需要保證電極的圓柱狀,宜使電極作低速旋轉(zhuǎn)。實驗采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaOH作為電解液,鎢絲作為待加工電極。

2 工藝參數(shù)對電極成形的影響

2.1 電源性質(zhì)的影響

近年來,脈沖電源在電解加工中的應(yīng)用是研究熱點之一。由于脈沖電源具有改善極間流場理化特性的特點,在微細電解加工中越來越受到重視。實驗分別采用頻率100 kHz、占空比0.5、電壓4V的脈沖電源和電壓4 V的直流電源進行了微細電極的成形對比,電極浸入深度4mm,實驗結(jié)果見圖5。

圖5 電源類型對電極錐度的影響

由于使用了占空比為0.5的脈沖電源,單位時間內(nèi)對電極的加工時間為直流電源的一半,擴散層的產(chǎn)生也因此降低了一半。根據(jù)前文的分析,在不同深度的電極周圍擴散層厚度相差越小,腐蝕速度相差也越小。因此,雖然脈沖電源的使用依然存在著擴散層的厚度差,但相比直流電源已明顯減小。再加上電極尖部的電場集中作用,使電極上下的腐蝕速度達到近似平衡的一個狀態(tài)。因此使用脈沖電源后的電極成形狀態(tài)較接近理想的圓柱狀。

2.2 電壓大小的影響

電解加工中,電壓的大小是影響材料腐蝕速度的決定性因素。當(dāng)電壓太小時,沒有達到鎢絲的分解電壓,鎢絲電極基本沒有溶解;當(dāng)電壓過大時,會使電極上下的擴散層厚度相差很大,對加工圓柱狀電極不利。因此采用較小的電壓進行對比實驗。圖6是分別采用電壓3、4、5V 、頻率100 kHz、占空比0.5的脈沖電源時得到的實驗結(jié)果。

圖6 電壓大小對電極錐度的影響

從圖中可看出,隨著電壓的增大,電極“上小下大”的趨勢越來越明顯。這是由于電壓增大導(dǎo)致電極溶解速度加快,形成的擴散層離子厚度隨著電極深度的增加變得越來越厚。下端的電極受到擴散層的保護,腐蝕速度較慢,這一規(guī)律符合理論分析的結(jié)果。

2.3 占空比的影響

占空比是脈沖電源的一個重要參數(shù),它決定了電解加工中極間的充放電時間。在脈沖寬度時間內(nèi),電源對兩極充電后產(chǎn)生電場,形成電解腐蝕的原動勢能,克服雙電層的反電勢和溶液歐姆壓降而建立起必要的極間電流場,確保達到所需的電流密度。在脈沖間隔時間內(nèi),溶解產(chǎn)生的離子向周圍溶液擴散,脈間時間越長,離子擴散越多。實驗結(jié)果見圖7。

圖7 占空比對電極錐度的影響

分別采用占空比為0.3、0.4、0.5的脈沖電源進行實驗,浸入深度4mm,電壓4 V。從圖中可看出,占空比為0.3和0.4時,tanα＜0,電極為上大下小的“尖錐狀”。這是由于占空比太小,腐蝕產(chǎn)物形成的擴散層離子太少,而擴散的時間相對較長。擴散層厚度的減小減弱了對電極下部的保護作用,因而電極形成了“尖錐狀”。

2.4 浸入深度的影響

由前文理論分析可知,隨著浸入深度變淺,電極上下部分?jǐn)U散層的厚度差會越來越小。電極下部沒有受到擴散層離子充分保護,腐蝕速度比電極上部快。圖8是采用頻率100 kHz、占空比0.5、電壓4 V的脈沖電源分別對浸入深度為4、3、1mm的電極進行成形實驗。實驗結(jié)果與理論分析一致。

圖8 浸入深度對電極錐度的影響

由以上對比實驗可知,采用電解加工法加工微細電極時,不同深度適宜采用不同的加工參數(shù)。當(dāng)電極浸入較深時,宜采用脈沖電源、較低的電壓及較低的占空比,以降低電極上下的擴散層厚度差;當(dāng)電極浸入較淺時,宜采用較高電壓和占空比的脈沖電源或直流電源,用以增加擴散層厚度,保護電極的下部。圖9是采用電壓1.8 V的直流電源加工得到的電極,前端部分長度約 60μm,直徑 5μm,形狀為圓柱體。

圖9 用1.8 V電壓的直流電源加工所得電極圖

3 微細電極在電解實驗定域性研究中的應(yīng)用

為了驗證電極的使用性能,進行了微細電解鉆孔實驗,鉆孔實驗的原理圖見圖10,工具電極接電源負極,工件電極接電源正極。

圖10 鉆孔實驗原理圖

分別采用圓柱形、尖錐形及紡錘形電極進行鉆孔實驗(圖11),三者的尖部直徑尺寸均為5μm。電源參數(shù)為:脈沖電源,頻率1MHz,占空比0.5,電壓6 V。電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的氯酸鈉溶液。陽極為不銹鋼板,加工間隙 8μm,加工時間同為7 min。采用沖液加工,以便把氫氣、金屬氫氧化物等電解產(chǎn)物攜離,并把加工區(qū)的大量熱能帶走。

鉆孔實驗后,紡錘形電極發(fā)生了彎曲變形。這是由于紡錘形電極直徑最細的部位強度較低,在使用過程中稍有觸碰或受電解液的沖擊作用等,都會對電極造成破壞,因此使用壽命不高。

圖12分別是用圓柱形和尖錐形電極加工的小孔。可看出,同樣使用尖部直徑5μm的電極,圓柱形電極加工的微細孔的孔徑小于使用尖錐形電極加工的微細孔。這是因為在加工過程中,加工電壓在尖錐形電極與工件電極之間產(chǎn)生的加工電場較強,單位時間內(nèi)受到的腐蝕作用也較強。顯然,這對鉆孔效果的定域性是不利的。因此,在電極尖部尺寸相同的條件下,應(yīng)選擇圓柱形電極。

4 結(jié)論

(1)通過理論公式分析,得到了影響電極成形的理論因素,并探討了加工電壓、電源類型、脈沖電源占空比、電極浸入深度對電極成形的影響。

(2)通過電極加工對比實驗驗證了理論分析的正確性。

(3)通過鉆孔實驗證明了電極形狀對微細電解加工質(zhì)量的重要性。圓柱形電極更適用于鉆孔加工。

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