彈性材料微小方孔的微細(xì)電解銑削加工技術(shù)研究*＊

張長(zhǎng)富 孫立力 張振羽

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

3J21(Co40CrNiMo)是一種高硬度、高強(qiáng)度、無(wú)磁性、耐腐蝕的高彈性合金，被廣泛地用于制造關(guān)鍵的彈性元件。該材料微小方孔是航空航天、儀器儀表、模具等行業(yè)中常用的結(jié)構(gòu)，但加工成形難度大。目前微細(xì)加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種微小結(jié)構(gòu)的加工制造并已成為制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-2］，但能夠?qū)崿F(xiàn)高彈性材料3J21 微小結(jié)構(gòu)無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)再鑄層、無(wú)微裂紋的精密加工方法并不多。金屬微切削技術(shù)加工高硬度、高強(qiáng)度、高彈性材料的微結(jié)構(gòu)比較困難。微細(xì)電火花加工技術(shù)存在加工效率低、表面質(zhì)量差，會(huì)生成再鑄層和微裂紋，電極易損耗且精確補(bǔ)償算法比較困難等問(wèn)題［3-4］。激光微加工技術(shù)存在精度低、表面質(zhì)量差、會(huì)生成再鑄層和微裂紋等問(wèn)題［5］。

微細(xì)電解加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高彈性材料3J21 微小方孔結(jié)構(gòu)加工成形的理想方法。該技術(shù)利用電化學(xué)溶解原理將工件多余材料以離子態(tài)形式去除達(dá)到加工成形目的，加工中工具與工件不發(fā)生直接接觸，無(wú)工具損耗，不會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力、變形和熱影響區(qū)，在微細(xì)制造領(lǐng)域已展現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿Γ?］。但采用拷貝式電解加工方法進(jìn)行彈性材料3J21 微小方孔加工的方案卻實(shí)現(xiàn)難度大，原因是方形電極尖角處電場(chǎng)集中會(huì)導(dǎo)致方孔不容易獲得直角結(jié)構(gòu)(易形成圓角)，另外微小尺寸方形結(jié)構(gòu)電極本身的制作也比較困難。微細(xì)電解銑削加工技術(shù)可以較好地解決3J21 材料微小方孔的加工問(wèn)題，而且可以推廣應(yīng)用于解決其他難切削金屬材料微小結(jié)構(gòu)的難加工問(wèn)題，具有較強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。

1 微細(xì)電解銑削加工原理

與常規(guī)電解加工原理相似，微細(xì)電解加工也是利用電化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬工件的加工成形。加工電源正極接陽(yáng)極工件，負(fù)極接陰極工具，電解液從陰、陽(yáng)兩極的極間間隙流過(guò)，使工件加工區(qū)域表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而蝕除多余材料達(dá)到加工成形目的。與常規(guī)電解加工所不同的是，微細(xì)電解加工的加工電壓更低、電源功率更小、極間間隙更小、材料去除量更小、加工精度要求更高。

微細(xì)電解銑削加工將數(shù)控銑削加工技術(shù)引入到微細(xì)電解加工中，通過(guò)控制簡(jiǎn)單形狀工具電極(如圓柱狀微細(xì)工具電極)運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)工件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的銑削成形，其主要工作原理如圖1 所示。

2 微細(xì)電解銑削加工系統(tǒng)

彈性材料3J21 微小方孔的加工成形采用專用的微細(xì)電解銑削加工系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由納秒脈沖電源、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、加工控制與檢測(cè)系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)構(gòu)成圖和實(shí)物圖分別見(jiàn)圖2、圖3。

加工系統(tǒng)有X、Y、Z這3 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)軸，均由精密直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給分辨率為0.1 μm/步，往復(fù)定位精度1 μm。精密回轉(zhuǎn)主軸安裝在Z軸運(yùn)動(dòng)部件上，轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);工具電極通過(guò)夾頭安裝在回轉(zhuǎn)主軸上并利用在線制作方法實(shí)現(xiàn)其工作部位的加工成形;加工狀態(tài)通過(guò)CCD 系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，以確保加工的順利進(jìn)行。

3 微細(xì)工具電極的在線制作研究

微細(xì)工具電極的制作是實(shí)現(xiàn)高精度微細(xì)電解加工的重要前提。為了盡量減小裝夾過(guò)程帶來(lái)的誤差，工具電極采用電解反拷法進(jìn)行在線制作。在線制作工具電極時(shí)，將校直鎢絲裝夾在主軸上作為工件陽(yáng)極，帶有微小圓形孔的不銹鋼板作為工具陰極，共同浸入KOH溶液中，利用電化學(xué)腐蝕方法將鎢絲加工到電極所需尺寸和精度，如圖4 所示。

通電后，鎢絲在KOH 強(qiáng)堿溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，被氧化成WO42-離子進(jìn)入溶液，從而被溶解成形。通過(guò)控制工作電壓、鎢絲浸入深度、加工時(shí)間等參數(shù)，可以制備出微米級(jí)直徑、尺寸均勻的圓柱狀工具電極。圖5 為直徑10 μm 的微細(xì)圓柱電極。

4 微小方形孔的微細(xì)電解銑削加工實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

利用在線制作好的工具電極，采取微細(xì)電解分層銑削加工方法，在300 μm 厚的彈性材料3J21 上加工出100 μm×100 μm 的微小方形孔，實(shí)驗(yàn)采用2 種方案進(jìn)行了研究。

第一種方案是利用回形銑削路徑由里向外加工，如圖6 所示。具體實(shí)驗(yàn)及相關(guān)參數(shù):工件為300 μm厚鎳鐵合金3J21 薄板，納秒級(jí)脈沖電源作為加工電源，工作電壓4 V，脈沖周期1 μs，脈沖寬度90 ns，電解液為0.2 mol/L 的稀硫酸，電極直徑10 μm，進(jìn)給速度為25 μm/s，分層銑削時(shí)每層向下進(jìn)給深度為10 μm。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生多次短路現(xiàn)象，加工結(jié)果如圖7 所示(放大180 倍)。通過(guò)觀測(cè)，所加工的方形孔精度較差，尺寸為105. 3 μm×103.5 μm，表面粗糙度為Ra0. 9 μm。由實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析得知，由于微細(xì)電解加工溶解去除量較小，分層銑削的層厚一般不會(huì)太大，因而銑削層數(shù)較多進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)加工容易對(duì)已加工邊角造成二次腐蝕，越接近上表面的邊角受到二次腐蝕的時(shí)間越長(zhǎng)，最終導(dǎo)致微小方孔的直邊、直角結(jié)構(gòu)難以保證，形狀精度和尺寸精度較差。為了提高3J21 微小方孔的加工質(zhì)量，進(jìn)行了如下文所述的第二種方案的研究。

第二種方案是先采用粗加工快速去除大部分多余材料再利用精加工進(jìn)行邊角輪廓全深度方向的精修。粗加工采用折線形銑削路徑快速去除大部分多余材料，加工后邊界預(yù)留20 μm 精加工余量，如圖8所示;精加工采用回形銑削路徑進(jìn)行微小孔邊角結(jié)構(gòu)全深度方向的內(nèi)輪廓電解銑削精修，如圖9 所示。具體實(shí)驗(yàn)及相關(guān)參數(shù):工件為300 μm 厚鎳鐵合金3J21 薄板，電解液為0. 2 mol/L 的稀硫酸;粗加工采用直流電源進(jìn)行分層銑削，加工電壓8 V，電極直徑30 μm，進(jìn)給速度為25 μm/s;精加工采用內(nèi)輪廓銑削(不分層)，采用納秒級(jí)脈沖電源，加工電壓4 V，脈沖周期1 μs，脈沖寬度90 ns，電極直徑為10 μm，進(jìn)給速度為10 μm/s。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較穩(wěn)定，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示(放大180 倍)。通過(guò)觀測(cè)，所加工的方形孔比較規(guī)整、菱角分明，尺寸為99.7 μm ×101. 3 μm，表面粗糙度為Ra0. 5 μm。由實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析可知，這種加工方案可較好地兼顧加工精度和效率的關(guān)系，利用直流電源可以快速去除大部分多余材料，利用納秒級(jí)脈沖電源并采用相對(duì)較大進(jìn)給速度和直徑更小的電極進(jìn)行精加工，可以顯著提高微小方孔的加工精度，且有利于保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

通過(guò)2 種工藝方案的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出，第二種工藝方案優(yōu)于單一回字形電解銑削加工方式;而且采用粗、精2 道工序這種工藝方法，相對(duì)更容易控制和調(diào)整工藝參數(shù)之間的匹配，從而有利于提高微小方孔的成形精度和表面質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

微細(xì)電解銑削技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高硬度、高強(qiáng)度彈性材料3J21 微小結(jié)構(gòu)的加工成形，具有較高的加工精度和表面質(zhì)量，加工后不存在變質(zhì)層和殘余應(yīng)力;直流電源折線粗加工結(jié)合納秒脈沖電源回形精加工這種微細(xì)電解銑削加工方式比單一的脈沖電源回形加工方式更適合加工微小形方孔，加工精度和表面質(zhì)量更好，加工過(guò)程更穩(wěn)定。

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