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    側(cè)壁絕緣電極的微槽電化學(xué)放電加工特性研究

    2018-09-29 02:27:12唐偉東康小明
    電加工與模具 2018年4期
    關(guān)鍵詞:氣膜側(cè)壁絕緣

    唐偉東,康小明

    (上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

    電化學(xué)放電加工 (electrochemical discharge machining,ECDM)是用于加工玻璃、石英、陶瓷等絕緣硬脆材料的有效微加工方法。它是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜加工過程,主要包括電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡、氣泡在工具電極周圍融合形成氣膜、氣膜被擊穿產(chǎn)生放電、放電產(chǎn)生的高溫將工件材料去除。在加工過程中,不穩(wěn)定的氣膜和放電會導(dǎo)致不規(guī)律的材料去除,因此,要獲得高質(zhì)量、可重復(fù)加工的微結(jié)構(gòu)變得困難。

    為了提高電化學(xué)放電加工性能,國內(nèi)外學(xué)者提出了很多新的工藝方法。Wüthrich等[1]在電解液中加入肥皂水來減小氣膜厚度,以提高加工重復(fù)率。Han等[2]在電解液中加入導(dǎo)電顆粒,以提高加工表面完整性。Yanget等[3]提出一種端部為球形的球狀電極,球的直徑比電極柱體直徑大,該結(jié)構(gòu)的電極在加工時(shí)可避免氣泡積聚在加工孔入口處,從而提高加工表面質(zhì)量和精度。孫艷琪等[4]提出一種力反饋控制進(jìn)給方法,有效改善了加工孔入口的質(zhì)量,減小了孔的錐度。

    在電化學(xué)放電加工過程中,電極浸沒于溶液的部分都會產(chǎn)生氣泡,并最終被形成的氣膜包裹,而存在氣膜的地方就有可能產(chǎn)生放電。因此,電極底部和側(cè)壁均會產(chǎn)生放電。電極底部區(qū)域的放電有利于材料的去除和加工的進(jìn)行,而電極側(cè)壁區(qū)域的放電會破壞加工結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和工件表面位置的加工質(zhì)量。因此,有必要抑制電極的側(cè)壁放電。在之前的研究中,Han等[5]提出一種簡易的側(cè)壁絕緣電極,使用一個(gè)陶瓷管套在電極的部分區(qū)域達(dá)到局部側(cè)壁絕緣的效果,這種絕緣雖能抑制液面位置的放電,但不能達(dá)到完全絕緣的效果。此外,由于陶瓷管直徑約為電極直徑的三倍,加工過程中陶瓷管會阻礙電極的進(jìn)給,限制了加工深度。為了使電極達(dá)到完全側(cè)壁絕緣的效果,本文提出一種金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極,分析其加工特性并進(jìn)行微槽加工實(shí)驗(yàn),還與傳統(tǒng)無絕緣電極的加工效果進(jìn)行了比較。

    1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

    1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

    ECDM實(shí)驗(yàn)裝置主要由微細(xì)電火花加工機(jī)床和附加的ECDM加工裝置構(gòu)成(圖1)。微細(xì)電火花加工機(jī)床包括控制系統(tǒng)和三軸精密運(yùn)動(dòng)平臺,其X、Y、Z軸均由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng),運(yùn)動(dòng)分辨率為0.1μm。固定在Z軸上的NSK型電主軸可實(shí)現(xiàn)對加工電極的夾持和旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速范圍為0~25 000 r/min,旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向跳動(dòng)小于2μm。為了實(shí)現(xiàn)ECDM加工,在三軸運(yùn)動(dòng)平臺上集成了一個(gè)包括加工槽、工作液和工件系統(tǒng)及ECDM電源的ECDM裝置。實(shí)驗(yàn)中的電流和電壓均通過示波器進(jìn)行采集。

    圖1 電化學(xué)放電加工實(shí)驗(yàn)裝置

    1.2 側(cè)壁絕緣電極

    如圖2所示,實(shí)驗(yàn)所用的側(cè)壁絕緣電極是由硬質(zhì)合金微鉆為基體的電極制成。硬質(zhì)合金材料的電極具有良好的導(dǎo)電性和極高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn),且作為陰極使用時(shí)在NaOH溶液中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,故經(jīng)常作為電化學(xué)放電加工的工具電極使用。而微鉆上的螺旋槽結(jié)構(gòu)能促進(jìn)電解液流動(dòng),使電解液順利進(jìn)入加工電極端部,有利于加工的進(jìn)行。電極表面的金剛石涂層采用熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)方法制成。為了使電極端部的導(dǎo)電材料露出,在完成涂層制備后,用電火花線切割方法將電極端部割斷,并用砂紙打磨割斷面,去除熱影響層。硬質(zhì)合金電極的初始直徑為250μm,沉積涂層后的直徑為258μm,金剛石涂層厚度為4μm。由于電極側(cè)壁與加工材料的間隙足夠大,所以4μm的涂層厚度不會阻礙電極進(jìn)給。

    在電化學(xué)放電加工中,加工區(qū)域的溫度一般會超過600℃。由表1可知,金剛石具有極高的熔點(diǎn),可承受電化學(xué)放電加工的高溫工況。同時(shí),金剛石的電阻率為1012Ω·cm,可起到較好的絕緣作用。由于電化學(xué)放電加工所用的溶液一般為堿性溶液(氫氧化鈉溶液),而金剛石在堿性溶液中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,所以金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極能用于電化學(xué)放電加工。

    圖2 金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極和傳統(tǒng)電極

    表1 金剛石材料屬性

    為了與側(cè)壁絕緣電極的加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比,同時(shí)采用了一個(gè)無涂層的硬質(zhì)合金鉆頭電極用于對比實(shí)驗(yàn)。如圖2b所示,該傳統(tǒng)電極的端部也被削平,以與側(cè)壁絕緣電極的形狀保持一致。

    1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

    加工工件為石英,將其浸沒在濃度為6 mol/L的NaOH溶液中,浸沒深度為2 mm。實(shí)驗(yàn)中,采用石墨作為輔助電極,加工電源為脈沖電源,其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。加工完成后,用顯微鏡對加工槽的幾何特征和表面形貌進(jìn)行觀察和測量。

    表2 電化學(xué)放電加工微槽實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

    2 結(jié)果與討論

    2.1 電流-電壓特性曲線

    圖3是傳統(tǒng)電極和側(cè)壁絕緣電極在不同的電極浸沒深度下的平均電流-電壓特性曲線??梢姡€被分成四個(gè)部分。在線性區(qū)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),此時(shí)兩種電極的電流-電壓曲線幾乎都是線性增加。如圖3a所示,對于傳統(tǒng)電極而言,電極浸沒深度越大,曲線斜率越大,這是由于電極上的電化學(xué)反應(yīng)面積隨著電極浸沒深度的增加而增大,在相同電壓下電極浸沒越深,電化學(xué)反應(yīng)電流越大,曲線斜率就越大;如圖3b所示,側(cè)壁絕緣電極的曲線斜率幾乎不隨著電極浸沒深度變化而變化,這是由于側(cè)壁絕緣電極的側(cè)壁被絕緣層包裹,只有電極端部與溶液接觸,其電化學(xué)反應(yīng)面積不會隨著電極浸沒深度變化而變化,故曲線斜率也不變。

    圖3 不同電極的電流-電壓特性曲線

    在飽和區(qū),電流達(dá)到飽和狀態(tài)。隨后,電流由飽和狀態(tài)進(jìn)入躍變區(qū),對應(yīng)的轉(zhuǎn)化電壓稱為臨界電壓、轉(zhuǎn)化電流稱為臨界電流。圖4是臨界電壓隨著電極浸沒深度變化的曲線。可見,兩種電極的臨界電壓均隨著浸沒深度的增加而增大,其中側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓增加得更快。當(dāng)浸沒深度為1 mm時(shí),側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓比傳統(tǒng)電極的臨界電壓小,之后隨著浸沒深度增加,側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓變得比傳統(tǒng)電極的臨界電壓大。對于側(cè)壁絕緣電極,盡管電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在電極端部,相較于傳統(tǒng)電極其電化學(xué)反應(yīng)面積更小,但較小的反應(yīng)面積使氣膜不易被吸附在電極表面,特別是生成的大氣泡易受浮力作用脫離電極;浸沒深度越深,浮力越大,氣膜越不穩(wěn)定,這就導(dǎo)致如圖3b所示的飽和區(qū)擴(kuò)大,從而使臨界電壓變大。

    圖4 不同電極的臨界電壓隨著電極浸沒深度的變化曲線

    圖5 是臨界電流隨著電極浸沒深度變化的曲線??梢?,傳統(tǒng)電極的臨界電流隨著浸沒深度增加而增大。而對于側(cè)壁絕緣電極,由于其電化學(xué)反應(yīng)面積不變,臨界電流幾乎不隨著浸沒深度變化而變化,且臨界電流的大小相對于傳統(tǒng)電極大幅降低。經(jīng)過躍變區(qū)后,電流-電壓曲線進(jìn)入放電區(qū),此時(shí)在電極上可觀察到火花放電,電極進(jìn)入加工狀態(tài)。

    圖5 不同電極的臨界電流隨著浸沒深度的變化曲線

    2.2 單層銑削加工

    為了比較兩種電極的加工能力,特別是電極在微槽加工表面進(jìn)行一次直線掃描運(yùn)動(dòng)后的加工深度,采用兩種電極在相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行了單層銑削加工。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:電壓為33 V,電極與工件的間隙為10μm,電極的直線掃描長度為1.2 mm,其他參數(shù)見表2。

    圖6是傳統(tǒng)電極在石英表面進(jìn)行一次直線掃描運(yùn)動(dòng)后得到的微槽,用共聚焦顯微鏡對微槽進(jìn)行測量,得到其最大槽深為38.7μm。圖7是側(cè)壁絕緣電極在石英表面進(jìn)行單次掃描加工后的微槽,測得其最大槽深為17.5μm。由此可見,電極側(cè)壁絕緣后,其加工效率下降,相同條件下加工的微槽深度比未絕緣時(shí)減少了21μm。

    側(cè)壁絕緣電極加工效率的降低與其放電特性有關(guān)。為了解釋其原因,采集了兩種電極在加工過程中的電流波形,比較其放電特性。圖8是兩種電極在加工過程中的電流波形曲線。對于傳統(tǒng)電極,電流信號中的大脈沖為電化學(xué)反應(yīng)電流,用于生成氣泡,其余的小電流為放電電流;不管是電化學(xué)反應(yīng)電流還是放電電流,其幅值均較穩(wěn)定,說明加工時(shí)電極周圍的氣膜較穩(wěn)定,放電較規(guī)律。對于側(cè)壁絕緣電極,加工時(shí)的電流信號波動(dòng)較傳統(tǒng)電極大,說明加工時(shí)電極周圍的氣膜不穩(wěn)定,放電不規(guī)律。根據(jù)前文分析,側(cè)壁絕緣電極的氣膜只在電極端部產(chǎn)生,由于電極端部面積較小,形成的氣膜不易被吸附,且電極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會導(dǎo)致氣膜破裂和逃逸,從而使加工過程中氣膜重建的時(shí)間比重增大,進(jìn)而壓縮放電時(shí)間。因此,不規(guī)律的放電和較短的放電時(shí)間導(dǎo)致了加工效率的降低。

    圖6 傳統(tǒng)電極單層銑削后的微槽(×500)

    圖7 側(cè)壁絕緣電極單層銑削后的微槽(×500)

    圖8 兩種電極在加工中的電流波形圖

    2.3 微槽加工

    為了研究側(cè)壁絕緣電極對微槽加工質(zhì)量的影響,使用側(cè)壁絕緣電極在石英工件上進(jìn)行微槽加工,并將加工結(jié)果與相同條件下使用傳統(tǒng)電極加工的微槽進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)分別在30、33、36 V三種加工電壓條件下進(jìn)行,加工過程中電極作往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng),掃描長度為1.2 mm,掃描完一層后電極向下進(jìn)給15μm,一共向下進(jìn)給90μm。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

    圖9、圖10分別是兩種電極在不同電壓下加工的微槽。由于兩種電極的放電特點(diǎn)不同,特別是電極側(cè)壁位置的放電不同會對加工槽的寬度產(chǎn)生影響。由圖9、圖10可見,不同電極加工的微槽邊緣由于化學(xué)刻蝕而產(chǎn)生的破壞情況不一樣,接下來分別對槽的寬度和槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度進(jìn)行了比較。

    圖9 側(cè)壁絕緣電極在不同電壓下加工的微槽(×500)

    圖10 傳統(tǒng)電極在不同電壓下加工的微槽(×500)

    圖11是兩種電極加工的槽寬度比較??梢姡瑑煞N電極加工的槽寬均隨著加工電壓的增加而增大。當(dāng)電壓從30 V增至36 V時(shí),側(cè)壁絕緣電極加工的槽寬從313μm增至341μm,而傳統(tǒng)電極加工的槽寬從330μm增至366μm。相比于傳統(tǒng)電極,側(cè)壁絕緣電極加工的槽寬度更小,說明加工時(shí)的徑向過切量更小。

    圖11 不同電極加工的微槽寬度比較

    當(dāng)電極直徑為250μm、加工電壓為30 V時(shí),可得側(cè)壁絕緣電極的徑向過切量為31.5μm。而在相同加工條件下,傳統(tǒng)電極的徑向過切量比側(cè)壁絕緣電極多約10μm。由此可得出,使用側(cè)壁絕緣電極后,電極側(cè)壁放電被抑制,可使加工時(shí)的徑向過切量減少,從而使槽寬更小,提高了加工精度。

    圖12是兩種電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度比較??梢?,使用側(cè)壁絕緣電極后,刻蝕區(qū)寬度大幅降低,降幅約50%。當(dāng)加工電壓分別為30、33 V時(shí),側(cè)壁絕緣電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度分別只有8.5、11μm,且從圖9a、圖9b中也可看出,側(cè)壁絕緣電極加工槽邊緣基本沒有被破壞,質(zhì)量相對較好,說明側(cè)壁絕緣電極能提高微槽的加工表面質(zhì)量。

    圖12 不同電極加工的微槽邊緣刻蝕區(qū)寬度比較

    3 結(jié)論

    本文提出了一種金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極,并用該電極進(jìn)行了電化學(xué)放電加工微槽實(shí)驗(yàn),還與傳統(tǒng)電極的微槽加工結(jié)果進(jìn)行了比較,得到如下結(jié)論:

    (1)電極側(cè)壁絕緣后,對電流-電壓曲線有明顯影響。一方面,由于側(cè)壁絕緣減少了電極的電化學(xué)反應(yīng)面積,極大地減小了臨界電流;另一方面,電化學(xué)反應(yīng)面積的減少使電極上的氣膜不穩(wěn)定,從而增加了臨界電壓。

    (2)相比于傳統(tǒng)電極,側(cè)壁絕緣電極能有效減少加工中的徑向過切量和加工槽邊緣刻蝕區(qū)的寬度,提高微槽的加工精度和質(zhì)量,但其加工效率有所下降。

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