場致射流微細放電加工實驗研究

韓 寧，張亞歐，趙萬生

（上海交通大學機械與動力工程學院/機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

隨著各種微機電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，微細加工技術(shù)受到了越來越廣泛的重視[1]，電火花加工以其獨特的優(yōu)勢在微細加工領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。為了獲得更小的加工尺度就必須采用更小的工具電極，目前在實際應(yīng)用中已能加工出直徑1 μm左右的工具電極[2-3]；但若要加工出更小尺寸的工具電極，其難度依然很大。同時，在微細電火花加工過程中，不可避免的會出現(xiàn)微細工具電極的損耗，這勢必會影響工件的尺寸精度和表面形貌精度[4]。為了保證加工精度，必須對微細工具電極進行補償，這也是目前微細電火花加工中的熱點和難點之一[5-6]。

在納米放電加工中，使用的實驗平臺通常基于掃描探針顯微鏡搭建，利用具有納米尺度的探針針尖作為工具電極對工件進行加工，其成本較高，且加工能力因探針尖端極易損耗而下降極快，這些都制約了納米放電加工走向?qū)嶋H應(yīng)用[7-9]。

針對制約微細電火花加工發(fā)展的這些關(guān)鍵因素，趙萬生等提出了場致射流微細放電加工（electrostatic field-induced jet micro EDM）[10]。 該方法以場致感應(yīng)微細射流作為工具電極，每次放電之后，原工具電極消失，而新的工具在下次放電之前重新形成；理論分析顯示，電極直徑最小可達1 μm以下，且每次放電電極尺寸相同，因此不存在電極損耗與補償問題。為進一步理解場致射流微細放電加工的工藝特性，本文通過實驗分析了不同極性下的加工機理，得到了噴管內(nèi)徑、極間距離、極間電壓和工作液濃度等對單次放電蝕坑直徑的影響，并加工出微細溝槽，以進一步證明其加工能力。

1 場致射流微細放電加工實驗

1.1 實驗裝置

場致射流微細放電加工實驗裝置見圖1。主要由注射器、點膠針頭、工件、高壓電源及支撐臺架組成。工件被固定在運動平臺上，注射器和針頭被固定在另一側(cè)的夾具上，其間接入直流高壓電源形成強電場，以誘導產(chǎn)生場致射流并實現(xiàn)放電加工。

圖1 場致射流微細放電加工實驗裝置示意圖

1.2 實驗條件

本實驗選用單晶拋光硅片作為工件，這是由于硅是微機電系統(tǒng)的重要材料，同時具有表面平整光滑、易觀察所加工蝕坑的微觀形貌特征的優(yōu)點。選用NaCl溶液作為場致射流微細放電加工的加工介質(zhì)。直流高壓電源選用SL-30P30型，其輸出電壓值在0～30 kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 極性對場致射流微細放電加工的影響

根據(jù)前期研究，實驗選用的加工參數(shù)如下：極間電壓為2.5 kV，加工介質(zhì)為2%的NaCl溶液，調(diào)節(jié)極間距離直至噴管出口處出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，分別將工件連接至直流高壓電源的輸出端和接地端。

圖2a是在正極性加工時的放電蝕坑形貌。可看出，被去除的工件材料附著在蝕坑周邊，這是由于場致射流與工件之間的空氣被擊穿，產(chǎn)生了火花放電現(xiàn)象，工件表面材料受熱熔化被拋出所致[11]。同時，在該加工條件下也發(fā)現(xiàn)如圖2b所示的蝕坑，這是由于局部的電化學反應(yīng)作用于工件表面所導致的。當初始帶有電荷的場致射流從泰勒錐尖端噴射出來直至到達工件表面時，由于火花放電不充分，而在工件表面存在部分工作液的殘余，此時正負極之間導通，在陽極工件上發(fā)生了電化學反應(yīng)，從而造成了工件表面材料的蝕除，這可從蝕坑底部及周圍的結(jié)構(gòu)中看出。由文獻[12]可知，此蝕坑形貌與典型電化學加工表面微觀形貌是一致的[12]。

圖2 正極性加工放電蝕坑

在負極性加工時，工件表面僅存在如圖3所示的蝕坑，仔細觀察其SEM圖形可發(fā)現(xiàn)，在其蝕坑底部和周邊均存在工件材料的殘留和堆積。故其加工機理與圖2a所示相同，均為電火花放電蝕除。

圖3 負極性加工放電蝕坑

2.2 噴管內(nèi)徑對單次放電蝕坑直徑的影響

為研究不同的噴管內(nèi)徑對單次放電蝕坑直徑的影響，選取加工參數(shù)如下：極間電壓為2.5 kV，極間距離為1 mm，加工介質(zhì)為20%的NaCl溶液，分別選用內(nèi)徑為 60、110、160、210、260 μm 的噴管進行實驗。此實驗及后續(xù)實驗均在正極性下進行，為了獲得單次放電蝕坑，實驗中需保證工件在垂直于噴管軸線方向上有一定的相對移動速度。

從圖4可發(fā)現(xiàn)，噴管內(nèi)徑與蝕坑直徑之間無明顯關(guān)系。這是由場致射流微細放電加工的原理所決定的，該加工方法依靠場致射流與工件之間的放電來去除材料，而液體泰勒錐的場致射流直徑并不依賴于噴管內(nèi)徑[10]，且在相同的極間電壓下，射流尖端所感應(yīng)出的電荷量差別不大，單次放電能量也差別不大，故噴管內(nèi)徑與蝕坑直徑之間無明顯關(guān)聯(lián)。

由于噴管內(nèi)徑的不斷增大，起始加工電壓也隨之增大，因此，為更容易實現(xiàn)放電加工，實驗選用的噴管內(nèi)徑應(yīng)盡量??；但內(nèi)徑也不能無限地小下去，否則會導致噴管堵塞，造成工作液自動供給出現(xiàn)困難，無法實現(xiàn)對工件的持續(xù)放電加工。

圖4 不同噴管內(nèi)徑對單次放電蝕坑直徑的影響

2.3 極間距離對單次放電蝕坑直徑的影響

為研究極間距離對單次放電蝕坑直徑的影響，選取加工參數(shù)如下：極間電壓為2.5 kV，加工介質(zhì)為20%的 NaCl溶液，噴管內(nèi)徑為160 μm，分別在極間距離為 0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mm 時進行實驗，結(jié)果見圖5。

隨著極間距離增大，蝕坑直徑呈現(xiàn)出減小的趨勢。根據(jù)文獻[13]可知，穩(wěn)態(tài)射流的直徑會隨著極間距離的增大而變大，這是由于隨著極間距離增大，泰勒錐射流區(qū)域的電場強度減小，射流所受到的拉伸作用隨之減弱所致；同時，隨著極間距離增大，場致射流表面所帶的電荷密度減小[14]，其與工件之間的放電能量也減小。因此，在上述二因素的作用下，所加工出的蝕坑直徑呈現(xiàn)出減小的趨勢。

圖5 不同極間距離對單次放電蝕坑直徑的影響

2.4 極間電壓對單次放電蝕坑直徑的影響

極間電壓也是影響場致射流微細放電加工的重要因素之一。本實驗選取加工參數(shù)如下：極間距離為1 mm，加工介質(zhì)為20%的NaCl溶液，噴管內(nèi)徑為160 μm。選取不同的極間電壓進行實驗，結(jié)果見圖6。當極間電壓為1.5 kV時，工件表面無明顯的放電蝕坑；當極間電壓從2.0 kV增加到3.5 kV時，工件表面均產(chǎn)生典型的放電蝕坑，蝕坑直徑從3.07 μm增加到10.33 μm，呈現(xiàn)出增加的趨勢。這是因為隨著極間電壓的增加，噴管出口處的工作液表面電荷密度也隨之增加[14]，導致放電能量增加；同時，由于泰勒錐尖端液體所受到的力增加，射流受到的拉伸作用增加，射流直徑呈現(xiàn)出減小的趨勢[15]。在此二因素的作用下，蝕坑直徑呈現(xiàn)出增大的趨勢。結(jié)合2.3節(jié)的分析可知，場致射流直徑并不是影響單次放電蝕坑直徑的決定性因素，而放電能量則是影響單次放電蝕坑直徑的決定性因素。

圖6 不同極間電壓對單次放電蝕坑直徑的影響

2.5 工作液濃度對單次放電蝕坑直徑的影響

本實驗選取的加工介質(zhì)分別為10%、20%和30%的NaCl溶液，其他加工參數(shù)如下：極間距離為1 mm，極間電壓為3.0 kV，噴管內(nèi)徑為160 μm。從圖7所示的曲線可看出，隨著工作液濃度的增加，蝕坑直徑從3.3 μm增加到9.45 μm，呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。其原因分析如下：不同濃度的溶液，其粘度、導電性能各有不同，而液體的粘度、導電性能會對泰勒錐的形成及其射流產(chǎn)生很大的影響。對于本實驗所選取的NaCl溶液，隨著其濃度的增加，粘度、液體表面張力均增加，在射流形成過程中所要克服的表面張力隨之增加，故射流直徑增加[16]；電導率增加導致電荷移動速度加快，射流被拉伸的程度減弱，從而使射流直徑增加[13]。同時，泰勒錐尖射流所帶的電荷也會隨之增加，使放電能量增加，所以蝕坑直徑呈現(xiàn)出增大的趨勢。

圖7 不同溶液濃度對單次放電蝕坑直徑的影響

3 溝槽加工實驗

為了研究場致射流微細放電加工的連續(xù)加工能力，進行了溝槽加工的實驗。使用自主搭建的高精度運動控制平臺,以保證在加工過程中噴管與工件的恒速相對運動。實驗所選加工參數(shù)見表1，并加工出如圖8所示的微細直線溝槽，其放大倍數(shù)均為3000倍，標尺為1 μm。從圖8可看出，兩條溝槽的寬度均約 1 μm，長度約 5 μm。

表1 場致射流微細放電加工加工參數(shù)

圖8 場致射流微細放電加工溝槽微觀形貌

上述實驗充分證明了場致射流微細放電加工所具備的成形加工能力。目前所能達到的加工尺度在微米及亞微米級別，已能實現(xiàn)對工件表面微量材料的有效連續(xù)去除。

4 結(jié)論

本文通過實驗研究了場致射流微細放電加工單晶硅的能力，得到以下結(jié)論：

（1）對于場致射流微細放電加工，在不同極性下的加工機理有所不同。在正極性加工時，蝕坑在充分放電時是由電火花放電加工而成，而在工件表面存在電解液時，易出現(xiàn)電化學蝕除和電火花蝕除的共同作用；在負極性加工時，蝕坑僅僅是電火花蝕除作用的結(jié)果。

（2）場致射流微細放電加工單次放電蝕坑直徑受噴管內(nèi)徑的影響不大，但隨著極間距離的增加而減小，隨著極間電壓的增加而增大，隨著工作液濃度的增加而增大。

（3）在硅片表面加工出寬約 1 μm、長約 5 μm的微細溝槽，充分證明了場致射流微細放電加工這一新型加工方法在微納加工領(lǐng)域所具有的潛力和前景。

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