超窄脈沖微細(xì)電解銑削加工機(jī)理和成型預(yù)測建模①

李小海， 劉武奇， 孫趙寧， 王新榮， 丁海娟， 張 霞， 王曉霞

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

以“離子”溶解去除金屬材料的電解加工有望成為重要微細(xì)加工方法之一[1～3].本文采用高速旋轉(zhuǎn)的簡單柱狀微細(xì)電極，通過控制其運(yùn)動軌跡和微細(xì)電解加工的工藝參數(shù)，基于超窄脈沖電源，實現(xiàn)微細(xì)電解加工.

1 超窄脈沖微細(xì)電解銑削加工機(jī)理

采用超窄脈沖電源進(jìn)行微細(xì)電解加工，依靠極間的雙電層充放電，形成加工電流，加工區(qū)域具有很好的加工定域性，電流脈沖只持續(xù)很短的時間，而且采用微細(xì)工具電極、低濃度的鈍化電解液和低的加工電壓，所以工件的溶解只發(fā)生在非常靠近微細(xì)電極表面很小的區(qū)域內(nèi)，遠(yuǎn)離微細(xì)工具電極的非加工表面因鈍化層的保護(hù)不被蝕除，實現(xiàn)高定域加工.加工頻率越高，越有利于改善微小加工間隙內(nèi)電場、流場，加工精度也就越高.

在微細(xì)電解銑削加工工藝試驗中，采用低濃度的鈍化電解液，其具有較高的電阻，在超短脈沖電流作用下(20～30μs范圍內(nèi))，能夠獲得較好的尺寸精度和形狀精度，說明在超短脈沖電流微細(xì)電解加工過程中，低濃度鈍化電解液對雙電層充電等效RC電路特性有顯著影響.鈍化電解液在微細(xì)電化學(xué)加工過程中，在工件表面上生成相當(dāng)致密鈍化層，對生成的致密鈍化層性能展開研究，低濃度鈍化電解液會增加電極間雙電層充電等效RC電路電阻R值和充電時間常數(shù)，因此在鈍化電解液中進(jìn)行微細(xì)電解加工，鈍化電解液表現(xiàn)出較好的定域加工效果，可以在微秒、亞微秒級脈沖電流作用下實現(xiàn)加工間隙在5μm以下的加工，且加工電流比以往的采用HCl活性電解液需要的電流大，能獲得較高加工效率和加工精度[4].采用平衡電極法增大微細(xì)電極與電解液之間接觸面積，降低微細(xì)電極與電解液間的壓降，使在較低的加工電壓下在鈍化電解液中實現(xiàn)微細(xì)電解加工，定域加工能力進(jìn)一步加強(qiáng)，將獲得更高加工精度.微細(xì)電解銑削加工由于采用高速旋轉(zhuǎn)的微細(xì)圓柱狀電極作為加工工具，電極帶動含固、液、氣三相流體高速沿周向旋轉(zhuǎn)流動，改善微小加工間隙內(nèi)流場，使加工區(qū)域流場穩(wěn)定的紊流，保持在狹小加工間隙內(nèi)加工條件的一致性，保證加工間隙內(nèi)電解液的電導(dǎo)率、溫度等加工條件不變，陽極溶解一致性好，加工精度提高.另外，生成的微小氣泡渦流場圍繞電極側(cè)壁形成氣膜，降低側(cè)壁雜散腐蝕.

2 微細(xì)電極的轉(zhuǎn)速對電解銑削的影響

在微細(xì)電解加工過程中，加工間隙微小，電解液的沖刷效果遠(yuǎn)不如常規(guī)電解.在超窄脈沖微細(xì)電解加工中，采用高速旋轉(zhuǎn)的電極，改善了加工間隙的流場，降低了濃差極化，電解產(chǎn)物排出容易，也顯著提高了加工效率.微細(xì)電解銑削加工能夠克服微細(xì)成型電解加工中由于加工空間狹小，電解液不流暢而使電解產(chǎn)物難以排除的問題，有利于將加工過程中產(chǎn)生的電解熱和氣體排除，不易出現(xiàn)微火花和短路現(xiàn)象，加工穩(wěn)定性好，改善了極間流場.電極高速旋轉(zhuǎn)有利于電解過程中產(chǎn)生的氫氣在電極周圍形成氣膜，起屏蔽作用，減少電解雜散腐蝕.選擇工件厚度為100μm不銹鋼片，電解液為30g/L的Na-ClO3，加工電壓為5.5V，電極轉(zhuǎn)速與加工效率的關(guān)系如圖1所示.

圖1 電極轉(zhuǎn)速與加工速度關(guān)系工藝試驗

加工過程中，高速旋轉(zhuǎn)電極帶動間隙中的電解液形成高速旋轉(zhuǎn)的微渦流流場，漩渦流有利于物質(zhì)傳遞，優(yōu)化微細(xì)加工間隙流場，具有足夠流速的電解液能及時將加工區(qū)的氫氣、金屬氫氧化物等電解產(chǎn)物和熱量帶走.通過改變電極轉(zhuǎn)速，對加工間隙中電解液流動狀況進(jìn)行改善，轉(zhuǎn)速越快，流場越流暢，陽極溶解速度就越快.由于微細(xì)電極的高速旋轉(zhuǎn)，在微細(xì)電極周圍電解液均勻分布，在微小加工區(qū)內(nèi)電解液流動穩(wěn)定，有助于提高微細(xì)電解加工的穩(wěn)定性，獲得高的成型精度和加工表面質(zhì)量，降低濃差極化，提高加工速度，減少微火花和短路的發(fā)生.由于電解液是有粘性的，旋轉(zhuǎn)的工具電極是通過微細(xì)電解加工制作的，表面光滑，所以與電解液之間摩擦力小，形成的微渦流流場區(qū)域小，有利于減小加工間隙，電極旋轉(zhuǎn)能帶動電解液在微小加工間隙內(nèi)流動，有助于將電解產(chǎn)物順利地排除.高轉(zhuǎn)速的電極雖然對電解產(chǎn)物的排除有利，但是電極轉(zhuǎn)速的選擇范圍是受限制的，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，微細(xì)電極在離心力作用下，發(fā)生電極抖動，旋轉(zhuǎn)精度變差，從而影響加工精度，因此不易采用過高轉(zhuǎn)速來提高加工效率，本文采用旋轉(zhuǎn)速度為7000 r/min為宜.

3 微細(xì)電解銑削加工側(cè)面成型的預(yù)測建模

微細(xì)電解銑削加工中，高速旋轉(zhuǎn)微細(xì)電極使得在狹小加工間隙內(nèi)電極間的電解液快速流動，加工間隙內(nèi)的電解液的電導(dǎo)率在加工過程中保持穩(wěn)定.工具電極材料采用勻質(zhì)的銀鎢合金.在微細(xì)電解加工中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物相對電解池的電解液來說微乎其微，且電解液循環(huán)流動，所以在加工過程中電解液成分不變.在超窄脈沖電流電解銑削加工中，加工間隙內(nèi)的極間電場是準(zhǔn)靜態(tài)的，為了預(yù)測使用簡單圓柱狀微細(xì)電極的側(cè)面進(jìn)行電解加工微細(xì)三維結(jié)構(gòu)的形狀，下面建立一個數(shù)學(xué)模型描述利用簡單圓柱狀工具電極加工工件側(cè)面成型，在工件上建立坐標(biāo)OXYZ，如圖2所示.假設(shè)在某一時刻t被電解銑削加工工件形成的側(cè)面有一個點(diǎn)O，該位置可以用下式來表達(dá):y=y(x，z，t).

圖2 用簡單圓柱電極微細(xì)電解銑削加工微結(jié)構(gòu)側(cè)面成型預(yù)測建模坐標(biāo)系

圖3

依據(jù)法拉第定律和歐姆定律，在工件側(cè)面給定的點(diǎn)O:y=y(x，z，t)對時間求導(dǎo)，得成型加工速度:

加工初始，即t=0時，被加工側(cè)面初始空間O點(diǎn)位置可以表示為:

設(shè)φ是微細(xì)電解銑削加工中電解液中某點(diǎn)的電勢，它是與位置相關(guān)的一個函數(shù)，即φ=φ(x，y，z).根據(jù)Laplace公式，加工間隙電解液不同位置的電位能夠確定，利用法拉第定律和歐姆定律確定加工間隙內(nèi)電解液中某點(diǎn)的電流密度.在微細(xì)電解銑削加工中生成的氣體和電解熱假設(shè)不影響電解液的電導(dǎo)率，那么側(cè)面成型的邊界條件和加工間隙某點(diǎn)的電流密度:

其中:J為電流密度;κe為電解液的電導(dǎo)率.

在普通電解加工過程中，在陽極和陰極表面的邊界條件如下:陽極電勢φ=V，陰極電勢φ=0，V是陰極和陽極所加電壓.在超窄脈沖微細(xì)電解加工過程中，由電極極化引起的超電壓是重要影響因素之一，根據(jù)不同極化的原因，通常將極化分為濃差極化、電化學(xué)極化和電阻極化.電極極化所引起的總極化電壓等于以上各類超電壓之和.當(dāng)微細(xì)電解加工中，加工間隙小于0.01mm，極化過電壓是一個關(guān)于電流密度的函數(shù)，而非一個常數(shù)，會顯著影響微細(xì)電解加工的表面成型.因此，在微細(xì)電解加工過程中陰極和陽極電勢的邊界條件如下所示:陰極為 φ =f(J，t);陽極為 φ =V－g(J，t).

式中f(J，t)和g(J，t)是在微細(xì)電解加工中關(guān)于陰極和陽極的極化過電壓函數(shù)，是由兩個電極間的濃差極化過電壓和電化學(xué)極化過電壓的總和決定其大小[5].

式(1)～(4)給出了工件和工具電極的相對運(yùn)動關(guān)系.通過采用有限差分法能夠解出這些偏微分方程.當(dāng)選定一個足夠小的時間段Δt時，可視為在這個時間段Δt內(nèi)的電場和電流密度在側(cè)面加工微小加工區(qū)域內(nèi)是不變的，先確定這個已知的界面成型后，采用迭代算法，再確定下一個時間段t+Δt的成型邊界，如此迭代，即可預(yù)測整個邊界的成型.該成型預(yù)測數(shù)學(xué)模型將為下一步進(jìn)行的微細(xì)電解銑削加工成型仿真奠定基礎(chǔ).

4 分層微細(xì)電解銑削加工試驗

在300μm厚的304不銹鋼上微細(xì)電解銑削加工微螺旋梁.加工條件:工具:?50μm的銀鎢電極;進(jìn)給速度:80μm/min;電極的旋轉(zhuǎn)速度:7000r/min;加工電參數(shù):電壓 5.0V，脈沖頻率 13kHz，脈沖38μs;電解液:濃度為30g/L的NaClO3溶液.依據(jù)成型預(yù)測模型，可以得到加工尺寸、形狀精度一致性好的微螺旋梁，如圖(3)所示.

5 結(jié)論

利用超窄脈沖電源、低濃度NaClO3電解液，實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)電解銑削加工，并對其加工機(jī)理進(jìn)行分析，建立了成型預(yù)測模型，并加工出典型樣件，證實了微細(xì)電解銑削加工的成型預(yù)測建模的正確性，為探索MEMS復(fù)雜器件加工提供了一個有效手段.

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