微細(xì)盤狀電極制備及其微細(xì)電解加工研究

何志偉，王明環(huán)，張 力，許雪峰

（浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造及先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不論在軍工還是在民用領(lǐng)域，精密化已成為工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，而深微小孔、微小零件是精密化過(guò)程中的必然需求。同時(shí)，微細(xì)電化學(xué)加工方法的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越突出，如：無(wú)工具磨損，無(wú)切削應(yīng)力，表面質(zhì)量好，且不必考慮待加工材料的硬度、脆性等，使其近年來(lái)在微細(xì)加工領(lǐng)域的地位越來(lái)越重要。作為微細(xì)電化學(xué)加工中最重要的組成部分，微細(xì)工具電極的制備是一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。尤其在加工復(fù)雜型腔時(shí)，需制備形狀復(fù)雜的工具電極，但目前電化學(xué)腐蝕法只局限于加工形狀較簡(jiǎn)單的微細(xì)電極。

利用微細(xì)電化學(xué)加工方法電解加工微小孔時(shí)，為控制小孔尺寸，需采取措施減小側(cè)壁加工間隙及型孔錐度；而較小的側(cè)壁加工間隙會(huì)阻礙加工區(qū)域電解液的更新，影響加工精度，甚至?xí)鸲搪罚瑢?dǎo)致加工無(wú)法進(jìn)行。尤其在加工深微小孔時(shí)，問(wèn)題更突出。為解決微細(xì)電解加工過(guò)程中電解液更新困難及型孔錐度的問(wèn)題，學(xué)者們做了大量研究。謝巖甫等[1]采用端面絕緣的方法制備出倒錐狀微細(xì)電極，即桿身尺寸小于端面直徑的電極，以提供較大的通道，有利于電解液更新。劉勇等[2]利用電火花放電加工的方法加工出端部為球狀的微細(xì)電極，在增大電解液更新通道的同時(shí)，減小了型孔錐度。Rathod[3]、Kim[4]分別利用電化學(xué)腐蝕和電火花加工的方法，加工出微細(xì)盤狀電極。王明環(huán)[5]利用螺旋電極電解加工微小孔，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋電極大大加快了加工區(qū)域電解液的更新速度。Park等[6]以側(cè)面絕緣的方法減小了型孔錐度。

基于以上分析，本文研究提出了一種盤狀微細(xì)電極的制備方法。該方法利用絕緣材料保護(hù)預(yù)留的盤狀部分尺寸不變，而未經(jīng)絕緣保護(hù)的桿身部分逐漸被腐蝕變細(xì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，制備出形狀尺寸良好的微細(xì)盤狀電極，并結(jié)合圓柱電極，在厚1 mm的304不銹鋼片上進(jìn)行電解加工微小孔的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以此證明微細(xì)盤狀電極比微細(xì)圓柱電極具有更大的優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用電化學(xué)反應(yīng)原理制備微細(xì)盤狀電極。采用直流電源作為電化學(xué)加工用電源，以碳化鎢棒作為陽(yáng)極連接電源正極，金屬塊作為陰極連接電源負(fù)極，以NaOH溶液作為電解液。陽(yáng)極在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不斷溶解并進(jìn)入溶液，而陰極金屬塊上不斷產(chǎn)生H2。當(dāng)對(duì)陽(yáng)極碳化鎢棒端部進(jìn)行絕緣保護(hù)后，該部位不再參與電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，端部尺寸保持不變，并逐漸發(fā)展成為“盤狀”；而未進(jìn)行絕緣保護(hù)的部分則在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中不斷溶解變細(xì)，最終成為微細(xì)盤狀電極的“桿身”部分。相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)方程式為：

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，包括運(yùn)動(dòng)控制、加工電源、電解液系統(tǒng)等部分。運(yùn)動(dòng)控制部分由計(jì)算機(jī)控制，運(yùn)動(dòng)指令由計(jì)算機(jī)發(fā)出并傳輸給運(yùn)動(dòng)控制卡，控制卡在接到指令后控制電極的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)。機(jī)床主軸可實(shí)現(xiàn)Z方向的移動(dòng)及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)可實(shí)現(xiàn)X、Y方向的移動(dòng)。電源系統(tǒng)中包含精密電流傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工電路中的電流、電壓等電信號(hào)的檢測(cè)；電源系統(tǒng)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)串聯(lián)在加工電路中，該電子開(kāi)關(guān)具有短路保護(hù)作用，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路時(shí)，電子開(kāi)關(guān)可自動(dòng)斷開(kāi)電路，起到保護(hù)電路的作用。電解液系統(tǒng)包括電解液容器、水泵及過(guò)濾器等，能為本實(shí)驗(yàn)提供電化學(xué)反應(yīng)所需的電解液。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 微細(xì)盤狀電極的制備

首先，采用平板陰極方法制備圓柱狀電極，通過(guò)對(duì)加工工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)控制圓柱狀電極尺寸。然后，在高速攝影儀觀測(cè)下，控制機(jī)床主軸向下進(jìn)給，電極端部浸入光固化樹(shù)脂中一定深度，該深度決定了“盤”的高度；再將端部涂有光固化樹(shù)脂的電極置于紫外線下照射2 min，將樹(shù)脂固化，絕緣完成。接著，將絕緣后的電極重新置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mol/L的NaOH溶液中進(jìn)行腐蝕，未絕緣的部分逐漸腐蝕變細(xì)，成為盤狀電極的桿身部分，而經(jīng)絕緣處理的電極端部直徑不變，即成為盤狀電極的“盤”部分。最后，取出電極，去除末端絕緣層，并置于清水中進(jìn)行超聲波清洗2 min。圖2是采用表1所示參數(shù)加工制備的盤狀電極，可見(jiàn)電極端部凸臺(tái)明顯。當(dāng)陰極形狀為柱面時(shí)，可制得微細(xì)盤狀群電極（圖3）。

表1 制備圓柱狀電極的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 微細(xì)盤狀電極

圖3 微細(xì)盤狀群電極

3 微細(xì)盤狀電極電解加工微小孔實(shí)驗(yàn)

3.1 圓柱狀、盤狀微細(xì)電極電解加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)

相同尖端直徑尺寸的盤狀電極與圓柱電極在加工孔時(shí)，工具電極尖端所對(duì)應(yīng)加工區(qū)域的側(cè)面間隙是一致的；而盤狀電極的桿身直徑尺寸比其端面尺寸小，故已加工區(qū)域的側(cè)面間隙相對(duì)于圓柱電極加工時(shí)的側(cè)面間隙有望減小。

實(shí)驗(yàn)采用直流電源作為電解加工用電源，以NaNO3溶液作為電解液。由于電解反應(yīng)會(huì)不斷產(chǎn)生Fe(OH)3沉淀，其帶正電，將吸附于陰極工具表面，故加入少量的HNO3以溶解電解產(chǎn)物Fe(OH)3，提高電解加工的穩(wěn)定性。圓柱電極直徑為217 μm；盤狀電極的桿身直徑為111 μm，盤狀直徑為270 μm；陽(yáng)極為304不銹鋼片，厚為1 mm。加工參數(shù)見(jiàn)表2。

采用圓柱狀工具電極電解加工孔時(shí)，由于加工時(shí)間不同，進(jìn)口處的加工時(shí)間遠(yuǎn)大于出口處，所以進(jìn)口處的孔徑尺寸大于出口處，即加工出的型孔存在一定的錐度。圖4是采用圓柱電極加工出的型孔剖面圖，孔入口尺寸為570 μm，孔出口尺寸為406 μm，孔錐度為0.16。當(dāng)采用盤狀工具電極時(shí)，加工出的孔入口尺寸為533 μm，孔出口尺寸為449 μm，孔錐度為0.08（圖5）?？梢?jiàn)，盤狀電極有助于減小電極側(cè)面對(duì)型孔側(cè)壁的影響，減小型孔錐度，有效改善加工定域性。

表2 直流電源電解加工參數(shù)

圖4 圓柱電極電解加工出的孔

圖5 盤狀電極電解加工出的孔

3.2 盤狀微細(xì)電極電解加工實(shí)驗(yàn)

在微細(xì)電化學(xué)加工中，有眾多因素會(huì)影響型孔尺寸及錐度，如：電源種類（直流、脈沖）、加工電壓、電解液種類及濃度、陰極工具進(jìn)給速度、脈沖頻率及占空比等，因此可通過(guò)控制加工參數(shù)、以微細(xì)盤狀電極作為工具陰極，改善電解加工效果。

3.2.1 加工電壓對(duì)孔徑尺寸的影響

分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaNO3和5%的Na-ClO3兩種溶液中以不同的電壓進(jìn)行電解加工實(shí)驗(yàn)。采用的盤狀工具電極的盤狀直徑為270 μm。

由圖6所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同條件下，型孔孔徑隨加工電壓的降低而逐漸減小，不論是在NaNO3還是在NaClO3電解液中，當(dāng)電壓降低至6 V時(shí)，孔徑尺寸都有一定程度的下降。圖7是在不同電解液中、加工電壓為6 V時(shí)的型孔電鏡圖片?？煽闯?，采用NaClO3溶液作為電解液時(shí)，電解加工的定域性有明顯改善，且孔徑尺寸也有大幅減小。

圖6 孔徑隨電壓的變化趨勢(shì)

圖7 不同電解液加工出的孔

3.2.2 電解液對(duì)孔徑尺寸的影響

選用6 V電壓，在不同種類和濃度的電解液下進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，研究不同電解液對(duì)孔徑尺寸及孔錐度的影響規(guī)律。主軸進(jìn)給速度為60 μm/min。

由圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著電解液濃度的下降，孔徑尺寸逐漸減小，即加工間隙逐漸減小。當(dāng)電解液濃度降至3%時(shí)，以NaNO3溶液為電解液加工的孔的平均側(cè)面間隙減小到93 μm，以NaClO3溶液為電解液加工的孔的平均側(cè)面間隙減小到63 μm，孔錐度分別為0.098和0.08。

圖8 孔徑隨電解液濃度的變化趨勢(shì)

3.2.3 電解液對(duì)孔錐度的影響

對(duì)不同濃度的電解液所加工的孔錐度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)圖9?？煽闯觯捎肗aNO3電解液時(shí)，孔錐度隨著電解液濃度的增大而減?。徊捎肗aClO3電解液時(shí)，孔錐度隨著電解液濃度的增大而增大。這是由于當(dāng)采用NaClO3電解液時(shí)，側(cè)壁加工間隙比采用NaNO3電解液時(shí)小，其加工區(qū)域的電解液更新速度較慢；隨著電解液濃度的增加，其出口處的孔徑尺寸比采用NaNO3電解液時(shí)增加較小。

圖9 孔錐度隨電解液濃度的變化趨勢(shì)

進(jìn)一步減小側(cè)面加工間隙和錐度，以脈沖電源作為電解加工用電源，選用3%的NaClO3溶液作為電解液，加工參數(shù)見(jiàn)表3。圖10是采用脈沖電源加工孔的電鏡圖?？梢?jiàn)，其進(jìn)口處的孔徑為409 μm，出口處的孔徑為369 μm，錐度為0.04。因此，采用盤狀工具電極、脈沖電流電解加工，能有效降低孔的錐度，提高加工性能。

表3 脈沖電源電解加工參數(shù)

圖10 脈沖電源加工的孔

3.3 盤狀微細(xì)群電極電解加工實(shí)驗(yàn)

當(dāng)要求在工件上加工群孔時(shí)，若用單個(gè)電極加工，則加工效率略顯低下；而采用群電極加工時(shí)，加工效率可提高數(shù)倍。

在使用群電極進(jìn)行電解加工的過(guò)程中，由于電極表面積增加，雙電層充電速度比使用單個(gè)電極時(shí)慢，因而在使用脈沖電源加工時(shí)，群電極的實(shí)際電勢(shì)也比使用單個(gè)電極時(shí)低[4]。圖11是在不同電壓下加工出的群孔。陽(yáng)極工件厚度為1 mm，其他加工參數(shù)見(jiàn)表3。

由圖11可看出，當(dāng)電源電壓為13 V時(shí)，群孔平均直徑最大，約280 μm；當(dāng)電壓降至12 V時(shí)，平均孔徑最小，約480 μm；當(dāng)電壓降至11 V時(shí)，加工過(guò)程開(kāi)始出現(xiàn)短路，孔的加工質(zhì)量下降，但加工仍可進(jìn)行下去；繼續(xù)調(diào)整電壓至10 V時(shí)，加工過(guò)程頻現(xiàn)短路，導(dǎo)致加工無(wú)法正常進(jìn)行。

圖11 不同電壓時(shí)加工的群孔

4 結(jié)論

用電化學(xué)腐蝕的方法加工出微細(xì)盤狀電極，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了盤狀電極在加工微小孔方面優(yōu)于柱狀電極。以盤狀電極為工具電極，研究了不同加工參數(shù)對(duì)孔徑尺寸、側(cè)壁加工間隙、加工定域性及孔錐度的影響。減小電壓或降低電解液濃度都會(huì)減小孔徑尺寸及側(cè)壁加工間隙；以脈沖電源為電解加工用電源、輔以盤狀工具電極，加工定域性、孔錐度都得到明顯改善，孔徑尺寸及側(cè)面加工間隙有不同程度的減小。最后利用微細(xì)盤狀群電極為陰極工具加工群孔，研究了不同加工電壓條件下的加工結(jié)果，結(jié)果證明當(dāng)電壓為12V時(shí)加工結(jié)果最為理想。

[1] 謝巖甫，劉壯，陳偉，等.電化學(xué)腐蝕法制備倒錐狀微細(xì)電極的實(shí)驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2011（1）：18-22.

[2] Liu Yong，Zhu Di，Yu H，et al.Development ofmicro electrodes for electrochemical micro machining[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，55（1-4）：195-203.

[3] Rathod V，Doloi B，Bhattacharyya B.Parametric investigation into the fabrication of disk microelectrodes by electrochemical micromachining[J].Journal of Micro and Nano Manufacturing，2013，1（4）：1-11.

[4] Kim B H，Park B J，Chu C N.Fabrication of multiple electrodes by reverse EDM and their application in micro ECM[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16：843-850.

[5] 王明環(huán).微細(xì)電解加工實(shí)驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[6] Park B J，Kim B H，Chu C N.The effects of tool electrode size on characteristics of micro electrochemical machining[J].Annals of CIRP，2006，55（1）：197-200.