鉬柵網(wǎng)活動模板電解加工技術研究

李寒松，李龍文，高傳平，王國乾

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

鉬柵網(wǎng)活動模板電解加工技術研究

李寒松，李龍文，高傳平，王國乾

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對于原材料的選用變得越來越嚴格，純鉬及鉬合金材料以其優(yōu)異的性能在微小群孔薄板結構中得到了廣泛的應用。提出了一種活動模板電解加工的新方法，研究了電解液壓力、電源占空比、電解液溫度、電源脈沖頻率和加工電壓等參數(shù)對鉬柵網(wǎng)加工結果的影響。研究表明：當電解液壓力為0.6 MPa、電源占空比為20%、電解液溫度為30℃、電源脈沖頻率為600 Hz、加工電壓為30 V時，加工出的群孔錐度小，且精度高。

鉬柵網(wǎng)；微小群孔；活動模板電解加工；錐度

純鉬及鉬合金材料具有很高的高溫強度和高溫硬度、良好的導熱性和導電性、較低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的耐磨性和抗腐蝕性，被廣泛應用于航空航天、電子、生物醫(yī)學、玻纖等領域［1］。且較低的熱膨脹系數(shù)能使鉬材料在高溫環(huán)境下膨脹很小，不會發(fā)生熱破裂的危險，故可廣泛應用于高溫材料中。此外，鉬的延伸性能很好，使鉬材料在厚度很薄的板材中也得到了廣泛應用［2］。

鉬板材料是以鉬粉末為原料，通過粉末冶金工藝制成板坯，再經(jīng)過開坯軋制、熱軋、溫軋、冷軋及中間退火、表面清理等工序，進而得到所需尺寸。鉬柵網(wǎng)是鉬板材料的應用之一，主要應用于離子鍍膜設備、行波電子管、透射電子顯微鏡、低溫電子顯微鏡及電子槍等?，F(xiàn)有的加工方法包括傳統(tǒng)機械加工和特種加工。機械加工方法主要包括鉆削和沖壓，鉆削加工出的孔長徑比大，加工精度較高［3］，如Gatto用電火花鉆孔技術在Co-Cr-Mo合金上加工出了直徑0.6mm的深小孔［4］；沖壓加工出的孔重復精度較高，成本低。特種加工方法主要包括激光加工、電火花加工等，激光加工技術效率高，工件熱應力小，可控性高［5］，如翟立斌等使用三倍頻Nd:YAG激光（λ= 355 nm，Pmax=10W，M2＜1.2），采用激光切割的方式在直徑100mm、厚0.2mm的金屬鉬圓片上加工出了81個直徑200μm的圓孔陣列［6］；電火花加工技術無宏觀作用力，加工不受工件材料強度、硬度等力學性能的限制［7］，如朱派龍等在普通電火花機床上通過設計增加附屬裝置，在鎢鉬合金上加工出了內(nèi)孔直徑0.6～0.8 mm、深度≥80 mm的小孔［8］。此外，掩模電解加工技術能保證較高的重復精度［9-10］。何鐵軍等基于Taguchi方法，采用酸性活化電解液對鉬柵網(wǎng)進行微細光刻電解加工，取得了較好的效果［11］。本試驗采用一種新的加工方法，即活動模板電解加工。該方法在加工中無應力產(chǎn)生，無工具電極損耗，效率高，成本低，且模板可多次重復使用，是一種簡單、易行的工藝方法。

1 活動模板電解加工原理

活動模板電解加工方法是基于電化學陽極溶解理論，利用模板的選區(qū)限制工件加工的區(qū)域，在工件上加工出與模板圖案相似的一種特種加工方法［12］。加工時，將具有鏤空圖形的模板緊貼于工件，保持模板與工件之間始終無縫隙，且陰陽兩極間有一定的間隙，間隙中通入高速流動的電解液。以工件為陽極、工具為陰極，接通電源后，陰陽極之間便產(chǎn)生了電場，陽極表面裸露出來的區(qū)域會發(fā)生電化學反應，經(jīng)過一定時間的電解蝕除后，加工出與陰極模板圖案相似的結構。

本試驗使用雙陰極模板電解加工，為了提高加工效率和加工精度，減小孔的錐度，采用活動模板雙面加工，其加工原理見圖1。

圖1 活動模板電解加工原理圖

2 試驗

2.1 加工工藝流程

模板電解加工的工藝流程見圖2。

圖2 模板電解加工工藝流程圖

（1）模板制備。通常選用覆銅環(huán)氧板作為模板材料，銅層為導電層，環(huán)氧板為絕緣層。利用二維圖形化CAM系統(tǒng)（PCBdrillmill）控制，鉆頭按圖樣設計給定的加工路徑加工群孔；鉆孔完成后，換用銑刀銑定位孔，經(jīng)去污、去屑等后處理，可制成模板。

（2）工件裝夾。先通過定位銷將模板固定在下夾具上，再將工件通過定位銷固定在兩層覆銅板間，之后夾緊夾具，最后確保陰陽極接電的正確。

（3）參數(shù)設定。工件裝夾好之后，通過電解液泵和電源分別調(diào)節(jié)電解液參數(shù)和電參數(shù)。

（4）電解加工。接通電源，記錄電流變化，預測加工時間，最終加工出所需的群孔零件。

2.2 加工效果的檢測指標

本試驗從群孔的錐度和加工精度兩方面對模板電解加工后的群孔質(zhì)量進行檢測。群孔錐度由式（1）求得:

式中:θ為孔的錐度，（°）；D1為孔的小徑，mm；D2為孔的大徑，mm；T為工件厚度，mm。

加工后的小孔側(cè)壁剖面簡化圖見圖3。

圖3 小孔的側(cè)壁剖開簡化示意圖

3 試驗分析及優(yōu)化

3.1 電解液壓力對加工結果的影響

電解加工中，流動的電解液要求能足以排出間隙中的電解產(chǎn)物與所產(chǎn)生的熱量，從而減小電極附近的濃差極化，使液流均勻。間隙入口的電解液壓力則是保證電解液流速的必要條件［13］。因此，電解液壓力對小孔的錐度和精度有很大的影響。

圖4是電解液壓力分別在0.2、0.4、0.6 MPa下加工的小孔效果圖。在相同夾具下的群孔加工，較高的電解液壓力可產(chǎn)生較高的電解液流速，不但能帶走加工產(chǎn)物，還能及時排走加工產(chǎn)生的熱量，提高了小孔的加工精度，且避免燒傷加工表面。

如圖5所示，在不同電解液壓力下加工出的群孔中，選取相同的10個位置對應的10個小孔進行對比?？煽闯?，電解液壓力較小時，電解液流速較低，不能及時帶走加工產(chǎn)物，影響了之后的電解加工過程，導致加工后的群孔錐度較大；當電解液壓力達到0.4 MPa時，孔的錐度減小，且表面加工質(zhì)量提高；繼續(xù)提高電解液壓力到0.6 MPa，孔的錐度有所減小，但減小程度很小，且表面加工質(zhì)量無明顯提高。當電解液壓力過高時，電解液流速過快，會影響夾具的密封性，從而影響加工效果。綜合考慮，選取電解液壓力為0.6MPa較合適。

圖4 不同電解液壓力下加工的小孔形貌

圖5 不同電解液壓力下群孔的錐度

3.2 電源占空比對加工結果的影響

占空比是指電壓持續(xù)時間和周期的比值。電源占空比較高時，平均電流大，加工效率高。采用小的占空比，在脈沖周期期間，電壓持續(xù)時間短，從而電解加工的時間也減少，加工產(chǎn)物能被有效地排出，產(chǎn)生的溫度也能及時被帶走。因此，電源占空比對加工質(zhì)量和加工效率有很重要的影響。

圖6是占空比分別為10%、20%、30%時加工的小孔效果圖?？煽闯觯S著電源占空比的升高，小孔的加工精度逐漸降低。這是因為在占空比較低時，電流密度低，集中蝕除能力強，雜散腐蝕現(xiàn)象不明顯；而當占空比較高時，電流密度較大，電流效率較高，導致電解加工定域性差，雜散腐蝕現(xiàn)象嚴重。然而，較大的電流密度又有利于縮小小孔區(qū)域溶解速度之間的差異和提高加工的均勻性，因此，小孔的錐度隨占空比的升高而變好。

圖6 不同占空比下加工的小孔形貌

圖7是在不同電源占空比下加工出的群孔中，選取相同的10個位置對應的10個小孔做對比。為了同時保證加工精度和群孔的錐度，選取占空比為20%。

圖7 不同占空比下群孔的錐度

3.3 電解液溫度對加工結果的影響

電解液溫度是電解加工陽極溶解的一個重要條件。溫度過低，陽極表面活性低，易鈍化；溫度過高，易出現(xiàn)局部沸騰和蒸發(fā)現(xiàn)象，導致空穴，都會造成電解加工無法進行［12］。因此，電解加工需在合適的溫度范圍內(nèi)進行。

圖8是在電解液溫度分別為30、35、40℃時加工的孔的形貌。圖9是在不同電解液溫度下加工出的群孔中，選取相同的10個位置對應的10個小孔做對比。可看出，電解液溫度在30～35℃時加工出的小孔錐度較小，這是因為在此溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，陽極表面的鈍化膜易去除，不會影響電解蝕除速度，從而使小孔區(qū)域的加工均勻性好；但當電解液溫度超過35℃后，小孔錐度反而增大，這是由于溫度升高使溶液中的離子活性增大，電導率升高，導致電解加工速度較快，定域性變差，雜散腐蝕現(xiàn)象嚴重。此時，不僅小孔的加工精度受到了影響，且孔的錐度也會增大。綜合考慮，選取電解液溫度為30℃較合適，既滿足了錐度的加工要求，精度也得到了保證。

圖8 不同電解液溫度下加工的小孔形貌

圖9 不同電解液溫度下群孔的錐度

3.4 電源脈沖頻率對加工結果的影響

在活動模板電解加工中，電源脈沖頻率對加工精度有著重要影響。較高的脈沖頻率能使陽極溶解的集中蝕除能力大大加強，從而提高加工精度。

圖10是在電源脈沖頻率分別為200、400、600、800 Hz下的小孔加工效果圖。圖11是在不同脈沖頻率下加工出的群孔中，選取相同的10個位置對應的10個小孔做對比?？煽闯?，在其他電參數(shù)相同的情況下，電源脈沖頻率在600 Hz左右時，脈沖間隙適當，電解液沖刷能完全帶走加工產(chǎn)物，優(yōu)化流場，從而使小孔區(qū)域的加工較均勻，小孔錐度較小。由于頻率較低時，電解加工的時間較長，加工間隙內(nèi)易產(chǎn)生不均勻的地方，導致錐度較大；當頻率較高時，即本試驗的600 Hz之后，小孔的錐度又開始逐漸增大。這是由于隨著加工的進行，小孔的深度增加，電解液的沖刷作用變得艱難，較短的脈沖間隙不足以使電解液帶走所有加工產(chǎn)物，使小孔區(qū)域的電導率相差較多，加工出的小孔質(zhì)量較差。因此，為了滿足小孔錐度的加工要求，并保證加工精度，選取脈沖頻率為600 Hz。

3.5 加工電壓對加工結果的影響

加工電壓是電源施加到陰極及工件間的極間電壓，是建立極間電場并使電解加工得以運行的原動能量來源，可用來克服雙電層的反電勢和溶液歐姆壓降、建立必要的極間電流場，確保達到所選用的電流密度［13］。

圖10 不同脈沖頻率下加工的小孔形貌

圖11 不同脈沖頻率下群孔的錐度

圖12是加工電壓分別為20、25、30、35 V下加工出的小孔效果圖。NaNO3電解液是一種鈍性電解液，且鉬是一種極傾向于鈍化的金屬，故在電解加工過程中，鉬表面會產(chǎn)生一層致密的氧化膜，對鉬起保護作用。

當加工電壓較小時，電流密度也較小，且隨著加工的進行，陰陽極之間的間隙變大，電流密度變得更小，從而無法完全消除鈍化，使加工難以進行。當加工電壓較大時，電流密度也較大，電流效率較高，導致電解加工的定域性變差，雜散腐蝕變得嚴重，從而孔的加工精度會變差，孔的錐度也會受到影響。圖13是在不同電壓下加工出的群孔中，選取相同的10個位置對應的10個小孔做對比。通過群孔錐度隨加工電壓的變化趨勢，可得出鉬板在30 V電壓下的加工效果較好。

圖13 不同加工電壓下群孔的錐度

3.6 加工參數(shù)的優(yōu)化

選取適當?shù)膮?shù)對實驗的加工結果有重要影響。經(jīng)過以上分析，進行參數(shù)優(yōu)化，選用的電解液壓力為0.6 MPa、電源占空比為20%、電解液溫度為30℃、電源脈沖頻率為600 Hz、加工電壓為30 V。

本試驗所加工的鉬柵網(wǎng)上的群孔較多，一次加工時會導致較大的電流，使加工區(qū)域溫度較高，從而影響加工效果。因此，為了加工出理想的群孔，將制備兩個模板，每個模板上有一半的群小孔，分兩次加工成形，并依靠夾具保證位置精度（圖14）。

圖14 優(yōu)化參數(shù)后加工出的柵網(wǎng)

4 結論

本文介紹了用活動模板電解加工鉬柵網(wǎng)群孔的工藝方法，研究了電解液壓力、電源占空比、電解液溫度、電源脈沖頻率和加工電壓對群孔錐度的影響，得到以下結論:

（1）較高的電解液壓力能有效減小群孔錐度和提高加工質(zhì)量。

（2）在較高的電源占空比和電源脈沖頻率的共同作用下，很大程度上改善了間隙過程的流場和電場，既能顯著減小群孔的錐度，又保證了群孔的加工精度和加工效率。

（3）在一定的溫度范圍內(nèi)，加工均勻性隨溫度的升高而變好。因此，在電解加工過程中，應合理控制好溫度。

（4）電壓過高，雜散腐蝕嚴重，精度下降；電壓過低，加工效率低，孔的錐度大。因此，加工時應選用適中的電壓。

［1］馮鵬發(fā)，孫軍.鉬及鉬合金粉末冶金技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國鉬業(yè)，2010，34（3）:39-45.

［2］武洲，孫院軍.神奇的金屬——鉬［J］.中國鉬業(yè)，2010，34（2）:1-6.

［3］馬玉平.金剛石涂層工具制備及其應用研究［D］.上海:上海交通大學，2007.

［4］Gatto A，Bassoli E，Denti L，et al.Electro-discharge drilling on DMLSparts in Co-Cr-Mo alloy［C］//High Value Manufacturing，Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping，Proceedings of the 6th International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping，Leiria，Portugal，2013.Boca Raton:CRC Press，2013:237-242.

［5］郭文淵，王茂才，張曉兵.鎳基超合金激光打孔再鑄層及其控制研究進展［J］.激光雜志，2003，24（4）:1-3.

［6］翟立斌，趙宏亮，蔣茂華，等.金屬鉬薄片的355nm激光加工［C］//2007年中國機械工程學會年會論文集-第12屆全國特種加工學術會議專輯.長沙，2007:287-291.

［7］Kunieda M，Lauwers B，Rajurkar K P，et al.Advancing EDM through fundamental insight into the process［J］.Annals of the CIRP，2005，54（2）:64-87.

［8］朱派龍，周錦進.鎢鉬合金深小孔的電火花加工研究［J］.電加工與模具，2000（5）:12-15.

［9］Li Donglin，Zhu Di，Li Hansong.Microstructure of electrochemical micromachining using inert metal mask［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2011，55（1-4）:189-194.

［10］Li Donglin，Zhu Di，Li Hansong，et al.Effects of mask wall angle on matrix-hole shape changes during electrochemicalmachining bymask［J］.Journal of Central South University，2011，18:1115-1120.

［11］何鐵軍，汪煒，馮海娣，等.基于Taguchi方法的鉬柵網(wǎng)微細光刻電解試驗研究［J］.電加工與模具，2011（1）: 11-14.

［12］李冬林.模板電解加工群孔基礎研究及應用［D］.南京:南京航空航天大學，2010.

［13］王建業(yè)，徐家文.電解加工原理及應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

Study on M olybdenum Aperture Plate by Electrochem ical M achining w ith M ovable Cathode M ask

Li Hansong，Li Longwen，Gao Chuanping，Wang Guoqian
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

The development of science and technology and industrial production，the selection requirements of raw materials are tougher.Then puremolybdenum and molybdenum alloymaterials are widely used in themetal sheet with multiplemicro holes owing to their excellent performance.A new machining method，namely the electrochemicalmachining with movable cathode mask was put forward to study the effect of the five parameters including pressure of electrolyte，power duty cycle，temperature of electrolyte，power impulse frequency and machining voltage on themachining results ofmolybdenum aperture plate.The study showed that themachined multiplemicro holeswere featured with small taper and high accuracy when the pressure of electrolyte was 0.6 MPa，the power duty cycle was 20%，the temperature of electrolyte was 30℃，the power impulse frequency was 600 Hz and the machining voltage was 30 V.

molybdenum aperture plate；multiple micro holes；electrochemical machining with movable cathdemask；taper

TG662

A

1009－279X（2015）01－0037-05

2014-09-19

國家自然科學基金資助項目（51275233）；航空科學基金資助項目（2012ZE52068）

李寒松，男，1975年生，副教授。