基于力反饋控制進給的電化學放電加工方法

孫艷琪，唐偉東，康小明

（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）

電化學放電加工（electrochemical discharge machining，簡稱ECDM）是一種針對絕緣硬脆材料的有效微細加工方法，于1968年由日本學者首次提出并應用于玻璃加工[1]。相比于超聲、激光等加工方式，電化學放電加工有更好的加工柔性，能加工復雜的二維、三維結構，是一種很有潛力的絕緣硬脆材料加工方法。然而，ECDM是一個受多種因素影響的復雜加工過程，距離工業(yè)應用仍有很長的路要走。國內外學者對ECDM的加工機理和特性進行了研究，通過改變工具電極特性、改善電解液、研究氣膜規(guī)律等提高了ECDM的加工效率和質量。

加工進給方式是影響電化學放電加工的重要因素。目前常用的兩種方式是恒速進給和重力進給。在恒速進給中，工具電極或工件以恒定的進給速度進給；在重力進給中，工件和工具電極以一個恒定的接觸力始終保持接觸，當接觸區(qū)域的工件材料被去除時，工具電極進給。這兩種方式對實驗裝置要求簡單，但在加工微孔時，隨著加工深度的增加，電解液難以進入加工區(qū)域，加工速度急劇下降甚至停止加工，孔的入口圓角半徑和錐度變大。且對于恒速進給方式，當進給速度過大時，存在損壞電極或工件的危險。Wüthrich等將重力進給方式下的微孔加工分成兩段，前300 μm的加工為放電加工階段，加工速度由放電頻率決定；300 μm后的加工速度受電解液更新速度的限制[2]。Abou Ziki等將恒速進給中的加工速度分為兩段，加工深度較淺時，加工速度受加工區(qū)溫度制約；加工深度較大時，加工速度受電解液更新循環(huán)速度制約[3]。因此，對于這兩種進給方式，當加工深度變大時，加工區(qū)電解液更新困難成為加工效率和加工質量下降的重要原因。

為了解決上述問題，本文提出了基于力反饋控制進給方式的電化學放電加工技術，分析其加工原理，并進行了實驗研究。

1 基本原理

1.1 ECDM的基本原理

電化學放電加工的基本原理見圖1。直流或脈沖電源的負極和正極分別接工具電極和輔助電極，兩電極都浸沒在電解液中，輔助電極比工具電極的表面積要大得多；工件置于工具電極的正下方附近；電解液為堿性溶液（NaOH或KOH）。當施加在兩電極之間的電壓較低時，電極間僅有電化學反應發(fā)生，工具電極（陰極）表面有氫氣氣泡產生；當電壓升高，工具電極上的氣泡生成速率加快，足夠多的氣泡相互融合在工具電極表面而形成氣膜，氣膜的包裹使工具電極與電解液之間絕緣；當工具電極與電解液間的電壓超過臨界值時，就會擊穿氣膜而產生放電現(xiàn)象，緊靠工具電極的工件材料會發(fā)生去除。目前普遍認為，工件材料的去除是放電產生的高溫熱蝕除及高溫下化學蝕除的共同作用[4]。

圖1 電化學放電加工原理圖

1.2 力反饋進給方式

力反饋進給方式以工具電極和工件間的接觸力為輸入信號來控制ECDM機床的進給，其原理見圖2。在加工微孔時，隨著加工深度的增加，加工速度不斷下降。當加工速度小于進給速度后，工件和工具電極有可能接觸并產生接觸力F。安裝于工件上方的力傳感器不斷檢測該接觸力，并與設定的參考力F0作對比。當F＞F0時，Z軸回退一定高度，使工件和工具電極保持一定間隙，然后繼續(xù)進給；當F≤F0時，Z軸按既定參數(shù)進給，直至達到目標加工深度。這種進給方式在加工速度小于進給速度時，能使工件和工具電極之間保持間隙，有利于新鮮電解液進入該區(qū)域，維持工具電極頂端氣膜的形成和放電，使加工速度保持穩(wěn)定。同時，工具電極頂端放電能減少孔入口處的放電現(xiàn)象，使入口直徑較小，孔的錐度得到改善。

圖2 基于力反饋控制進給的電化學放電加工原理圖

為便于接觸力傳感器的安裝，采用工具、工件倒置的方式，即工件在上、工具電極在下。該方式在滿足傳感器安裝要求的同時，還便于ECDM加工時工具電極表面氣膜的形成和加工屑的排出。實驗裝置示意圖見圖3。工件通過夾具固定于機床Z軸上，工件上方裝有力傳感器，用于檢測工件和工具電極之間的接觸力，并將其轉換成電壓信號，通過數(shù)據采集卡輸入機床的數(shù)控系統(tǒng)，然后將接觸力和參考力作對比，并通過機床伺服系統(tǒng)控制Z軸進給。

2 實驗

2.1 實驗裝置

實驗在自行研制的多功能微細電加工機床上進行（圖4）。力反饋進給加工中采用的力傳感器為LSB200應變傳感器，其靈敏度為2 mV/V。實驗采用直流脈沖電源（0～100 V，5 A）作為電化學放電加工的電源。

圖3 實驗裝置示意圖

圖4 倒置力反饋進給ECDM實驗平臺

2.2 實驗條件

加工進給方式是影響電化學放電加工的重要因素。因此，選擇常規(guī)的恒速進給、重力進給方式與力反饋進給方式進行對比實驗，分析3種進給方式對孔的入口直徑、加工速度、極限加工深度和孔錐度的影響。

為全面探究力反饋進給方式的加工特性，選擇質量分數(shù)為20%和30%的兩種NaOH溶液作為工作液。在力反饋進給和恒速進給中，采用10 μm/s的加工進給速度，以比較兩種進給方式的不同。由于鎢熔點很高，故工具電極選用鎢電極。工件材料為石英玻璃，厚度1 mm。輔助電極選擇具有良好導電性和化學穩(wěn)定性的石墨。其他實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗參數(shù)

2.3 力反饋進給方式中參考力的選取

在力反饋進給方式中，參考力的取值也是一個重要參數(shù)。如果參考力偏大，就不能有效保護工件和工具電極；如果參考力偏小，會造成工具電極頻繁后退，導致加工速度降低。

圖5是在不同參考力下的加工孔深變化圖。實驗中，進給速度為10 μm/s，NaOH溶液的質量分數(shù)為30%，加工電壓為50 V，加工時間90 s。由圖5可看出，當參考力為0.3 N時，加工深度最大。當參考力過小時（0.1 N），工件夾具及傳感器受到氣泡和工作液浮力等因素干擾，工具電極會頻繁回退，導致加工效率較低；當參考力過大時，因為孔底部為工件材料軟化區(qū)域，工具電極和工件接觸區(qū)域應變較大，回退高度不足以使兩者分離并保持間隙，所以頂部加工區(qū)域放電頻率低，加工速度較低。因此，參考力選為0.3 N。同時，重力進給方式中的接觸力也選為0.3 N。應該指出，參考力的大小與工具電極的材料、尺寸及工件材料等因素有關，本文選定的參考力（0.3 N）是在工具電極為直徑0.5 mm的鎢針和工件材料為石英玻璃的條件下得到的。

圖5 不同參考力下的孔深變化

3 結果與分析

3.1 孔的入口直徑

入口直徑是微孔加工的一個重要指標。由于在電化學放電加工中，孔的入口易出現(xiàn)過切現(xiàn)象，所以入口直徑越小，即越接近電極直徑，說明加工效果越好。

圖6是在3種進給方式下加工孔的入口直徑隨電壓變化的情況?？煽闯?，隨著加工電壓的增大，3種進給方式下的加工孔入口直徑均增大。因為電壓變大，每次放電能量增加，材料去除量增加?？椎娜肟谔幱写罅啃迈r電解液，易于形成氣膜并產生放電現(xiàn)象，所以入口處直徑變大。在兩種電解液濃度下，倒置力反饋進給方式下的入口直徑均為最小。結合對進給方式的原理分析，在倒置力反饋進給方式下，加工深度較淺時，放電現(xiàn)象與恒速進給方式類似；隨著加工深度增加，電解液更新困難，氣膜難以形成，導致加工速度下降，當工件與工具電極頂端接觸，其接觸力達到閾值時，工件回退，與工具電極頂端保持一定間隙。工具電極的回退使新鮮的電解液能進入該加工區(qū)域，繼續(xù)維持頂端的放電現(xiàn)象，所以入口處放電現(xiàn)象較少，入口直徑最小。在重力進給方式下，工具電極頂端和工件始終接觸，氣膜不能包裹工具電極端部，使入口處放電概率增大，放電現(xiàn)象增多，所以入口直徑最大。在恒速進給方式下，開始階段工具電極頂端放電，當加工深度達到一定值時，加工速度低于機床的進給速度，工具電極頂端與工件接觸，工具電極頂端的電解液更新緩慢，氣膜難以形成，導致放電集中在孔的入口處，相應地孔的入口直徑也較大。

圖6 不同電壓下加工孔的入口直徑

3.2 加工速度

在目前常用的進給方式下，電化學放電加工隨著加工孔深度增加，加工速度會明顯下降，所以加工速度是評價其加工能力的一個重要指標。實驗中，采用相同時間內加工孔的深度作為加工速度的衡量標準。

圖7是在60 s加工時間內，3種進給方式下加工孔的深度隨電壓變化的關系?？煽闯?，在相同的加工條件下，倒置力反饋進給方式下的孔深最大，加工效率高于恒速進給和重力進給。在重力進給方式下，工具電極頂端和工件始終接觸，加工過程中靠近工具電極頂端周圍的材料先去除，然后沿徑向向內逐層去除，直至完成這一層材料的去除，所以加工深度的變化是不連續(xù)的。由于材料的這種去除過程，其加工效率最低。在恒速進給方式中，加工開始階段，工件和工具電極頂端不接觸，工具電極頂端放電，加工速度較快；當加工至一定深度時，電解液更新變得困難，加工速度變慢，工件與工具電極頂端接觸，工具電極頂端放電減少，入口處放電現(xiàn)象增加。受此影響，加工效率也大大下降，加工深度較小。在倒置力反饋進給方式中，引入了工件與工具電極的接觸力作為反饋信號。當兩者接觸且接觸力超過閾值時，工件回退，使兩者保持一定間隙。因此，新鮮的電解液能進入加工孔底部，維持氣膜不斷形成，持續(xù)保持工具電極頂端的放電現(xiàn)象。相比前兩種進給方式，工具電極頂端放電現(xiàn)象始終存在，在相同時間內，其加工孔的深度最大，加工效率最高。

圖7 不同電壓下加工孔的深度

3.3 極限加工深度

在用ECDM加工微孔時，隨著加工深度的增加，加工速度越來越慢，最終加工停止在某一深度，不能繼續(xù)加工，該深度稱為極限加工深度。它也是ECDM加工的重要指標之一。

為了評判3種進給方式的極限加工深度，在加工電壓為55 V、質量分數(shù)為30%的NaOH溶液條件下進行微孔加工實驗。在恒速進給加工方式中，為了得到較大的加工深度，以方便后續(xù)孔的觀測，選擇5 μm/s和1 μm/s兩種進給速度。作為對比，力反饋進給加工中選用5 μm/s的進給速度。實驗測得的各進給方式下的極限加工深度見表2。

表2 極限加工深度

在力反饋進給方式下，加工8 min后，在厚1 mm的工件上得到通孔（圖8）。在恒速進給方式下，進給速度為5 μm/s時得到極限加工深度為512 μm，進給速度為1 μm/s時可獲得較大的極限加工深度，但其入口直徑比力反饋進給方式下大。在重力進給方式下，由于工件始終和工具電極接觸，工具電極頂端放電受到抑制，其極限加工深度最小。從表2可看出，在恒速進給和重力進給方式下，存在極限加工深度，對孔的加工能力有限。而對于力反饋進給加工方式，由于其進給方式的不同，工具電極頂端能始終保持放電，使加工深度持續(xù)增加，直至達到目標加工深度，因此，該加工方式具有較強的深孔加工能力。

圖8 倒置力反饋進給方式下加工的通孔

3.4 加工孔的錐度

在電化學放電加工中，加工孔的側壁錐度也是衡量加工質量的重要指標。圖9是3種進給方式下加工孔的剖切圖?？煽闯觯诘怪昧Ψ答佭M給方式下，孔側壁錐度較小。相比其他兩種進給方式，使用倒置力反饋進給方式時，工具電極頂端區(qū)域的電解液能得到更新，可形成穩(wěn)定氣膜，維持放電現(xiàn)象，使工具電極側壁和入口處放電現(xiàn)象減少，所以加工孔的側壁錐度較小。

4 結論

本文提出了基于力反饋控制進給的電化學放電加工方法，與常規(guī)的恒速進給方式和重力進給方式進行了對比實驗研究，得出如下結論：

圖9 加工孔剖切圖

（1）在微孔加工中，基于力反饋控制進給方式加工的孔入口直徑明顯較小，加工速度和極限加工深度也得到提高，加工孔的錐度也明顯減小。

（2）基于力反饋控制的進給方式能提高孔加工質量的原因在于該方法在保護工具電極和工件的同時，促進了工具電極頂端加工區(qū)域電解液的更新和氣膜的形成，使加工更多地發(fā)生在工具電極的端部。

[1] Kurafuji H.Electrical discharge drilling of glass I[J].Ann.CIRP，1968，16：415-419.

[2] Wüthrich R，Spaelter U，Wu Y，et al.A systematic characterization method for gravity-feed micro-hole drilling in glass with spark assisted chemical engraving (SACE)[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2006，16（9）：1891-1896.

[3] Abou Ziki J D，Wüthrich R.Forces exerted on the toolelectrode during constant-feed glass micro-drilling by spark assisted chemical engraving[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，73：47-54.

[4] Wüthrich R，F(xiàn)ascio V.Machining of non-conducting materials using electrochemical discharge phenomenon-an overview[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（9）：1095-1108.