電解加工中微細(xì)電極尖端效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究與仿真*

何俊峰，郭鐘寧，連海山，何長(zhǎng)運(yùn)，羅紅平

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

電解加工中微細(xì)電極尖端效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究與仿真*

何俊峰，郭鐘寧，連海山，何長(zhǎng)運(yùn)，羅紅平

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

微細(xì)電極在電解加工中會(huì)產(chǎn)生尖端效應(yīng)，致使加工后的微細(xì)電極為尖錐狀。文章通過(guò)分析微細(xì)電極電解加工的加工原理及制備流程，對(duì)微細(xì)電極與輔助電極之間的相對(duì)位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，有效的改善了微細(xì)電極的尖端效應(yīng)。試驗(yàn)過(guò)程中保持加工電壓與電解液溶度不變，研究微細(xì)電極與輔助電極在不同加工位置對(duì)尖端效應(yīng)的影響。同時(shí)，建立不同電極直徑的有限元分析模型，分析相應(yīng)電極尖端電流密度隨相對(duì)位置變化的規(guī)律。仿真結(jié)果能合理有效的解釋相對(duì)位置的變化對(duì)微細(xì)電極尖端效應(yīng)的影響。

電解加工；微細(xì)電極；電流密度；尖端效應(yīng)

0 引言

在微細(xì)制造業(yè)中，精密微細(xì)零件的廣泛應(yīng)用對(duì)制造工藝提出了全新的要求，只有更細(xì)微、更精確、更節(jié)約的加工方法才能得到人們的青睞，因此各種精密微細(xì)加工方法快速發(fā)展，得到了廣泛地重視和研究[1-2]。目前適合于微細(xì)加工的方法主要有精密微細(xì)電鑄加工、微細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工、微細(xì)超聲加工、微細(xì)激光加工以及微細(xì)車銑削加工等方法[3]。而在微細(xì)加工中，因?yàn)槲⒓?xì)電極的形狀和尺寸精度在很大程度上決定了微細(xì)加工所能達(dá)到的尺寸和精度[4]，因此探索一種制備形狀精度好利用率高的微細(xì)電極的方法是微細(xì)加工的一個(gè)熱點(diǎn)。

微細(xì)電極在線制備技術(shù)對(duì)于精密微細(xì)元件等的加工起到關(guān)鍵作用，目前常見(jiàn)的微細(xì)電極加工方法主要有塊電極電火花磨削(BEDG)、線電極電火花磨削(WEDG)、刃電極電火花磨削(EEDG)、電解腐蝕法以及復(fù)合加工[5-6]，而微細(xì)電解加工具有較高的去除率、高精度、高效率、能加工難加工金屬材料等優(yōu)點(diǎn)[7]，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒓?xì)加工方法。

但是，微細(xì)電解加工在進(jìn)行微電極加工時(shí)，由于受到本身加工原理的影響，容易使工具電極產(chǎn)生“尖錐狀”和“紡錘狀”，較難控制電極的形狀。本文通過(guò)改變工具電極與輔助電極之間的相對(duì)位置，從而達(dá)到改善工具底部尖端效應(yīng)的效果。

1 微細(xì)電極電解加工原理與分析

電解加工微細(xì)電極技術(shù)是一種基于金屬材料在電解液中陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)溶解反應(yīng)的減材加工技術(shù)[8]，在加工過(guò)程中，金屬陽(yáng)極以離子的形式被去除，理論上陽(yáng)極可以達(dá)到微米甚至是納米的精度，表面粗糙度較好。因而使其在微細(xì)加工領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注[9]。圖1為電解加工的原理圖。

圖1 電解加工原理圖

利用電解加工的方法加工電極時(shí)，由于圓柱型工具電極的底部尖端部位的電荷高度集中，使尖端部位電化學(xué)反應(yīng)比其他部位更加劇烈，溶解速度比其他部位更快，所以電極容易在下端形成尖端效應(yīng)，即形成尖錐形電極，如圖2所示。而在使用錐形電極對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，因?yàn)樗鼈冎g產(chǎn)生的加工電場(chǎng)較強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)受到的電化學(xué)腐蝕作用也較強(qiáng)。顯然，這對(duì)鉆孔效果的定域性是不利的[12]。如何減小電解加工微細(xì)電極產(chǎn)生的尖端效應(yīng)，提高微細(xì)電極電解加工精度與材料利用率，具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用研究?jī)r(jià)值。

圖2 尖錐形電極

2 實(shí)驗(yàn)裝備與制備方法

為了實(shí)施微細(xì)電極的電解加工，自行研制了一臺(tái)電解加工的微機(jī)床。電解加工的微機(jī)床如圖3所示，主要包括微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、V塊主軸、有機(jī)玻璃工作液槽和可調(diào)節(jié)直流電源。微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程為100mm× 100mm×10mm，三軸的最小分辨率都為0.1μm。V塊主軸通過(guò)陶瓷管與支撐部分絕緣，通過(guò)滾子引電到工具頭，主軸的回轉(zhuǎn)精度為1μm；V塊主軸安裝在立式滑臺(tái)上。有機(jī)玻璃工作液槽通過(guò)轉(zhuǎn)接板安裝在微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，作為輔助電極的薄銅片通過(guò)雙面膠粘結(jié)固定在工作液槽內(nèi)加工時(shí)。直流電源電壓的調(diào)節(jié)范圍為5V～30V。加工時(shí)，通過(guò)控制立式滑臺(tái)與微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工具電極與輔助電極之間的精確定位。

微細(xì)電極電解加工按以下工藝路線進(jìn)行制作。碳化鎢工具電極通過(guò)ER夾頭固定在V塊主軸上，銅片電極粘結(jié)固定在有機(jī)玻璃工作液槽中的凸臺(tái)側(cè)壁上。通過(guò)控制立式滑臺(tái)與微三維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使銅片電極于工具電極之間的水平距離為10mm間距，工具電極下端相對(duì)與輔助電極下端的距離分別為-5mm、0mm與5mm，三種安裝位置關(guān)系如圖4所示。碳化鎢工具電極接直流電源陽(yáng)極，銅片電極接直流電源的陰極，利用電壓表調(diào)節(jié)電源到15V，接通電源，分別對(duì)三種安裝位置處的碳化鎢工具電極進(jìn)行電解腐蝕，加工后的微細(xì)工具電極如圖5所示。

圖3 電解加工微機(jī)床

圖4 電解加工中工具電極與輔助電極加工位置示意圖

(a)-5mm (b)0mm (c)5mm圖5 三種加工位置電解腐蝕加工后的微細(xì)工具電極

圖6 微細(xì)工具電極仿真的有限元模型

由實(shí)際加工結(jié)果可以看出，圖4 a中所示加工位置電解腐蝕加工后的微細(xì)工具電極尖端效應(yīng)得到了明顯的改善。

3 建模與仿真

分別建立不同直徑的微細(xì)工具電極在三種安裝位置關(guān)系下的有限元模型，圖6為工具電極下端相對(duì)與輔助電極下端的距離為0時(shí)的有限元仿真模型。建模時(shí)工具電極的總長(zhǎng)度為35mm，沒(méi)入電解液部分的長(zhǎng)分別為20mm、25mm、30mm，輔助電極銅片的截面尺寸為0.5mm×20mm，銅片浸沒(méi)于電解液中。工具電極、銅片及電解液的材料參數(shù)如表1所示。用ANSYS有限元仿真軟件分別對(duì)工具電極直徑為φ1mm、φ0.5mm與φ0.1mm進(jìn)行仿真，計(jì)算三種直徑的工具電極在不同安裝位置下所受到的電流密度大小。

由電流密度與場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系表達(dá)式如式(1):

i=κE

(1)

其中：電流密度為i，電導(dǎo)率為κ，電場(chǎng)強(qiáng)度為E。

可知電導(dǎo)率一定時(shí)，電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。因此，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量可用來(lái)反映電流密度的變化量。

各組微細(xì)工具所受的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖7所示。

表1 材料參數(shù)

圖7 微細(xì)工具所受的電場(chǎng)強(qiáng)度

由圖7可知，在保持試驗(yàn)材料、電壓，水平間距不變的情況下，相對(duì)銅片下移5mm的工具電極底部所受電流強(qiáng)度比上移5mm的工具電極明顯減少，極大的改善了微細(xì)電解加工中工具電極的尖端效應(yīng)，根據(jù)圖表顯示，直徑分別為1mm、0.5mm、0.1mm的電極，下移5mm的電極端部電場(chǎng)強(qiáng)度比上移5mm的電極端部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值分別減少54.1%、65.8%、67.4%，表明工具電極越往下移時(shí)，改善尖端效應(yīng)的效果越明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)研究表明，改變工具電極與陰極間的相對(duì)位置，可以有效的改善尖端效應(yīng)對(duì)加工時(shí)的影響；可以預(yù)測(cè)存在某個(gè)位置，使微電極整體形狀、尖端效應(yīng)影響達(dá)到最佳效果。因此，采用微細(xì)電解方法加工微細(xì)工具電極時(shí)，只要使工具電極相對(duì)陰極移動(dòng)一段距離，加工出的微細(xì)工具電極就可以極大地改善尖端效應(yīng)和形狀精度，在進(jìn)行微細(xì)加工時(shí)有更好的定域性，更適合用于微細(xì)加工。

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(編輯 李秀敏)

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Experimental and Numerical Investigation on the Point Effect of Electrochemical Machining

HE Jun-feng, GUO Zhong-ning, LIAN Hai-shan, HE Chang-yun, LUO Hong-ping

(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

For the impact of point effect, the micro-electrode is fabricated as cone shape by ECM. In this paper, based on the fundamental analysis of ECM, the relative position between micro-electrode and auxiliary electrode is properly controlled to efficiently reduce limitation of point effect. For all experiments, the voltage and density of electrolyte are set as constant so that the impact of relative position on the point effect can be comprehensive studied. Meanwhile, FEM models with various diameters are set up as well to theoretically investigate the relation between current density and relative position. It turns out the simulation result agree to experiment well.

electrochemical micromachining; micro electrode; current density; point effect

1001-2265(2014)07-0136-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.039

2013-10-09；

2013-11-13

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1134003)

何俊峰(1989—)，男，廣東梅州人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事特種加工研究，(E-mail)hejunfenghjf@gmail.com。

TH162；TG506

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