振動電極電化學(xué)放電加工技術(shù)試驗研究

沈 艷， 巫婕妤， 魏臣雋

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引言

近來微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)高速發(fā)展，在航空航天領(lǐng)域正發(fā)揮越來越重要的作用，典型應(yīng)用如微慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星元器件、各類傳感器等。MEMS制造中，針對玻璃、陶瓷等硬脆材料的微孔加工技術(shù)，長期以來是工藝技術(shù)難點之一。傳統(tǒng)的化學(xué)加工、金剛石砂輪磨削、超聲波加工等都存在各自缺陷。電化學(xué)放電加工（ECDM）是一種針對硬脆材料的特種微加工方法。ECDM 過程可控，效率高、表面完整性好，不易出現(xiàn)微裂紋，適合多品種、小批量、高品質(zhì)的生產(chǎn)模式，在航天MEMS研發(fā)制造及其它工業(yè)領(lǐng)域具有獨特技術(shù)優(yōu)勢和廣闊應(yīng)用前景。

ECDM 雖然有理想的加工效率和精度，但它難以加工深孔。Wüthrich等將ECDM 分為兩個深度區(qū)域［1］，（0～250）μm 左右深度區(qū)域稱為放電域，大于250μm 的深度區(qū)域稱為流體力學(xué)域。放電域內(nèi)的加工速率高，而在流體力學(xué)域中的加工速率則低得多。為提高加工深度，Wüthrich等在電極軸向施加正弦振動，試驗證明加工效率和加工深度都有所提高［2］。Han 等將一個超聲振動發(fā)生器放置在電解液中，使電解液隨發(fā)生器超聲振動［3］。試驗結(jié)果表明，加工深度有明顯提高，但是浸沒在電解液中的振動發(fā)生器極易被腐蝕。

本論文研究振動電極電化學(xué)放電加工工藝，旨在提高電化學(xué)放電加工的深度和效率。這一新的工藝方法稱為振動電極電化學(xué)放電加工（振動電極ECDM）。

1 工藝方法

振動電極ECDM 與常規(guī)ECDM 有相似之處［4］，其工藝方法如圖1所示。

工具電極與直流電源的負(fù)極相連，電源正極連接輔助電極。輔助電極浸沒在電解液中，電極由硬質(zhì)合金等材料制成。非導(dǎo)電工件也浸沒在電解液中，當(dāng)加載電壓超過臨界值后，發(fā)生電化學(xué)放電效應(yīng)。電極裝在振動發(fā)生器上，產(chǎn)生電極振動。在ECDM 過程中，始終伴隨著電極振動。

圖1 振動電極電化學(xué)放電加工方法

2 試驗裝置

試驗裝置示意圖和主軸部分實物，如圖2所示。

圖2 試驗裝置的示意圖和主軸部分實物

電極（2）與工件（5）接觸，工件安裝在直線滑軌（7）上，通過滑輪配重（9）使電極和工件之間保持恒定壓力。直線滑軌和滑輪都采用滾珠軸承（10），潤滑良好。使用精密位移傳感器（8）在線測量微孔加工深度，傳感器工作范圍為（0～1）mm，測量精度1μm。裝置主軸（11）可同時驅(qū)動旋轉(zhuǎn)和微小軸向移動［5］，主軸旋轉(zhuǎn)通過直流電機(jī)（13）帶動，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 000r／min，徑向跳動2 μm。主軸整體安裝在1kHz帶寬的直線壓電變送器（12）上。壓電變送器由函數(shù)發(fā)生器開環(huán)控制，軸向行程45μm，定位精度為設(shè)定值的±10%。其它電源（1）、容器（3）、輔助電極（4）、電解液（6）、電極夾具（14）如圖2所示。

加工前使用精度為1μm 精密直線滑臺標(biāo)定位移傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用美國國家儀器的PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率10 Hz。電源采用直流電源（0～60）V／（0～6）A，電源陰極和陽極分別連接到電極和一個石墨制輔助電極。電解液使用ECDM 中常用的氫氧化鈉，緩慢注入容器中。輔助電極放在距工具電極（20～30）mm 處，浸沒在電解液中。

3 試驗參數(shù)和步驟

ECDM 中，電源電壓通常不低于27V，以獲得較高的材料去除率和重復(fù)度［1］。電源電壓一般也不高于40V，避免工件表面產(chǎn)生熱裂紋［6］。設(shè)定電源電壓為32V。電解液質(zhì)量百分比濃度為30%，保證較高的材料去除率和加工精度。電解液液面高出工件表面1 mm，可帶來較高的加工精度［3］。電極和工件之間保持1N 的恒定壓力。

首先比較電極機(jī)械振動、常規(guī)ECDM、振動電極ECDM 的效率、孔徑和圓度誤差，以評估新方法效果。研究電極振動頻率為15，50，150，500Hz，幅值為2，4，6，8μm 范圍，占空比為0.5時的加工效率加變化［7，8］。通常機(jī)械加工中，工具振動頻率越高，加工效率和表面質(zhì)量越高；而ECDM 中，電極振動頻率的最優(yōu)值在30 Hz左右［2］。

在試驗之前先加工5個孔，以升高電解液溫度，使加工達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)［1］。單孔加工時間為60s，同一工藝條件下重復(fù)5 次取平均值。加工效果的評價指標(biāo)為加工速率、孔徑和圓度誤差，加工速率和孔徑。為了解新方法對材料的去除效果，對工件涂覆導(dǎo)電金膜，再用分辨力10nm的掃描電鏡觀察加工后的表面。

4 試驗結(jié)果和討論

4.1 加工效率

圖3是不同加工方法下孔深隨時間的變化曲線。電極采用正弦振動方式。

圖3 孔深隨時間的變化曲線（電極正弦振動）

如圖所示，若采用電極機(jī)械振動，加工深度僅為121μm；在工件冷硬條件下，正弦機(jī)械振動對工件的沖擊作用有限。常規(guī)ECDM 加工深度為281μm；施加電極振動后ECDM 加工孔深度為304μm。加工深度提高8.2%，這不僅歸因于對工件的機(jī)械沖擊，電極振動還促使電解液深入加工區(qū)而增強(qiáng)火花放電。圖3中，ECDM 在200μm加工深度后，加工速率降到10μm／s以下；而正弦振動電極ECDM 在250μm 加工深度后，加工速率才降到10μm／s以下，說明電極振動能使加工速度保持更長時間。當(dāng)加工深度小于200μm時，從兩條曲線的陡峭程度看出振動電極ECDM的加工效率較高，但是在200μm 以下，加工速率并沒有明顯的提高。由此可見，正弦振動電極ECDM 雖然能略微提高加工深度，但在流體力學(xué)域內(nèi)的加工效率仍然較低。

圖4是不同加工方法下孔深隨時間的變化曲線。電極振動方式為方波。

圖4 孔深隨時間的t變化曲線（電極方波振動）

如圖所示，若采用方波振動，加工深度為228 μm，相對于正弦振動大幅提高了88.4%，說明方波振動有更強(qiáng)的機(jī)械沖擊作用。方波振動電極ECDM 孔深度達(dá)到了驚人436μm，比正弦振動電極ECDM 孔深度高43.4%。而436μm 的孔深接近機(jī)械振動加工孔深228μm 與ECDM 孔深之和，這一復(fù)合加工結(jié)果近似于機(jī)械沖擊加工與ECDM 的線性疊加。機(jī)械振動在材料去除中占有較大的比例，而正弦振動直接產(chǎn)生的材料去除少得多。圖4中，ECDM 在200μm 加工深度后，速率降到10μm／s以下；正弦振動電極ECDM 在250μm 加工深度后，加工速率降到10μm／s以下；而方波振動電極ECDM 能將大于10μm／s的高速保持到330μm 深度。比較圖4中ECDM 曲線和方波振動電極ECDM 曲線不難觀察到，當(dāng)加工深度小于200μm 時，復(fù)合加工效率大大高于ECDM，即在放電域中方波振動顯著提高了加工效率。當(dāng)加工深度大于200μm 時，方波振動電極ECDM 直到加工深度超過400μm 后，加工速率才減慢。這足以證明，電極的方波振動能大大提高流體力學(xué)域內(nèi)的加工速率。流體力學(xué)域內(nèi)電解液供給不足，溫度低，盡管工具振動能一定程度地幫助電解液深入加工區(qū)，但不足以顯著提高材料去除率。在流體力學(xué)域內(nèi)，機(jī)械沖擊作為主要的材料去除方式使加工得以延續(xù)。

4.2 加工精度

為對比加工精度，比較不同加工方法下的孔徑。試驗測得孔徑均值分別是659，630，662μm，即分別過切159，130，162μm。正弦振動電極ECDM 的尺寸誤差比ECDM 降低18.2%，是由于電極振動促進(jìn)了電解液深入加工區(qū)，提高了排屑效率所致［7］。而方波振動電極ECDM 的尺寸誤差比ECDM 和正弦振動ECDM 分別高出了1.9%和24.6%，且測量值波動大，幾乎是前兩種方法的3倍。所以方波振動電極ECDM 雖然提高了加工效率，但降低了加工精度。

為對比加工精度，比較不同加工方法下的圓度誤差。試驗測得三種加工方法圓度誤差均值分別是57，18，46μm。因此，正弦振動電極ECDM 的圓度誤差比ECDM 低68.4%多，說明該方法具有良好的加工形狀精度，部分原因來自電極振動促進(jìn)了電解液深入加工區(qū)，增加了排屑效率［7］。方波振動電極ECDM 的圓度誤差比正弦振動加工高出155.6%，但是比常規(guī)ECDM 低19.3%。

4.3 工藝參數(shù)影響

為進(jìn)一步研究方波振動電極ECDM 中工藝參數(shù)對加工效果的影響，對振動頻率和幅值的影響進(jìn)行工藝試驗研究。圖5反映了電極振動頻率對加工深度的影響。

圖5 電極振動頻率對加工的影響

圖中可見，在（15～150）Hz范圍內(nèi)，加工深度略有增加；然而在（150～500）Hz的過程中，加工深度由300μm 躍升到550μm。這一結(jié)果說明在低頻（＜150 Hz）范圍之內(nèi)機(jī)械沖擊作用不十分顯著；在較高頻率（＞150 Hz）時，機(jī)械沖擊作用顯著增強(qiáng)，在500 Hz頻率時達(dá)到550μm。在此頻率下，機(jī)械沖擊成為材料去除的主要因素。

方波振動電極ECDM 在低頻和高頻范圍之所以有如此大的區(qū)別，可能與系統(tǒng)的共振頻率有關(guān)。電極振動頻率接近共振頻率時，電極對工件材料的沖擊作用極大地增強(qiáng)，產(chǎn)生大量的材料去除；而當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)離共振頻率時，電極對工件材料的沖擊作用弱，致使加工效率變化不顯著。在流體力學(xué)域中方波振動電極ECDM 速率仍然得以保持，這是由于機(jī)械沖擊作用并不依賴電化學(xué)放電效應(yīng)。在250μm 以上的加工深度時，材料去除幾乎完全依靠機(jī)械沖擊。

圖6反應(yīng)了電極振動幅值對加工的影響。

圖中可見，加工深度隨電極振動幅值增加。振動幅值2μm 時的加工深度為280μm，幅值增大到8μm 時的加工深度可達(dá)為380μm，而且這一關(guān)系是近似線性的。主要原因是較大的振動幅值導(dǎo)致較大能量輸入，機(jī)械的沖擊作用也更強(qiáng)。同時由于電極往復(fù)運動的行程增大，對于電解液循環(huán)有較大幫助。振幅過大會導(dǎo)致材料表面質(zhì)量的下降，一般振幅在幾個微米時的材料表面質(zhì)量可接受。

4.4 關(guān)于材料去除機(jī)理的討論

利用掃描電鏡分別觀察了正弦振動ECDM和方波振動ECDM 的材料表面。

圖6 工具振動幅值對加工的影響

圖7是正弦振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像。

圖7 正弦振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像

從圖7（a）中看到，加工表面基本完好，沒有裂紋等缺陷。在孔的邊緣有環(huán)狀的熱影響層，是火花產(chǎn)生的高溫將玻璃熔化（熔融）后再固化形成的。這說明孔的邊緣區(qū)域溫度很高，火花熱蝕是材料去除的方式之一。

如圖7（b）所示，在熱影響層上有許多碎屑，碎屑呈片狀，尺寸在（10～30）μm 左右，厚度僅有幾個微米，它們是被排出加工區(qū)后附著在高粘度熔融熱影響層上。說明加工中有材料以機(jī)械沖擊成屑的方式去除。

孔的底部加工區(qū)如圖7（c），形貌不平整，成層疊狀?？椎子^察到長度約130μm 的層狀碎屑，碎屑的形狀和大小都與熱影響層上的碎屑大不相同，它可能是沒有排除加工區(qū)的許多碎屑在加工區(qū)溫度和電極的錘擊的雙重作用下，由這些小的碎屑結(jié)合而成的。

孔底部的層狀形貌也是這種層狀碎屑重新與工件材料結(jié)合而成。這樣，沒有排出加工區(qū)的碎屑反復(fù)與工件材料結(jié)合，使得加工效率明顯降低。這說明除了電解液難以進(jìn)入加工區(qū)導(dǎo)致加工區(qū)溫度下降以外，排屑效率的降低也是大加工深度下加工受到抑制的一個重要原因。

圖8是方波振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像。

圖8 方波振動電極ECDM 孔的掃描電鏡圖像

從圖8（a）中看到，孔的熱影響層上，同樣粘附了許多碎屑。碎屑呈片狀，尺寸在（10～50）μm 左右，厚度為幾個微米，同樣排出加工區(qū)后粘附在熔融熱影響層上。熱影響層上的碎屑的放大圖見圖8（b）。這些碎屑的存在證明了機(jī)械沖擊是材料去除方式之一。

孔的底面部分如圖8（c）所示，加工區(qū)雖然沒有脆性裂紋，但其表面極不平整。表面中間低，兩邊突起，呈類似“盆地”的形貌，盆地中央較為光滑，而四周突起的表面呈“魚鱗”狀。還不能解釋加工區(qū)的這種形貌是如何形成的，但由于電極的振動會在加工區(qū)形成周期變化的壓力場，這一形貌有可能跟這種壓力場有關(guān)。由于底面上也沒有裂紋、碎顆粒等脆性失效的痕跡，說明這種機(jī)械沖擊也是在材料塑性狀態(tài)下完成的。

5 結(jié)論

本研究通過振動電極提高電化學(xué)放電微孔加工效果，經(jīng)過試驗和分析得出以下結(jié)論：

a）正弦振動電極不能顯著提高電化學(xué)放電加工效率，但尺寸精度和形狀精度高，適用于精度要求較高的淺孔（小于250μm）加工；

b）方波振動電極電化學(xué)放電加工具有極高的加工效率，尤其是在較大深度（大于250μm）下依然能保持；加工在精度和常規(guī)電化學(xué)放電加工持平，適用于加工精度要求不高的深孔；

c）方波振動電極電化學(xué)放電加工深度隨振動幅值線性增大，在（15～150）Hz范圍內(nèi)，加工深度略有增加；然而在（150～500）Hz的過程中，加工深度由300μm 躍升到550μm；

d）振動電極電化學(xué)放電加工的材料去除熱輔助機(jī)械振擊、熱輔助化學(xué)腐蝕和熱蝕三者的共同作用產(chǎn)生的，在加工深度較大時，材料去除方式主要為材料塑性狀態(tài)下的機(jī)械沖擊。

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