微小孔的電解加工工藝研究

陳 輝,王玉魁,王振龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

微小孔結(jié)構(gòu)在微小機(jī)械零件加工中占有重要的比重。一般將直徑0.3～1.0mm的孔稱(chēng)為小孔,將直徑＜0.3mm的孔稱(chēng)為微孔。微小孔的應(yīng)用十分廣泛,如燃料噴嘴(內(nèi)燃機(jī))、化纖細(xì)絲噴嘴、醫(yī)用流量計(jì)、噴碼機(jī)噴嘴等的微小孔加工[1]。微小孔的加工方法有機(jī)械鉆削、沖壓、電火花加工、超聲加工、激光加工、電子束加工和離子束加工等。與其他加工方法相比,由于電解加工金屬是以離子形式去除,對(duì)材料的破壞小,幾乎沒(méi)有切削力,很適合金屬材料的微細(xì)加工[2]。

電解加工微小孔的方法有多種。如:掩膜電解加工可在鎳、鉬、不銹鋼等金屬材料上加工微小孔,用于噴墨打印機(jī)噴嘴和MEMS器件[3];噴射電解液電解加工,可在鈦表面快速加工數(shù)百個(gè)孔,在曲面上也能加工出高深徑比的孔,但它的加工精度與掩膜加工相比低很多[4]。

德國(guó)的研究人員采用納秒超短脈沖電源,可把工件上的電化學(xué)反應(yīng)限制在幾微米的范圍內(nèi),為電化學(xué)微細(xì)加工金屬材料奠定了基礎(chǔ)。他們用納秒級(jí)的脈沖電源和直徑10μm的鉑絲,在不銹鋼上加工出十幾微米寬的懸臂梁[5-6]。但需采用鹽酸和氫氟酸溶液,韓國(guó)研究人員采用稀硫酸溶液也取得了較好的效果。超短脈沖電源的應(yīng)用使電解加工精度達(dá)到微米級(jí),且不需要掩膜或其他絕緣處理[7,8]。

1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置

圖1 微小孔及電極加工裝置示意圖

微小孔的電解加工裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括一臺(tái)具有X、Y、Z 3軸聯(lián)動(dòng)的精密運(yùn)動(dòng)機(jī)床,3個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)精度為0.1μm。Z軸上安裝了一個(gè)精密的旋轉(zhuǎn)軸C軸,徑向跳動(dòng)小于1μm。脈沖電源提供高頻窄脈寬的電壓,加載到電極和工件上。傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)加工電壓和電流,當(dāng)電極和工件發(fā)生短路時(shí),將信號(hào)傳給上位機(jī),控制電極回退一段距離。攝像頭負(fù)責(zé)觀察電極和加工后孔的大小。電解槽用有機(jī)玻璃制成,避免被電解液腐蝕,并與工作臺(tái)絕緣。電解液通過(guò)一個(gè)小流量泵循環(huán)流動(dòng)并更新。

微細(xì)電極也是采用電解的方法加工而成,且在同一臺(tái)裝置上加工。微細(xì)電極加工過(guò)程如圖1所示。微細(xì)電極安裝在機(jī)床Z軸上,并接脈沖電源的正極。用一個(gè)不銹鋼片做陰極,接電源的負(fù)極。通過(guò)控制加工電壓和時(shí)間,就能加工出直徑十幾微米的電極。微細(xì)電極選擇直徑0.2mm的鉬絲,在NaOH溶液中用電解的方法加工。加工時(shí),陰極不銹鋼片上有氣泡(H2)冒出,電極在強(qiáng)堿溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),被氧化成MoO3,MoO3和NaOH發(fā)生反應(yīng)生成MO-44離子進(jìn)入溶液,從而鉬絲被溶解。電極和不銹鋼片發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下:

加工微小孔時(shí),只需更換脈沖電源的極性,把電極接電源的負(fù)極,工件接電源的正極,然后更換電解液。工件選擇的是304不銹鋼(0Cr18Ni9),因?yàn)樗奶?、硫、磷等不溶解物質(zhì)含量少,適用于微細(xì)加工。電極表面發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng),生成氫氣;工件表面發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng),生成金屬的氧化物和氫氧化物。微細(xì)電極沿Z軸向下進(jìn)給,在工件上加工出微小孔。在微細(xì)電解加工中,工件與電極之間的定位是保證精度的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在工件安裝固定后,可通過(guò)工件和電極的短路信號(hào)確定電極和工件的初始加工間隙。

2 微細(xì)電極的加工

微細(xì)加工所能達(dá)到的尺度是由其所使用的工具電極決定的,因此微細(xì)電極的制備在微細(xì)加工中非常重要。在微細(xì)電解加工中,工具電極同時(shí)影響著微細(xì)電解加工的精度。通過(guò)選擇合適濃度的NaOH溶液,以及脈沖電源的電壓、脈寬、頻率等參數(shù),能加工出直徑均勻的微細(xì)電極(圖2)。

電極初始直徑為0.2 mm,電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaOH溶液,電源脈沖寬度為1μm,頻率500 kHz,分兩步加工而成。第一步粗加工,先用5 V電壓加工10 min;然后降低電壓,用3 V電壓加工20 min。加工的電極直徑12μm、長(zhǎng)1mm。從電極的局部放大圖可看出,微細(xì)電極直徑均勻,表面光滑。

圖2 電解加工的微細(xì)電極

3 微小孔加工

3.1 電解液對(duì)加工的影響

微小孔電解加工的精度包括孔的圓度、電極和孔的側(cè)面間隙。電解加工不銹鋼時(shí),常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3。 其中 NaCl是非鈍化電解液,NaNO3和NaClO3是鈍化電解液。圖3是分別采用NaCl和NaClO3溶液加工的微小孔。電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4%,電壓6 V,脈沖寬度1μs,脈沖頻率500 kHz。從其加工效果可看出,采用NaCl溶液加工的孔形狀不規(guī)則,且孔的周?chē)忻黠@的雜散腐蝕痕跡。這是因?yàn)镹aCl溶液屬于活化電解液,其Cl-離子的活化能力很強(qiáng),易破壞不銹鋼表面的氧化層,使電解加工的雜散腐蝕十分明顯。所以加工的孔形狀不規(guī)則,且雜散腐蝕嚴(yán)重。而采用NaClO3溶液加工的孔形狀規(guī)則,雜散腐蝕較小。這是因?yàn)镹aClO3是鈍化電解液,它的電解加工效率隨著電流密度的減小而減小,所以加工的孔形狀規(guī)則,雜散腐蝕小。NaNO3溶液和NaClO3溶液加工效果沒(méi)有明顯變化。由于NaClO3溶液是鈍化電解液,它的電解效率不如NaCl溶液,所以在NaClO3溶液中加工速度比在NaCl中慢。

圖3 分別在NaCl和NaClO3溶液中加工的孔

電解加工時(shí),如采用鹽溶液作為電解液,不銹鋼發(fā)生陽(yáng)極溶解的產(chǎn)物是不溶于水的氧化物或氫氧化物。常規(guī)電解時(shí),可用強(qiáng)制沖液的方法將電解產(chǎn)物沖走。由于微小孔電解加工所用的電極直徑很小,電解液的流動(dòng)速度不能太快,否則會(huì)使電極擺動(dòng),甚至折斷。所以電解加工微小孔,特別是深孔時(shí),一般采用酸溶液。酸溶液是非鈍化電解液,加工的孔間隙較大。為了結(jié)合鈍化電解液的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)避免不溶于水的產(chǎn)物對(duì)電解的影響,在鈍化電解液中添加絡(luò)合劑EDTA進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。EDTA是一種金屬離子絡(luò)合劑,能和堿金屬、稀土元素和過(guò)渡金屬等形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物。圖4是分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%H2SO4和3%NaClO3+0.5%EDTA加工的孔。電極直徑為100μm,電源參數(shù)相同,孔的直徑分別是180、135μm?？梢钥闯?在NaClO3+EDTA混合溶液中加工孔側(cè)面間隙小,雜散腐蝕小。說(shuō)明EDTA不會(huì)影響NaClO3的鈍化性能,同時(shí)能溶解陽(yáng)極產(chǎn)物。

圖4 分別在H2SO4和NaClO3+EDTA溶液加工的孔

3.2 電解液濃度對(duì)加工間隙的影響

電解液的濃度主要影響電解液的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率是電解液的固有性能,影響電導(dǎo)率的主要因素有電解液的成分、濃度和溫度。電導(dǎo)率直接影響側(cè)面間隙和電流密度等工藝參數(shù),并最終影響加工精度和加工效率。常規(guī)加工時(shí)為提高生產(chǎn)效率,一般采用高濃度的電解液。而微細(xì)電解加工時(shí),電解液的濃度一般較低,濃度的改變會(huì)引起電導(dǎo)率很大變化。因此,為保證加工精度,要對(duì)濃度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。圖5是不同濃度的電解液對(duì)孔側(cè)面間隙的影響。電源電壓6 V,脈寬1μs,頻率500 kHz,電極進(jìn)給速度12μm/min。實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)降低電解液濃度,在低加工電壓下,側(cè)面間隙可小至十幾微米甚至數(shù)微米。隨著電解液濃度的增加,加工間隙增大,因此,高的電解液濃度不利于微小側(cè)面間隙的形成。但鈍化電解液濃度也不能無(wú)限減小。由于濃度的減小使電流效率和電導(dǎo)率下降,從而使電流密度減小,這就會(huì)使加工速度以接近二次方下降,導(dǎo)致生產(chǎn)率降低。極間歐姆壓降也會(huì)增大,故造成極間熱損加大,且微火花和短路出現(xiàn)幾率加大。

圖5 電解液濃度對(duì)加工間隙的影響

3.3 電壓對(duì)加工間隙的影響

加工電壓是電解加工過(guò)程中可調(diào)的參數(shù)之一,是使電解加工得以進(jìn)行的原動(dòng)勢(shì)能,它克服雙電層的反電勢(shì)和溶液歐姆壓降而建立起必要的極間電流場(chǎng),從而確保達(dá)到所選用的電流密度,其大小隨電極體系分解電壓大小而定。由法拉第定律可知,電化學(xué)加工時(shí),工件溶解的量與通過(guò)的電量成比例。溶解速度由電流密度決定。電流密度與溶液的電導(dǎo)率κ,加工電壓U,極化電壓Upol,加工間隙 s有關(guān)。

不銹鋼在不同的電解液中極化電壓差別很大。在鈍化電解液,它的極化電壓可達(dá)1.5 V,因此,采用鈍化電解液時(shí)需較高的電壓,才能達(dá)到一定的加工速度。實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%H2SO4和3%NaClO3+0.5%EDTA,脈寬1μs,頻率500 kHz。由于采用了較低的加工電壓,所以降低了電極進(jìn)給速度,選擇6 μm/min。由圖6可知,加工電壓越高,側(cè)面間隙就越大,相應(yīng)產(chǎn)生的加工誤差也越大,零件加工精度就越差。因而,微細(xì)電解加工過(guò)程中,在確保滿(mǎn)足所要求的電流密度時(shí),加工電壓盡量取下限。但電壓越低,加工速度越慢,加工時(shí)間越長(zhǎng),側(cè)面間隙反而變大。因此,要選擇合適的加工電壓,保證加工速度。

圖6 電壓對(duì)加工間隙的影響

3.4 脈沖寬度對(duì)加工間隙的影響

脈沖電流電源的頻率和脈寬對(duì)加工間隙的大小也有很大影響。由于高頻、窄脈沖電源的使用,電解反應(yīng)是分時(shí)進(jìn)行的,在很短脈沖時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很少的電解產(chǎn)物極易被溶解,故能大大減少側(cè)面間隙和電解熱的生成。根據(jù)雙電層理論,脈沖寬度的減小可提高加工精度,減小側(cè)面加工間隙。如圖7所示,當(dāng)脈寬小于1μs時(shí),側(cè)面間隙有一個(gè)明顯的減小趨勢(shì)。當(dāng)脈寬較大時(shí),由于雙電層充電時(shí)間對(duì)加工電壓影響較小,因此,側(cè)面加工間隙變化不明顯。

圖7 脈沖寬度對(duì)加工間隙的影響

3.5 孔的一致性實(shí)驗(yàn)

理論上,電解加工的電極是不會(huì)損耗的,只要電極沒(méi)有因短路或意外發(fā)生損壞,電極的直徑是不會(huì)發(fā)生變化的。電解加工的孔一致性較好(圖8),用直徑20μm的電極加工10個(gè)微小孔。電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%NaClO3+0.5%EDTA溶液,電壓6 V,脈寬1μs,頻率500 kHz,加工速度為6μm/min,工件厚度為0.1 mm。通過(guò)測(cè)量,10個(gè)孔的平均直徑為58 μm,孔的直徑差在2μm以?xún)?nèi)。

圖8 孔的一致性實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

通過(guò)采用超短的脈沖電源和合適的電解液,微小孔和微細(xì)電極的加工可在同一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了微細(xì)電極的在線(xiàn)加工, 避免電極的二次裝夾。采用電解加工法, 可在線(xiàn)加工出直徑12 μm 的鉬電極。在鈍化電解液中添加絡(luò)合劑不會(huì)改變鈍化電解液的鈍化性能, 并能溶解陽(yáng)極的電解產(chǎn)物, 避免發(fā)生短路, 提高了加工的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 超短脈沖電壓能明顯減小微小孔加工的側(cè)面間隙, 并保證孔直徑的一致性。

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