微小結(jié)構(gòu)高效電解銑削加工試驗研究*

劉 勇 曾永彬

(①山東大學(xué)力學(xué)與機電裝備聯(lián)合工程技術(shù)研究中心，山東 威海264209;②南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京210016)

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、汽車電子、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程領(lǐng)域，人們對微小型裝置的需求不斷增加，并且對其功能、結(jié)構(gòu)以及可靠性等方面的要求也越來越高［1-2］。而微細加工技術(shù)是微小型零件制造的基礎(chǔ)技術(shù)，是產(chǎn)品微型化的支撐技術(shù)，已成為世界各國廣泛關(guān)注和重點投入的研究熱點［3-5］。

近年來，國內(nèi)外很多專家學(xué)者特別關(guān)注微細電解加工技術(shù)，期望利用其獨特的加工原理和特性解決難加工材料微小金屬零部件的制造難題。德國、美國、韓國、日本以及印度等國家對微細電解加工技術(shù)都進行了大量的科研投入，取得了顯著的成果，如德國的Rolf Schuster 加工出了微米級特征尺寸的微型腔［6］，美國的Andrew L. Trimmer 通過轉(zhuǎn)印加工出了結(jié)構(gòu)尺寸為亞微米級的復(fù)雜圖案［7］，韓國的Kim 制備出了微盤狀電極并用之加工出了微內(nèi)孔結(jié)構(gòu)［8］，日本的Kurita 利用微細電解加工技術(shù)成功加工出了微菱形電極及復(fù)雜結(jié)構(gòu)［9］，印度的B. Bhattacharyya 加工出了微孔及U形槽結(jié)構(gòu)［10］。而在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校的學(xué)者也在微細電解加工領(lǐng)域取得了長足的進展［11-13］。

微細電解加工技術(shù)基于電化學(xué)陽極溶解的原理，以離子形式(金屬離子的尺寸在1/10 納米甚至更小)進行材料去除，理論上可以獲得極高的加工精度，且具有非接觸、與材料硬度強度無關(guān)、無切削力等優(yōu)點，因此微細電化學(xué)加工技術(shù)在微細制造領(lǐng)域、以至于納米制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿Α５壳皣鴥?nèi)外對該類技術(shù)的研究尚處于初級階段，還有許多基礎(chǔ)問題和技術(shù)問題亟待解決。微細電解加工技術(shù)的不足主要集中在以下兩方面:(1)加工效率低下。上述國內(nèi)外研究顯示，加工時微電極進給速度基本處于0.1～1 μm/s范圍甚至更低;(2)加工穩(wěn)定性差。研究顯示，由于加工間隙過于微小，加工產(chǎn)物不易于排出，電解液很難及時更新，導(dǎo)致微間隙內(nèi)電場和流場不均勻，極易發(fā)生短路現(xiàn)象。因此，如何促進加工產(chǎn)物的排出和電解液的及時更新就成了微細電解加工中急需解決的研究課題。

本文針對MEMS 器件中大量微小金屬結(jié)構(gòu)的制造需求，以顯著提高微細電解銑削加工效率為目標(biāo)，研究了微小加工間隙內(nèi)漩渦流對物質(zhì)傳遞的影響規(guī)律，并通過優(yōu)化加工參數(shù)，成功高效地加工出了形狀復(fù)雜的微小金屬結(jié)構(gòu)，加工穩(wěn)定性好，為實現(xiàn)金屬微小結(jié)構(gòu)的高效、精密制造提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

1 加工原理與裝置

1.1 微細電解銑削加工原理

微細電解銑削加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，采用微米級柱狀電極作為工具陰極，通過控制其加工運動軌跡，來完成復(fù)雜零件加工的微細電解加工技術(shù)［14-15］，其加工原理如圖1 所示。

影響微細電解銑削加工效率和穩(wěn)定性的主要因素是當(dāng)加工間隙(包括端面間隙和側(cè)面間隙)小到一定程度時，一般的沖液方式很難解決加工間隙內(nèi)的電解液及時更新和電解產(chǎn)物及時排出等問題，所以很容易發(fā)生短路現(xiàn)象。為解決上述問題，本文采用高轉(zhuǎn)速電主軸(最高可達50000 r/min)帶動螺旋柱狀微電極作為工具陰極，被加工金屬材料作為陽極，加工時，微電極高速旋轉(zhuǎn)，兩極間充滿非線性鈍化電解液，極間加上高頻脈沖電壓后，電極表面雙電層的電容就會進行周期性的充放電過程。兩極間通過高頻脈沖電流，選擇合適的脈沖寬度后，加工處于暫態(tài)加工過程。由于極間雙電層電容的指數(shù)衰減特性，靠近電極表面的雙電層區(qū)域會強烈充電，而遠離電極的區(qū)域充電效果就大幅減弱。所以，強烈的陽極溶解反應(yīng)只會發(fā)生在工具陰極周圍數(shù)微米距離的區(qū)域。圖2 是工件表面雙電層極化電位隨距離的變化情況，橫軸X是工件加工面在水平方向與陰極邊緣的距離?？梢钥吹?當(dāng)加工區(qū)的電位為800 mV時，在陰極邊緣以外2 μm 的非加工區(qū)，極化電位只有200 mV，與平衡電位大體一致，基本不發(fā)生反應(yīng)，工件陽極被蝕除的量非常少，與加工區(qū)相比幾乎可以忽略。所以高頻脈沖微細電解加工的定域性能得到大幅提高。

1.2 電極旋轉(zhuǎn)對小間隙內(nèi)流場的改善

研究顯示，一定轉(zhuǎn)速的微電極有促進微加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物的排出，使間隙內(nèi)電解液快速更新的作用［16］。為了深入分析電極旋轉(zhuǎn)速度，尤其是電極高轉(zhuǎn)速(＞15000 r/min)工況下對小間隙流場的影響規(guī)律，本文基于COMSOL Mutilphysics 多物理場耦合分析軟件，利用有限元方法對流場模型進行了仿真分析［17］，選擇較為合理的電極轉(zhuǎn)速，并通過試驗驗證流動方式的可行性。

由于小間隙內(nèi)微流動為旋轉(zhuǎn)流，且在空間為軸對稱，所以選擇COMSOL Mutiphsics 中化學(xué)工程模塊動量傳遞中的旋轉(zhuǎn)流模塊(2 D 軸對稱)進行仿真，流場模型如圖3 所示。圖3 b 中，w=200 μm，s=50 μm，b=50 μm。

圖3 b 各邊界條件，如以下設(shè)置:

以上各式中，Uw表示沿切線方向的壁面速度，Ww為移動壁面速度，ω為角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑。

加工間隙內(nèi)流場經(jīng)以上模型建立和邊界設(shè)置后，利用COMSOL 軟件對本文模型進行了數(shù)值模擬，其仿真結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中各轉(zhuǎn)速條件下流場分布可知:隨著電極轉(zhuǎn)速的提高，小間隙內(nèi)水流速度呈快速上升趨勢，并且電極底部渦流呈不同規(guī)律分布。當(dāng)電極轉(zhuǎn)速提高至3000 r/min 時，電極旋轉(zhuǎn)帶動的水流對加工間隙內(nèi)物質(zhì)的傳遞開始呈現(xiàn)較明顯的改善作用;而當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至10000 r/min，電極底部的渦流呈增大趨勢，并不利于電解液的更新及電解產(chǎn)物的排出，但陽極表面的水流速度還是呈增大趨勢，所以從實際加工效果來看，并未頻繁出現(xiàn)短路現(xiàn)象;隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，電極表面所帶動水流的離心作用起主導(dǎo)作用，把電極端部產(chǎn)生的渦流向軸心方向擠壓，渦流逐漸變小;當(dāng)電極轉(zhuǎn)速達40000 r/min 以上時，陽極表面的流場分布及水流速度最為理想，電解液能夠及時更新，產(chǎn)物也能順利排出，加工速度可提高較大幅度，加工穩(wěn)定性好。

1.3 微細電解銑削加工系統(tǒng)的建立

高轉(zhuǎn)速微細電解銑削加工的試驗平臺如圖5 a 所示，主要包括:微電極系統(tǒng)、直線位移平臺、檢測與控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)和微秒脈沖電源系統(tǒng)等。為保證機床結(jié)構(gòu)的剛性、精度及操作可維護性，微細電解銑削加工機床采用了雙立柱龍門結(jié)構(gòu)，如圖5 b 所示。

微電極系統(tǒng)由微電極(陰極)、電極夾具、高速電主軸和被加工工件(陽極)構(gòu)成。加工時，高速電主軸帶動微電極高速旋轉(zhuǎn)，兩極間接入微秒脈沖電流，加工間隙內(nèi)充滿鈍化電解液(如NaNO3或NaClO3)，利用陽極的鈍化作用減小側(cè)面間隙，以提高微小結(jié)構(gòu)的加工精度。

電極旋轉(zhuǎn)軸C為日本NSK 公司生產(chǎn)的高精密電主軸，由NE211 可編程控制器控制，轉(zhuǎn)速在0～50000 r/min 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，徑向跳動在1 μm 以內(nèi)。直線位移平臺以臺灣凌華公司生產(chǎn)的MP-C154 型四軸運動控制卡為核心，精確控制臺灣GMT 電動滑臺CYS-6020 (X-Y方向)和CXS-6030 (Z方向)，實現(xiàn)X-Y-Z這3 方向的精密往復(fù)進給，可達到0.25 μm 的雙向定位精度和±0.5 μm 的往復(fù)定位精度，能夠滿足微米級微細加工的需求。試驗中使用的電源為納秒級脈沖發(fā)生器，可以輸出峰值電壓為±10 V，最小脈寬為8 ns 的脈沖電流。

檢測與控制系統(tǒng)主要負責(zé)對加工區(qū)域的電信號進行采集與分析，根據(jù)電流閾值大小，實現(xiàn)對直線位移平臺的反饋控制。本文以美國NI 公司生產(chǎn)的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI -6221 為硬件基礎(chǔ)，在Labwindows/CVI虛擬儀器平臺上開發(fā)了一套與硬件配套的加工檢測與控制系統(tǒng)。將檢測到的信號，在計算機中進行數(shù)據(jù)分析與處理，最終實現(xiàn)加工狀態(tài)的實時檢測與反饋控制。

2 試驗結(jié)果及分析

本文通過多組微細電解銑削加工試驗來驗證微細電解銑削加工中各加工參數(shù)，如電極轉(zhuǎn)速、電壓幅值、脈沖寬度及電解液濃度等對加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性的影響。加工效率用最大穩(wěn)定加工速度來表示，加工精度以加工過程中的側(cè)面加工間隙作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)面間隙可用下式求得:

其中:Δs為側(cè)面間隙，d為工具電極的直徑，S為加工后的槽寬。加工穩(wěn)定性則以加工1 mm 的微槽過程中出現(xiàn)的短路次數(shù)來衡量。

2.1 電極轉(zhuǎn)速對加工效率和加工精度的影響

由圖4 的加工間隙內(nèi)流場分析結(jié)果可知，電極轉(zhuǎn)速對間隙內(nèi)的流場影響很大。為驗證電極高轉(zhuǎn)速對加工效率和加工精度的促進作用，進行以下微槽加工的轉(zhuǎn)速對比試驗。

基本試驗條件如下:采用直徑100 μm 的WC 微銑刀作為工具電極，工件陽極為厚度300 μm 的高溫合金板(GH3030)，加工電壓4.5 V，脈寬30 μs，脈沖周期1 ms，電解液為低濃度硝酸鈉溶液(10 g/L)，進給距離約1000 μm。工具電極轉(zhuǎn)速從5000 r/min 逐步提高到50000 r/min。

圖6 為不同電極轉(zhuǎn)速對最大穩(wěn)定加工速度和側(cè)面間隙的影響曲線。從圖6 中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大穩(wěn)定加工進給速度也逐步增大，而隨著進給速度的增大，所加工槽的側(cè)面間隙呈減小趨勢，加工精度提高。這是因為隨著電極轉(zhuǎn)速的增加，加工間隙內(nèi)流場分布和水流速度趨于理想，使電解液的更新速度及排屑速度加快，有利于加工的順利進行，同時作用于陽極表面的電流密度變大，蝕除率變大，加工效率提高。本組試驗較好地驗證了本文流場模型的仿真結(jié)果。

圖7 為不同電極轉(zhuǎn)速以及對應(yīng)的最大穩(wěn)定進給速度下所加工的微槽SEM 圖。從試驗結(jié)果可以看出:電極轉(zhuǎn)速的增加帶來了高的穩(wěn)定加工進給速度，而隨著進給速度的增加，側(cè)面間隙減小，這是因為在穩(wěn)定加工的前提下，提高工具電極進給速度有利于加工過程中保持較小的平衡間隙，較好地保證了加工的定域性，同時在較高進給速度下，工具電極對已加工槽的兩側(cè)側(cè)壁二次電解的作用變小，可以保持較小的側(cè)面加工間隙，提高加工精度。所以，為保持高的加工精度，應(yīng)在加工穩(wěn)定的前提下適當(dāng)增加進給速度。

2.2 電壓幅值對加工質(zhì)量的影響

以上試驗研究顯示:高的電極轉(zhuǎn)速可以較大幅度地提高微細電解銑削加工的加工效率和加工精度。為獲得更優(yōu)的加工質(zhì)量，使各加工參數(shù)更加匹配，下面在一定范圍內(nèi)對各加工參數(shù)進行優(yōu)化。

為研究電壓幅值對加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進行了以下對比試驗。試驗條件基本同上:電極轉(zhuǎn)速定為40000 r/min，進給速度10 μm/s，電壓幅值變化范圍4～8 V。側(cè)面間隙和短路次數(shù)隨加工電壓的變化趨勢如圖8 所示。圖9 為不同加工電壓下所加工的微槽SEM 圖。

由圖8 可知，隨著加工電壓從4 V 增加到8 V，側(cè)面間隙隨之增大，即加工精度隨著電壓的升高而降低。圖8 中短路次數(shù)是對不同電壓幅值下的加工穩(wěn)定性比較，加工電流隨著加工電壓的增大而增大，使得加工產(chǎn)物變多，一旦電解產(chǎn)物未能及時排出，就會出現(xiàn)局部的堆積而造成短路現(xiàn)象。因此加工中應(yīng)盡量采用較小的電壓。但加工電壓太小也不行，這樣會降低加工蝕除率，與進給速度不匹配，導(dǎo)致短路現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。所以，加工電壓過小或過大均會導(dǎo)致加工穩(wěn)定性的下降。在保證穩(wěn)定加工的前提下，加工電壓一般取值4.5 V。

2.3 脈沖寬度對加工質(zhì)量的影響

為了研究脈沖寬度對加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進行了以下對比試驗。試驗參數(shù)基本同上，脈沖寬度取值范圍為20～60 μs。不同脈沖寬度下的側(cè)面間隙和短路次數(shù)如圖10 所示。不同脈沖寬度下，微槽加工的SEM 圖片如圖11 所示。

由圖10 和圖11 可知，在其他參數(shù)不變的情況下，側(cè)面間隙隨著脈寬的增加而增大，加工精度下降。這是由于當(dāng)脈寬變大時，單位時間內(nèi)加工時間變長，加工電流增大，工件的蝕除量增加，因而側(cè)面間隙變大，加工定域性降低。同時，由于電解產(chǎn)物增多，如果不能及時排出，就會產(chǎn)生短路現(xiàn)象，導(dǎo)致加工穩(wěn)定性下降。在保證穩(wěn)定加工的前提下，脈沖寬度一般取值25～40 μs。

2.4 電解液濃度對加工質(zhì)量的影響

為了研究電解液濃度對加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進行了本組試驗。試驗參數(shù)基本同上，試驗采用低濃度NaNO3溶液作為電解液，濃度分別取:5 g/L、10 g/L、20 g/L、40 g/L。圖12 是不同濃度下側(cè)面間隙和短路次數(shù)變化曲線。圖13 是不同濃度下所加工微槽的SEM 照片。

由圖12 和圖13 可知，側(cè)面間隙隨著濃度的增加而增大，加工精度下降。因為電解液濃度增大，電導(dǎo)率也會隨之大幅增大，不利于小加工間隙的形成。因此，在保證穩(wěn)定加工的前提下，一般取電解液濃度為10 g/L。

2.5 試驗結(jié)果

在分析了上述各加工參數(shù)對加工規(guī)律影響的基礎(chǔ)上，為顯示微細電解銑削加工工藝在微小結(jié)構(gòu)高效加工方面的能力，進行以下典型微小結(jié)構(gòu)的加工試驗。圖14 是在GH3030 材料上加工出的微小結(jié)構(gòu)。圖14 a 所示為一條三次NURBS 曲線，槽深100 μm，槽寬195 μm。加工條件為:電極轉(zhuǎn)速40000 r/min，加工電壓4.5 V，脈沖寬度30 μm，脈沖周期1 ms，電極直徑100 μm，進給速度為10 μm/s，電解液為10 g/L 的NaNO3溶液。圖14 b 所示為微懸臂梁結(jié)構(gòu)，槽深為100 μm，槽寬為140 μm，最小特征尺寸40 μm，加工參數(shù)同圖14 a。

從圖14 中可以看出，NURBS 曲線過渡順滑，槽寬一致性好;微懸臂梁結(jié)構(gòu)棱角分明，邊緣清晰，具有較高的形狀精度。

3 結(jié)語

本文針對微小結(jié)構(gòu)的加工需求，在難加工材料高溫合金GH3O3O 上進行了微細電解高效銑削加工工藝試驗，穩(wěn)定加工速度可達10 μm/s，較大提高了微細電解銑削的加工效率。分析了主要工藝參數(shù)，尤其是電極轉(zhuǎn)速對加工結(jié)果的影響，可得出以下結(jié)論:

(1)試驗分析了各主要加工參數(shù)，如電極轉(zhuǎn)速、電壓幅值、脈沖寬度、電解液濃度等對加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，采用高電極轉(zhuǎn)速、較大進給速度(10 μm/s)、較小的電壓幅值、脈沖寬度和低濃度電解液等可有效提高加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性。

(2)應(yīng)用優(yōu)化后的參數(shù)，成功加工出了特征尺寸數(shù)十微米的典型微小結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了微細電解高效銑削加工工藝在微小金屬結(jié)構(gòu)制造方面的廣闊前景。

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