振動電極電化學放電加工技術試驗研究

沈 艷， 巫婕妤， 魏臣雋

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引言

近來微機電系統（MEMS）技術高速發展，在航空航天領域正發揮越來越重要的作用，典型應用如微慣性制導系統、衛星元器件、各類傳感器等。MEMS制造中，針對玻璃、陶瓷等硬脆材料的微孔加工技術，長期以來是工藝技術難點之一。傳統的化學加工、金剛石砂輪磨削、超聲波加工等都存在各自缺陷。電化學放電加工（ECDM）是一種針對硬脆材料的特種微加工方法。ECDM 過程可控，效率高、表面完整性好，不易出現微裂紋，適合多品種、小批量、高品質的生產模式，在航天MEMS研發制造及其它工業領域具有獨特技術優勢和廣闊應用前景。

ECDM 雖然有理想的加工效率和精度，但它難以加工深孔。Wüthrich等將ECDM 分為兩個深度區域［1］，（0～250）μm 左右深度區域稱為放電域，大于250μm 的深度區域稱為流體力學域。放電域內的加工速率高，而在流體力學域中的加工速率則低得多。為提高加工深度，Wüthrich等在電極軸向施加正弦振動，試驗證明加工效率和加工深度都有所提高［2］。Han 等將一個超聲振動發生器放置在電解液中，使電解液隨發生器超聲振動［3］。試驗結果表明，加工深度有明顯提高，但是浸沒在電解液中的振動發生器極易被腐蝕。

本論文研究振動電極電化學放電加工工藝，旨在提高電化學放電加工的深度和效率。這一新的工藝方法稱為振動電極電化學放電加工（振動電極ECDM）。

1 工藝方法

振動電極ECDM 與常規ECDM 有相似之處［4］，其工藝方法如圖1所示。

工具電極與直流電源的負極相連，電源正極連接輔助電極。輔助電極浸沒在電解液中，電極由硬質合金等材料制成。非導電工件也浸沒在電解液中，當加載電壓超過臨界值后，發生電化學放電效應。電極裝在振動發生器上，產生電極振動。在ECDM 過程中，始終伴隨著電極振動。

圖1 振動電極電化學放電加工方法

2 試驗裝置

試驗裝置示意圖和主軸部分實物，如圖2所示。

圖2 試驗裝置的示意圖和主軸部分實物

電極（2）與工件（5）接觸，工件安裝在直線滑軌（7）上，通過滑輪配重（9）使電極和工件之間保持恒定壓力。直線滑軌和滑輪都采用滾珠軸承（10），潤滑良好。使用精密位移傳感器（8）在線測量微孔加工深度，傳感器工作范圍為（0～1）mm，測量精度1μm。裝置主軸（11）可同時驅動旋轉和微小軸向移動［5］，主軸旋轉通過直流電機（13）帶動，最高轉速可達1 000r／min，徑向跳動2 μm。主軸整體安裝在1kHz帶寬的直線壓電變送器（12）上。壓電變送器由函數發生器開環控制，軸向行程45μm，定位精度為設定值的±10%。其它電源（1）、容器（3）、輔助電極（4）、電解液（6）、電極夾具（14）如圖2所示。

加工前使用精度為1μm 精密直線滑臺標定位移傳感器。數據采集系統采用美國國家儀器的PC數據采集系統，采樣頻率10 Hz。電源采用直流電源（0～60）V／（0～6）A，電源陰極和陽極分別連接到電極和一個石墨制輔助電極。電解液使用ECDM 中常用的氫氧化鈉，緩慢注入容器中。輔助電極放在距工具電極（20～30）mm 處，浸沒在電解液中。

3 試驗參數和步驟

ECDM 中，電源電壓通常不低于27V，以獲得較高的材料去除率和重復度［1］。電源電壓一般也不高于40V，避免工件表面產生熱裂紋［6］。設定電源電壓為32V。電解液質量百分比濃度為30%，保證較高的材料去除率和加工精度。電解液液面高出工件表面1 mm，可帶來較高的加工精度［3］。電極和工件之間保持1N 的恒定壓力。

首先比較電極機械振動、常規ECDM、振動電極ECDM 的效率、孔徑和圓度誤差，以評估新方法效果。研究電極振動頻率為15，50，150，500Hz，幅值為2，4，6，8μm 范圍，占空比為0.5時的加工效率加變化［7，8］。通常機械加工中，工具振動頻率越高，加工效率和表面質量越高；而ECDM 中，電極振動頻率的最優值在30 Hz左右［2］。

在試驗之前先加工5個孔，以升高電解液溫度，使加工達到相對穩定的狀態［1］。單孔加工時間為60s，同一工藝條件下重復5 次取平均值。加工效果的評價指標為加工速率、孔徑和圓度誤差，加工速率和孔徑。為了解新方法對材料的去除效果，對工件涂覆導電金膜，再用分辨力10nm的掃描電鏡觀察加工后的表面。

4 試驗結果和討論

4.1 加工效率

圖3是不同加工方法下孔深隨時間的變化曲線。電極采用正弦振動方式。

圖3 孔深隨時間的變化曲線（電極正弦振動）

如圖所示，若采用電極機械振動，加工深度僅為121μm；在工件冷硬條件下，正弦機械振動對工件的沖擊作用有限。常規ECDM 加工深度為281μm；施加電極振動后ECDM 加工孔深度為304μm。加工深度提高8.2%，這不僅歸因于對工件的機械沖擊，電極振動還促使電解液深入加工區而增強火花放電。圖3中，ECDM 在200μm加工深度后，加工速率降到10μm／s以下；而正弦振動電極ECDM 在250μm 加工深度后，加工速率才降到10μm／s以下，說明電極振動能使加工速度保持更長時間。當加工深度小于200μm時，從兩條曲線的陡峭程度看出振動電極ECDM的加工效率較高，但是在200μm 以下，加工速率并沒有明顯的提高。由此可見，正弦振動電極ECDM 雖然能略微提高加工深度，但在流體力學域內的加工效率仍然較低。

圖4是不同加工方法下孔深隨時間的變化曲線。電極振動方式為方波。

圖4 孔深隨時間的t變化曲線（電極方波振動）

如圖所示，若采用方波振動，加工深度為228 μm，相對于正弦振動大幅提高了88.4%，說明方波振動有更強的機械沖擊作用。方波振動電極ECDM 孔深度達到了驚人436μm，比正弦振動電極ECDM 孔深度高43.4%。而436μm 的孔深接近機械振動加工孔深228μm 與ECDM 孔深之和，這一復合加工結果近似于機械沖擊加工與ECDM 的線性疊加。機械振動在材料去除中占有較大的比例，而正弦振動直接產生的材料去除少得多。圖4中，ECDM 在200μm 加工深度后，速率降到10μm／s以下；正弦振動電極ECDM 在250μm 加工深度后，加工速率降到10μm／s以下；而方波振動電極ECDM 能將大于10μm／s的高速保持到330μm 深度。比較圖4中ECDM 曲線和方波振動電極ECDM 曲線不難觀察到，當加工深度小于200μm 時，復合加工效率大大高于ECDM，即在放電域中方波振動顯著提高了加工效率。當加工深度大于200μm 時，方波振動電極ECDM 直到加工深度超過400μm 后，加工速率才減慢。這足以證明，電極的方波振動能大大提高流體力學域內的加工速率。流體力學域內電解液供給不足，溫度低，盡管工具振動能一定程度地幫助電解液深入加工區，但不足以顯著提高材料去除率。在流體力學域內，機械沖擊作為主要的材料去除方式使加工得以延續。

4.2 加工精度

為對比加工精度，比較不同加工方法下的孔徑。試驗測得孔徑均值分別是659，630，662μm，即分別過切159，130，162μm。正弦振動電極ECDM 的尺寸誤差比ECDM 降低18.2%，是由于電極振動促進了電解液深入加工區，提高了排屑效率所致［7］。而方波振動電極ECDM 的尺寸誤差比ECDM 和正弦振動ECDM 分別高出了1.9%和24.6%，且測量值波動大，幾乎是前兩種方法的3倍。所以方波振動電極ECDM 雖然提高了加工效率，但降低了加工精度。

為對比加工精度，比較不同加工方法下的圓度誤差。試驗測得三種加工方法圓度誤差均值分別是57，18，46μm。因此，正弦振動電極ECDM 的圓度誤差比ECDM 低68.4%多，說明該方法具有良好的加工形狀精度，部分原因來自電極振動促進了電解液深入加工區，增加了排屑效率［7］。方波振動電極ECDM 的圓度誤差比正弦振動加工高出155.6%，但是比常規ECDM 低19.3%。

4.3 工藝參數影響

為進一步研究方波振動電極ECDM 中工藝參數對加工效果的影響，對振動頻率和幅值的影響進行工藝試驗研究。圖5反映了電極振動頻率對加工深度的影響。

圖5 電極振動頻率對加工的影響

圖中可見，在（15～150）Hz范圍內，加工深度略有增加；然而在（150～500）Hz的過程中，加工深度由300μm 躍升到550μm。這一結果說明在低頻（＜150 Hz）范圍之內機械沖擊作用不十分顯著；在較高頻率（＞150 Hz）時，機械沖擊作用顯著增強，在500 Hz頻率時達到550μm。在此頻率下，機械沖擊成為材料去除的主要因素。

方波振動電極ECDM 在低頻和高頻范圍之所以有如此大的區別，可能與系統的共振頻率有關。電極振動頻率接近共振頻率時，電極對工件材料的沖擊作用極大地增強，產生大量的材料去除；而當振動頻率遠離共振頻率時，電極對工件材料的沖擊作用弱，致使加工效率變化不顯著。在流體力學域中方波振動電極ECDM 速率仍然得以保持，這是由于機械沖擊作用并不依賴電化學放電效應。在250μm 以上的加工深度時，材料去除幾乎完全依靠機械沖擊。

圖6反應了電極振動幅值對加工的影響。

圖中可見，加工深度隨電極振動幅值增加。振動幅值2μm 時的加工深度為280μm，幅值增大到8μm 時的加工深度可達為380μm，而且這一關系是近似線性的。主要原因是較大的振動幅值導致較大能量輸入，機械的沖擊作用也更強。同時由于電極往復運動的行程增大，對于電解液循環有較大幫助。振幅過大會導致材料表面質量的下降，一般振幅在幾個微米時的材料表面質量可接受。

4.4 關于材料去除機理的討論

利用掃描電鏡分別觀察了正弦振動ECDM和方波振動ECDM 的材料表面。

圖6 工具振動幅值對加工的影響

圖7是正弦振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像。

圖7 正弦振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像

從圖7（a）中看到，加工表面基本完好，沒有裂紋等缺陷。在孔的邊緣有環狀的熱影響層，是火花產生的高溫將玻璃熔化（熔融）后再固化形成的。這說明孔的邊緣區域溫度很高，火花熱蝕是材料去除的方式之一。

如圖7（b）所示，在熱影響層上有許多碎屑，碎屑呈片狀，尺寸在（10～30）μm 左右，厚度僅有幾個微米，它們是被排出加工區后附著在高粘度熔融熱影響層上。說明加工中有材料以機械沖擊成屑的方式去除。

孔的底部加工區如圖7（c），形貌不平整，成層疊狀。孔底觀察到長度約130μm 的層狀碎屑，碎屑的形狀和大小都與熱影響層上的碎屑大不相同，它可能是沒有排除加工區的許多碎屑在加工區溫度和電極的錘擊的雙重作用下，由這些小的碎屑結合而成的。

孔底部的層狀形貌也是這種層狀碎屑重新與工件材料結合而成。這樣，沒有排出加工區的碎屑反復與工件材料結合，使得加工效率明顯降低。這說明除了電解液難以進入加工區導致加工區溫度下降以外，排屑效率的降低也是大加工深度下加工受到抑制的一個重要原因。

圖8是方波振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像。

圖8 方波振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像

從圖8（a）中看到，孔的熱影響層上，同樣粘附了許多碎屑。碎屑呈片狀，尺寸在（10～50）μm 左右，厚度為幾個微米，同樣排出加工區后粘附在熔融熱影響層上。熱影響層上的碎屑的放大圖見圖8（b）。這些碎屑的存在證明了機械沖擊是材料去除方式之一。

孔的底面部分如圖8（c）所示，加工區雖然沒有脆性裂紋，但其表面極不平整。表面中間低，兩邊突起，呈類似“盆地”的形貌，盆地中央較為光滑，而四周突起的表面呈“魚鱗”狀。還不能解釋加工區的這種形貌是如何形成的，但由于電極的振動會在加工區形成周期變化的壓力場，這一形貌有可能跟這種壓力場有關。由于底面上也沒有裂紋、碎顆粒等脆性失效的痕跡，說明這種機械沖擊也是在材料塑性狀態下完成的。

5 結論

本研究通過振動電極提高電化學放電微孔加工效果，經過試驗和分析得出以下結論：

a）正弦振動電極不能顯著提高電化學放電加工效率，但尺寸精度和形狀精度高，適用于精度要求較高的淺孔（小于250μm）加工；

b）方波振動電極電化學放電加工具有極高的加工效率，尤其是在較大深度（大于250μm）下依然能保持；加工在精度和常規電化學放電加工持平，適用于加工精度要求不高的深孔；

c）方波振動電極電化學放電加工深度隨振動幅值線性增大，在（15～150）Hz范圍內，加工深度略有增加；然而在（150～500）Hz的過程中，加工深度由300μm 躍升到550μm；

d）振動電極電化學放電加工的材料去除熱輔助機械振擊、熱輔助化學腐蝕和熱蝕三者的共同作用產生的，在加工深度較大時，材料去除方式主要為材料塑性狀態下的機械沖擊。

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