微細工具電極在線制作技術及實驗研究

楊忠高，韓桂海，郭鐘寧

（1.廣東工貿職業技術學院，廣東 廣州 510510；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.廣東工業大學 510090）

隨著科學技術的發展，微型器件將廣泛應用于醫藥、生物工程、機械工程、電子工程和航空技術。微構件和微結構加工的研究已成為制造業的熱點。在電化學加工（ECM）中，機械性能（如材料的硬度和強度）不會對加工造成任何影響，因此它具有高效率和高精確度的優點，并且無殘余應力和刀具磨損。根據ECM的加工機理，即基于陽極溶解去除材料，因此當加工條件能得到很好的控制且加工參數選擇適當時，可以將其用于微加工[1-4]。

本文設計、制作了一臺進行微細電解加工的實驗裝備，如圖1所示。該裝備有三個直線運動系統、兩個回轉軸，采用步進電機驅動各軸互動，可以實現兩個回轉軸的展成運動以期實現電極在線制作以及三維零件的加工。基于本實驗臺，用不同方法在線加工電極，成功的制作了幾種微細電極，并提出了一種新的在線電極加工方法。

圖1 實驗裝備原理圖

圖2 實驗裝備圖

1 電極在線制作技術

目前電極在線制作方法主要應用于電火花加工技術中，主要有以下三種：固定塊反拷加工、旋轉圓盤反拷加工以及線電極放電磨削法（WEDG：Wire Electrical Discharge Grinding），如圖 3 所示：

圖3 三種電極在線制作方法[5]

根據ECM的原理，即材料基于陽極溶解去除，因此在本文的實驗中，工具電極的在線制作是通過交換工具和工件的極性來實現的。首先，將高頻短脈沖電源的正極連接到工具電極，負極連接到工件，先加工工具電極了。然后交換工具電極和工件的極性，將制作的工具電極作為陰極以加工工件。與傳統的ECM相比，利用工具電極的在線制作可以避免因兩次裝夾而產生的誤差。因此，加工精度可以大大提高。本文基于ECM的原理提出了三種工具電極的在線制作方法。

1.1 固定塊反拷加工

在裝備上采用圖4中a）圖所示的加工方法，將一個直徑為準0.7 mm的紫銅圓柱作為工件，固定塊作為工具陰極，使兩者傾斜一個角度，二者的相對位置固定不動，紫銅圓柱作一定角速度的旋轉運動，加工出如圖5－2中b）中所示的兩個電極。

圖4 固定塊加工的紫銅電極

當加工圖4中b）所示電極時，上圖中的電極主軸與塊電極的平面傾斜的角度比較小，下圖中傾斜的角度較大。得到的結果是，上圖中的電極比較細長，尺寸變化比較緩慢，其加工部分長度約為3 mm，最尖端尺寸可達準20μm，下圖的電極直徑變化比較快。

因為銅材質較軟，強度低，當采用滴注式電解液加工時，如果加工電極的直徑過細，便容易被快速流過的電解液沖斷，對向更微細加工有一定的影響。同時，因為電極主軸的旋轉偏差，影響了所加工電極的精度。

1.2 互換電極極性進行簡單反拷加工

該加工方法如圖5所示。首先用一個準0.7mm的鋼質圓柱電極作為工具陰極，在1.0 mm厚的紫銅板上加工一個通孔，加工電壓為6.0 V，設定低于電壓5.0V時短路回退，加工速度為1.5μm/s，短路回退的速度為7.5μm/s，電解液采用4%的NaNO3溶液，加工示意圖如圖5中a）所示。

當孔加工完成后，交換鋼質圓柱電極和紫銅板的極性，以紫銅板材作為陰極，將圓柱電極作為工件，圓柱電極穿過紫銅板上加工好的孔，沿著孔軸線的方向，以7.5μm/s的速度來回進行加工，加工深度為1.5 mm，這種情況下，其尺寸與加工的時間有關，直徑隨時間的增加而減小。加工孔以及工件如圖5－3 中 b）、c）所示。

為了防止端面間隙過大，電流太小，電解液處于鈍化狀態，當以孔作為工具電極加工細軸時，在溶液中添加少量NaCl，以增加加工速度。

圖5 互換電極極性進行電極反拷加工

1.3 互換電極極性進行多次交互加工

互換電極極性進行加工的過程如圖6所示。在該加工過程中，U、V回轉軸相互旋轉，并同時作直線進給運動，進行工具電極的加工。用這個加工方法能夠進行螺紋、柱體、光軸、螺栓等回轉體類零件的加工。

圖6 U、V回轉軸相互加工示意圖

圖7 加工的電極

采用圖6中所示的互換電極極性加工方法，在3%的NaClO3電解液中，用直徑為準0.7 mm的紫銅電極和準0.7 mm鋼質電極分別作為正、負電極進行加工，加工電壓為6V，脈寬為28μs,占空比為0.5，加工后得到如圖7中所示的工具電極，其中a)中鋼電極的尖端直徑為準49.9μm，b）中紫銅電極的尖端直徑為 準24.5μm。

2 加工時出現問題及其解決方法

加工過程中，當加工速度過快時，電極會發生短路，從而產生火花放電，損耗工具電極，影響加工精度和表面質量。但是，當短路時，加工程序控制其自動回退一個距離，使的電解加工區域殘留的雜質順利排出，又有利于加工的進行。

因為各種加工情況下，電解加工的速度不同，所以，進行電解加工時，首先初步確定一個加工速度，然后根據加工情況，對其進行調整，盡量避免電極間短路情況發生的次數。在加工一定距離后，要將工具電極回退一段距離，使加工間隙擴大，從而讓電解液流對加工區域進行充分的沖刷以及更換，利于更深一步加工的進行。

在電極加工過程中，因為U、V軸的回轉跳動因素，所夾持電極的轉動軌跡是個橢圓。為了避免加工過程中，兩個電極接觸，導致損傷，應將其中一個電極放置在轉動電極的運行軌跡最遠點以外。

加工過程中，工具電極與工件之間沉積有電解生成物。當工具電極進給運動時，首先與沉積物接觸，如果工具電極剛性較弱，不能穿透該沉積層，就會對加工過程的自適應控制產生誤判，導致工具電極持續進給，使工具電極彎曲。為了避免上述情況，應該采用剛性好的材料作為工具電極，并在加工一段時間后，讓電極回退，手工清除沉積層。

3 結論

本文進行了微細電極的在線加工技術以及工藝的研究，通過固定塊反拷加工、互換極性進行加工等加工方法，成功的在線加工出幾個微細電極，在機床回轉精度不高的情況下，加工出最小直徑20μm左右的電極；同時，提出了一種新的電極在線加工工藝，即通過互換兩個電極的極性，進行多次反復、相互加工，可以加工出復合要求的電極。

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