微細工具電極在線制作技術(shù)及實驗研究

楊忠高，韓桂海，郭鐘寧

（1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)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(yè)大學 510090）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，微型器件將廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物工程、機械工程、電子工程和航空技術(shù)。微構(gòu)件和微結(jié)構(gòu)加工的研究已成為制造業(yè)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(yōu)點，并且無殘余應(yīng)力和刀具磨損。根據(jù)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(shù)選擇適當時，可以將其用于微加工[1-4]。

本文設(shè)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(tǒng)、兩個回轉(zhuǎn)軸，采用步進電機驅(qū)動各軸互動，可以實現(xiàn)兩個回轉(zhuǎn)軸的展成運動以期實現(xiàn)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(shù)

目前電極在線制作方法主要應(yīng)用于電火花加工技術(shù)中，主要有以下三種：固定塊反拷加工、旋轉(zhuǎn)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(jù)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(xiàn)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(tǒng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(shè)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(zhì)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(guān)，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(tài)，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(zhuǎn)軸相互旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)體類零件的加工。

圖6 U、V回轉(zhuǎn)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(zhì)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(xiàn)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(fā)生短路，從而產(chǎn)生火花放電，損耗工具電極，影響加工精度和表面質(zhì)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(qū)域殘留的雜質(zhì)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(jù)加工情況，對其進行調(diào)整，盡量避免電極間短路情況發(fā)生的次數(shù)。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(qū)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(zhuǎn)跳動因素，所夾持電極的轉(zhuǎn)動軌跡是個橢圓。為了避免加工過程中，兩個電極接觸，導致?lián)p傷，應(yīng)將其中一個電極放置在轉(zhuǎn)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(yīng)控制產(chǎn)生誤判，導致工具電極持續(xù)進給，使工具電極彎曲。為了避免上述情況，應(yīng)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(jié)論

本文進行了微細電極的在線加工技術(shù)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(zhuǎn)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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