噴霧電化學(xué)放電加工難導(dǎo)電硬脆材料試驗研究

劉志東,于建元

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,半導(dǎo)體、工程陶瓷等難導(dǎo)電硬脆材料在機(jī)械、電子、光學(xué)、航空航天、國防及民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用[1]。由于難導(dǎo)電硬脆材料的脆性高、斷裂韌性低,導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械加工、激光加工、超聲波加工、等離子弧加工等方法的加工成本高、效率低,且難以滿足其在加工精度和表面質(zhì)量方面的要求[2]。

電火花加工主要依靠電能和熱能實現(xiàn)加工,可加工任何硬、脆、韌及高熔點的導(dǎo)電材料,而難導(dǎo)電硬脆材料的導(dǎo)電性很差甚至不導(dǎo)電,一般不能直接作為電極對用于電火花加工[3]。電解電火花是利用電解作用生成的氣體薄膜將工具電極與電解液隔離,形成高的電位梯度,當(dāng)達(dá)到氣體薄膜的擊穿電壓時便產(chǎn)生火花放電,從而對難導(dǎo)電硬脆材料進(jìn)行蝕除加工[4]。

本文針對傳統(tǒng)電解電火花加工存在的能量損耗大、加工效率低、磨輪成本高、導(dǎo)電噴嘴制作和安裝要求高等問題,提出了一種使用開槽金屬輪作為一極,另一極為緊貼工件表面的進(jìn)電金屬片的噴霧電化學(xué)放電加工難導(dǎo)電硬脆材料的方法。

1 噴霧電化學(xué)放電加工試驗系統(tǒng)

1.1 改進(jìn)措施

噴霧電化學(xué)放電加工試驗系統(tǒng)見圖1。在傳統(tǒng)電解電火花加工基礎(chǔ)上采取如下改進(jìn)措施:

(1)采用精細(xì)霧化噴嘴實現(xiàn)電解液的霧化,從而減少電解液對放電能量的吸收,節(jié)省氣體薄膜形成所需的電化學(xué)能消耗而增大火花放電能量的比例,且霧化液滴受等離子體加熱而瞬間氣化,可產(chǎn)生類似于爆炸的效果,產(chǎn)生較大沖擊力作用到工件表面,從而促進(jìn)熔融材料的拋除。

(2)為了增加周圍空氣的帶入量,促進(jìn)空氣薄膜的快速形成,對磨輪采用開槽的形式。由于本加工方法通過火花放電可在工件表面產(chǎn)生高溫軟化層,從而僅需很小的機(jī)械力即可磨除,故直接使用開槽金屬輪(圖2),其斷續(xù)比η=0.56[5]。為了增大火花放電能量密度,開槽金屬輪的厚度應(yīng)越薄越好,試驗中所用厚度為2mm。

(3)在進(jìn)電金屬片與電解液之間由于電化學(xué)作用會產(chǎn)生氣體,并可能形成火花放電,因此,進(jìn)電金屬片面積應(yīng)盡量大且薄,從而使氣泡分散,試驗中采用的金屬片厚度為0.2mm。為了減少在電解液中的能量消耗,開槽金屬輪與進(jìn)電金屬片之間的距離應(yīng)盡量小,試驗中兩電極水平距離為3mm。

1.2 加工原理

為了實現(xiàn)開槽金屬輪與床身的絕緣,采用在開槽金屬輪的兩側(cè)夾絕緣片,中間放置絕緣套筒的方式。加工時,將進(jìn)電金屬片接脈沖電源正極,開槽金屬輪接負(fù)極,通過霧化噴嘴將電解液霧化并直接噴射到開槽金屬輪與進(jìn)電金屬片之間。由于開槽金屬輪周圍空氣流場的帶動,其表面會附著一層空氣薄膜,電化學(xué)作用可在開槽金屬輪與電解液接觸處產(chǎn)生氫氣,使開槽金屬輪與電解液之間生成一層氣體薄膜并形成高的電位梯度。當(dāng)達(dá)到氣體薄膜的擊穿電壓后,便產(chǎn)生火花放電,其產(chǎn)生的能量穿透電解液薄膜后到達(dá)工件表面,然后在放電爆炸力及局部熱沖擊力作用下對工件進(jìn)行蝕除,同時對工件上的突起部位利用開槽金屬輪的機(jī)械刮磨作用去除。通過開槽金屬輪對工件進(jìn)行的電化學(xué)放電和機(jī)械力的共同作用,實現(xiàn)對難導(dǎo)電硬脆材料的加工。

2 試驗條件

由于難導(dǎo)電硬脆材料按導(dǎo)電性分為半導(dǎo)體和絕緣體,因此試驗中以單晶硅和氧化鋁陶瓷作為工件,其物理屬性見表1,具體試驗參數(shù)見表2。

表1 材料的物理屬性

表2 試驗參數(shù)

采用S-3400N掃描電子顯微鏡對工件進(jìn)行檢測,獲取其表面微觀形貌SEM圖。加工前后用電子天平FA1004稱出工件質(zhì)量(稱前用超聲清洗機(jī)清洗并吹干),并采用NanoMap-500LS三維表面輪廓儀測出加工窄槽的表面粗糙度值。

3 蝕除方式分析

由圖3可看出,單晶硅表面較平整,在大而淺的放電坑內(nèi)有很多微小孔洞,并有少量的顯微裂紋。分析其表面形成的原因是:首先,由于單晶硅具有一定的導(dǎo)電性,而電化學(xué)作用使電解液的溫度較高,強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕作用使單晶硅表面平整性較好;其次,由于電化學(xué)放電產(chǎn)生的能量要擊穿一層電解液后才能到達(dá)單晶硅表面,從而導(dǎo)致作用于單晶硅的能量進(jìn)一步減小并很分散,故放電坑大而淺,而電化學(xué)放電區(qū)域范圍較大,使火花放電能量利用率降低,因熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋較少,且部分裂紋被熔融產(chǎn)物填充而變得較淺;第三,在高溫條件下熔融的單晶硅與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng):Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑,生成的Na2SiO3被高速旋轉(zhuǎn)的開槽金屬輪及高壓霧化液流沖走,故出現(xiàn)許多微小孔洞[6]。

圖3 單晶硅的表面形貌SEM圖

由于氧化鋁陶瓷的硬度遠(yuǎn)大于開槽金屬輪,單純依靠機(jī)械力無法加工;而氧化鋁陶瓷的熔點很高,導(dǎo)熱性較差,且以共價鍵、離子鍵或混合形式組成的原子結(jié)合力很強(qiáng)[7],單純依靠電化學(xué)放電產(chǎn)生的能量也無法加工。由于氧化鋁陶瓷為高溫?zé)Y(jié)而成,其顆粒大小不一、形狀各式各樣、分布雜亂,還有很多氣孔。由圖4可看出,經(jīng)噴霧電化學(xué)放電加工后,其表面較平整,顆粒表面覆蓋著重融物。在加工過程中,利用電化學(xué)放電產(chǎn)生的瞬間高溫對陶瓷表面材料進(jìn)行軟化,瞬間放電爆炸力及局部熱沖擊力減弱了晶粒間的結(jié)合力,從而在陶瓷表面形成軟化層,此時僅需很小的機(jī)械力就可將軟化層去除,以實現(xiàn)延性方式加工,部分軟化未拋除的材料將重新凝固覆蓋在顆粒表面。

圖4 氧化鋁陶瓷的表面形貌SEM圖

4 工藝規(guī)律研究

4.1 單晶硅的試驗結(jié)果與分析

4.1.1 峰值電壓的影響

由圖5可看出,隨著峰值電壓的提高,材料去除率和表面粗糙度值均不斷增大。這是由于:峰值電壓的提高使放電能量不斷增大,故材料去除率不斷增大;脈沖放電能量的增大,導(dǎo)致放電凹坑變得大而深,故表面粗糙度值不斷增大;由于放電凹坑深度及相互間重疊率的不斷增大,有利于蝕除產(chǎn)物的充分排除,同時高溫下的化學(xué)溶解作用使微小孔洞增多,故表面粗糙度值增加速度減慢。

圖5 峰值電壓對單晶硅加工效果的影響

4.1.2 脈沖寬度的影響

由圖6可看出,隨著脈沖寬度的增大,材料去除率不斷增大,而表面粗糙度值先快速增大后基本不變。這是由于:放電能量隨脈沖寬度的增加而增大,故材料去除率不斷增大;由于放電通道的最大影響范圍是一定的,隨著脈沖寬度的增大,單個放電凹坑的體積增長速度逐漸降低,且蝕除產(chǎn)物的增多不利于排屑,影響了加工過程的穩(wěn)定性,故材料去除率增大很緩慢。放電凹坑體積的快速增大,使表面粗糙度值不斷增大;由于放電凹坑之間相互重疊,且高溫作用下的電化學(xué)作用使表面平整性變好,因此,表面粗糙度值基本保持不變。

圖6 脈沖寬度對單晶硅加工效果的影響

4.1.3 脈沖間隔的影響

由圖7可看出,隨著脈沖間隔的增大,材料去除率和表面粗糙度值均不斷降低。這是由于:脈沖間隔的增大導(dǎo)致單位時間內(nèi)的電化學(xué)放電次數(shù)減少,故材料去除率不斷降低;火花放電頻率的降低,導(dǎo)致放電凹坑的個數(shù)減少、密度降低,并有利于蝕除產(chǎn)物的排除,因此,表面粗糙度值不斷降低。

圖7 脈沖間隔對單晶硅加工效果的影響

4.1.4 電解液濃度的影響

由圖8可看出,隨著電解液濃度的增大,材料去除率和表面粗糙度值均先降低后增大。當(dāng)工作液為水時,發(fā)生電火花放電而直接作用于單晶硅,故材料去除率很高,但由于水的冷卻作用會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,導(dǎo)致表面粗糙度值很大;隨著電解液的使用,電化學(xué)能等消耗導(dǎo)致材料去除率迅速降低,而電化學(xué)放電的區(qū)域范圍較大,使作用于單晶硅的能量進(jìn)一步減小并很分散,故放電坑大而淺,此外強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕作用使單晶硅表面平整性得以改善,故表面粗糙度值迅速降低;隨著電解液濃度的增大,電化學(xué)作用增強(qiáng)而使電化學(xué)放電頻率提高,故材料去除率逐漸增大,由于作用于單晶硅的能量增大,并且化學(xué)溶解作用增強(qiáng)而使微小孔洞增多,故表面粗糙度值不斷增大。

圖8 電解液濃度對單晶硅加工效果的影響

4.1.5 開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的影響

由圖9可看出,隨著開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高,材料去除率和表面粗糙度值均不斷增大。這是由于:當(dāng)開槽金屬輪轉(zhuǎn)速較低時,氣體薄膜的形成主要依靠電化學(xué)作用,導(dǎo)致放電能量較小且火花放電率較低,故材料去除率和表面粗糙度值都很低;隨著開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高,周圍空氣的帶入促使氣體薄膜快速形成,使放電能量增大且火花放電率提高,故材料去除率不斷增大,而化學(xué)溶解作用的增強(qiáng)導(dǎo)致微小孔洞增多,故表面粗糙度值不斷增大;當(dāng)開槽金屬輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時,電解液被迅速帶走,發(fā)生氣中火花放電而直接作用于單晶硅,故材料去除率和表面粗糙度值都增大。

圖9 開槽金屬輪轉(zhuǎn)速對單晶硅加工效果的影響

4.2 氧化鋁陶瓷的試驗結(jié)果與分析

4.2.1 峰值電壓的影響

由圖10可看出,隨著峰值電壓的提高,材料去除率不斷增大,而表面粗糙度值先增大后降低,最后略有增大。這是由于:峰值電壓的提高導(dǎo)致放電能量增大而使軟化層不斷增大,故材料去除率不斷增大。當(dāng)電壓較低時,由于電化學(xué)作用較弱,氣體薄膜的形成速度很慢,導(dǎo)致放電能量較小且電化學(xué)放電率較低,故軟化層很小,而氧化鋁陶瓷的硬度遠(yuǎn)大于開槽金屬輪,導(dǎo)致“讓刀”現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn),由于機(jī)械力較大而使氧化鋁陶瓷出現(xiàn)脆性破壞,故表面粗糙度值不斷增大;伴隨著放電能量及其密度的增大,軟化層不斷增大,所需機(jī)械力逐漸減小,脆性破壞量減小而逐漸實現(xiàn)延性磨削去除,故表面粗糙度值不斷減小;當(dāng)軟化層厚度過大時,蝕除產(chǎn)物的排除變得困難,而重新凝固覆蓋在工件表面,故最后的表面粗糙度值略有增大。

圖10 峰值電壓對氧化鋁陶瓷加工效果的影響

4.2.2 脈沖寬度的影響

由圖11可看出,隨著脈沖寬度的增大,材料去除率不斷增大,而表面粗糙度值不斷降低。這是由于:脈沖寬度的增大導(dǎo)致放電能量不斷增大,軟化層不斷增大,故材料去除率快速增大;當(dāng)脈沖寬度繼續(xù)增大時,由于氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱性較差,且受放電通道范圍的局限,其軟化層增大速度降低,故材料去除率增大緩慢。放電能量的增大使軟化層不斷增大,故可實現(xiàn)延性磨削去除,并且軟化層區(qū)域間的相互重疊使表面粗糙度值不斷減小。

圖11 脈沖寬度對氧化鋁陶瓷加工效果的影響

4.2.3 脈沖間隔的影響

由圖12可看出,隨著脈沖間隔的增大,材料去除率不斷降低,而表面粗糙度值先略有減小后不斷增大,最后迅速減小。這是由于:單位時間內(nèi)的電化學(xué)放電次數(shù)隨脈沖間隔的增大而大大減少,導(dǎo)致軟化層不斷減小,故材料去除率不斷降低。當(dāng)脈沖間隔很小時,氧化鋁陶瓷的軟化層過大,導(dǎo)致蝕除產(chǎn)物難以排除而重新凝固在工件表面,故表面粗糙度值較大;隨著軟化層的減小,排屑條件變好而使表面粗糙度值略有減小;隨著電化學(xué)放電頻率的降低,加工狀態(tài)由延性去除逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?故表面粗糙度值不斷增大;當(dāng)電化學(xué)放電頻率過低時,由于“讓刀”現(xiàn)象的不斷出現(xiàn),表面粗糙度值略有降低。

圖12 脈沖間隔對氧化鋁陶瓷加工效果的影響

4.2.4 電解液濃度的影響

由圖13可看出,隨著電解液濃度的增大,材料去除率不斷增大,而表面粗糙度值先降低后增大。這是由于:電解液濃度的增大,增強(qiáng)了電化學(xué)作用,加快了氣體薄膜的形成,從而使放電能量增大且電化學(xué)放電頻率提高,故材料去除率迅速增加,而延性磨削去除的實現(xiàn)使表面粗糙度值不斷降低;隨著電解液濃度的增大,電化學(xué)放電區(qū)域范圍增大,提高了電解液對放電能量的吸收,故材料去除率降低,而作用于氧化鋁陶瓷的能量進(jìn)一步減小且很分散,使軟化層面積增大但深度減小,由于機(jī)械力的增大而出現(xiàn)少量的脆性破壞,故表面粗糙度值增大。

圖13 電解液濃度對氧化鋁陶瓷加工效果的影響

4.2.5 開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的影響

由圖14可看出,隨著開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高,材料去除率先增大后降低,而表面粗糙度值先降低后增大,最后迅速下降。這是由于:當(dāng)開槽金屬輪的轉(zhuǎn)速較低時,氣體薄膜的形成主要依靠電化學(xué)作用,導(dǎo)致放電能量較小且電化學(xué)放電頻率較低,產(chǎn)生的軟化層較小,故材料去除率很低;隨著開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高,周圍空氣的帶入量增多,加速了氣體薄膜的形成,故材料去除率不斷增大;當(dāng)開槽金屬輪的轉(zhuǎn)速過高時,電解液被迅速帶走,而經(jīng)常出現(xiàn)開路現(xiàn)象,故材料去除率迅速降低。放電能量和電化學(xué)放電頻率的提高使軟化層不斷增大,故表面粗糙度值降低;當(dāng)開槽金屬輪的轉(zhuǎn)速過高時,頻繁的開路狀態(tài)導(dǎo)致軟化層不斷減小,故加工狀態(tài)由延性磨削去除逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?故表面粗糙度值增大;伴隨著“讓刀”現(xiàn)象的出現(xiàn),表面粗糙度值迅速下降。

圖14 開槽金屬輪轉(zhuǎn)速對氧化鋁陶瓷加工效果的影響

5 加工實例

圖15是噴霧電化學(xué)放電加工窄槽實物圖。對于單晶硅,其窄槽底部的表面粗糙度為Ra 3.5μm,受電化學(xué)腐蝕、電化學(xué)放電和化學(xué)溶解等綜合作用影響,其表面存在著損傷層;對于氧化鋁陶瓷,窄槽底部的表面粗糙度為Ra 5.4μm,由于開槽金屬輪的材料為45鋼,其硬度較低,故在工件表面會有少量的金屬鍍覆層。

6 結(jié)論

(1)對于單晶硅等半導(dǎo)體材料,主要依靠電化學(xué)腐蝕、電化學(xué)放電和化學(xué)溶解進(jìn)行綜合蝕除。

(2)對于氧化鋁陶瓷等高熔點絕緣材料,電化學(xué)放電通常只能產(chǎn)生軟化層,再由機(jī)械方法實現(xiàn)延性方式去除。

(3)對于單晶硅,其材料去除率和表面粗糙度值均隨著峰值電壓的升高、脈沖寬度的增大、脈沖間隔的減小和開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高而增大,同時,隨著電解液濃度的增大先減小后增大。

(4)對于氧化鋁陶瓷,其材料去除率隨著峰值電壓的升高、脈沖寬度的增大、脈沖間隔的減小和電解液濃度的增大而增大,隨著開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高而先增大后減小;其表面粗糙度值隨著峰值電壓的升高而先增大后減小,最后略有增大,隨著脈沖寬度的增大而減小,隨著電解液濃度的增大而先減小后增大,隨著脈沖間隔的增大和開槽金屬輪轉(zhuǎn)速的提高而先減小后增大,最后減小。

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