側(cè)壁絕緣電極的微槽電化學(xué)放電加工特性研究

唐偉東，康小明

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

電化學(xué)放電加工 （electrochemical discharge machining，ECDM）是用于加工玻璃、石英、陶瓷等絕緣硬脆材料的有效微加工方法。它是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜加工過程，主要包括電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡、氣泡在工具電極周圍融合形成氣膜、氣膜被擊穿產(chǎn)生放電、放電產(chǎn)生的高溫將工件材料去除。在加工過程中，不穩(wěn)定的氣膜和放電會導(dǎo)致不規(guī)律的材料去除，因此，要獲得高質(zhì)量、可重復(fù)加工的微結(jié)構(gòu)變得困難。

為了提高電化學(xué)放電加工性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了很多新的工藝方法。Wüthrich等[1]在電解液中加入肥皂水來減小氣膜厚度，以提高加工重復(fù)率。Han等[2]在電解液中加入導(dǎo)電顆粒，以提高加工表面完整性。Yanget等[3]提出一種端部為球形的球狀電極，球的直徑比電極柱體直徑大，該結(jié)構(gòu)的電極在加工時(shí)可避免氣泡積聚在加工孔入口處，從而提高加工表面質(zhì)量和精度。孫艷琪等[4]提出一種力反饋控制進(jìn)給方法，有效改善了加工孔入口的質(zhì)量，減小了孔的錐度。

在電化學(xué)放電加工過程中，電極浸沒于溶液的部分都會產(chǎn)生氣泡，并最終被形成的氣膜包裹，而存在氣膜的地方就有可能產(chǎn)生放電。因此，電極底部和側(cè)壁均會產(chǎn)生放電。電極底部區(qū)域的放電有利于材料的去除和加工的進(jìn)行，而電極側(cè)壁區(qū)域的放電會破壞加工結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和工件表面位置的加工質(zhì)量。因此，有必要抑制電極的側(cè)壁放電。在之前的研究中，Han等[5]提出一種簡易的側(cè)壁絕緣電極，使用一個(gè)陶瓷管套在電極的部分區(qū)域達(dá)到局部側(cè)壁絕緣的效果，這種絕緣雖能抑制液面位置的放電，但不能達(dá)到完全絕緣的效果。此外，由于陶瓷管直徑約為電極直徑的三倍，加工過程中陶瓷管會阻礙電極的進(jìn)給，限制了加工深度。為了使電極達(dá)到完全側(cè)壁絕緣的效果，本文提出一種金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極，分析其加工特性并進(jìn)行微槽加工實(shí)驗(yàn)，還與傳統(tǒng)無絕緣電極的加工效果進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

ECDM實(shí)驗(yàn)裝置主要由微細(xì)電火花加工機(jī)床和附加的ECDM加工裝置構(gòu)成（圖1）。微細(xì)電火花加工機(jī)床包括控制系統(tǒng)和三軸精密運(yùn)動(dòng)平臺，其X、Y、Z軸均由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)分辨率為0.1μm。固定在Z軸上的NSK型電主軸可實(shí)現(xiàn)對加工電極的夾持和旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速范圍為0～25 000 r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑向跳動(dòng)小于2μm。為了實(shí)現(xiàn)ECDM加工，在三軸運(yùn)動(dòng)平臺上集成了一個(gè)包括加工槽、工作液和工件系統(tǒng)及ECDM電源的ECDM裝置。實(shí)驗(yàn)中的電流和電壓均通過示波器進(jìn)行采集。

圖1 電化學(xué)放電加工實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 側(cè)壁絕緣電極

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)所用的側(cè)壁絕緣電極是由硬質(zhì)合金微鉆為基體的電極制成。硬質(zhì)合金材料的電極具有良好的導(dǎo)電性和極高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，且作為陰極使用時(shí)在NaOH溶液中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，故經(jīng)常作為電化學(xué)放電加工的工具電極使用。而微鉆上的螺旋槽結(jié)構(gòu)能促進(jìn)電解液流動(dòng)，使電解液順利進(jìn)入加工電極端部，有利于加工的進(jìn)行。電極表面的金剛石涂層采用熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）方法制成。為了使電極端部的導(dǎo)電材料露出，在完成涂層制備后，用電火花線切割方法將電極端部割斷，并用砂紙打磨割斷面，去除熱影響層。硬質(zhì)合金電極的初始直徑為250μm，沉積涂層后的直徑為258μm，金剛石涂層厚度為4μm。由于電極側(cè)壁與加工材料的間隙足夠大，所以4μm的涂層厚度不會阻礙電極進(jìn)給。

在電化學(xué)放電加工中，加工區(qū)域的溫度一般會超過600℃。由表1可知，金剛石具有極高的熔點(diǎn)，可承受電化學(xué)放電加工的高溫工況。同時(shí)，金剛石的電阻率為1012Ω·cm，可起到較好的絕緣作用。由于電化學(xué)放電加工所用的溶液一般為堿性溶液（氫氧化鈉溶液），而金剛石在堿性溶液中具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，所以金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極能用于電化學(xué)放電加工。

圖2 金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極和傳統(tǒng)電極

表1 金剛石材料屬性

為了與側(cè)壁絕緣電極的加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比，同時(shí)采用了一個(gè)無涂層的硬質(zhì)合金鉆頭電極用于對比實(shí)驗(yàn)。如圖2b所示，該傳統(tǒng)電極的端部也被削平，以與側(cè)壁絕緣電極的形狀保持一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

加工工件為石英，將其浸沒在濃度為6 mol/L的NaOH溶液中，浸沒深度為2 mm。實(shí)驗(yàn)中，采用石墨作為輔助電極，加工電源為脈沖電源，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。加工完成后，用顯微鏡對加工槽的幾何特征和表面形貌進(jìn)行觀察和測量。

表2 電化學(xué)放電加工微槽實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2 結(jié)果與討論

2.1 電流-電壓特性曲線

圖3是傳統(tǒng)電極和側(cè)壁絕緣電極在不同的電極浸沒深度下的平均電流-電壓特性曲線?？梢姡€被分成四個(gè)部分。在線性區(qū)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)兩種電極的電流-電壓曲線幾乎都是線性增加。如圖3a所示，對于傳統(tǒng)電極而言，電極浸沒深度越大，曲線斜率越大，這是由于電極上的電化學(xué)反應(yīng)面積隨著電極浸沒深度的增加而增大，在相同電壓下電極浸沒越深，電化學(xué)反應(yīng)電流越大，曲線斜率就越大；如圖3b所示，側(cè)壁絕緣電極的曲線斜率幾乎不隨著電極浸沒深度變化而變化，這是由于側(cè)壁絕緣電極的側(cè)壁被絕緣層包裹，只有電極端部與溶液接觸，其電化學(xué)反應(yīng)面積不會隨著電極浸沒深度變化而變化，故曲線斜率也不變。

圖3 不同電極的電流-電壓特性曲線

在飽和區(qū)，電流達(dá)到飽和狀態(tài)。隨后，電流由飽和狀態(tài)進(jìn)入躍變區(qū)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)化電壓稱為臨界電壓、轉(zhuǎn)化電流稱為臨界電流。圖4是臨界電壓隨著電極浸沒深度變化的曲線。可見，兩種電極的臨界電壓均隨著浸沒深度的增加而增大，其中側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓增加得更快。當(dāng)浸沒深度為1 mm時(shí)，側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓比傳統(tǒng)電極的臨界電壓小，之后隨著浸沒深度增加，側(cè)壁絕緣電極的臨界電壓變得比傳統(tǒng)電極的臨界電壓大。對于側(cè)壁絕緣電極，盡管電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在電極端部，相較于傳統(tǒng)電極其電化學(xué)反應(yīng)面積更小，但較小的反應(yīng)面積使氣膜不易被吸附在電極表面，特別是生成的大氣泡易受浮力作用脫離電極；浸沒深度越深，浮力越大，氣膜越不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致如圖3b所示的飽和區(qū)擴(kuò)大，從而使臨界電壓變大。

圖4 不同電極的臨界電壓隨著電極浸沒深度的變化曲線

圖5 是臨界電流隨著電極浸沒深度變化的曲線?？梢?，傳統(tǒng)電極的臨界電流隨著浸沒深度增加而增大。而對于側(cè)壁絕緣電極，由于其電化學(xué)反應(yīng)面積不變，臨界電流幾乎不隨著浸沒深度變化而變化，且臨界電流的大小相對于傳統(tǒng)電極大幅降低。經(jīng)過躍變區(qū)后，電流-電壓曲線進(jìn)入放電區(qū)，此時(shí)在電極上可觀察到火花放電，電極進(jìn)入加工狀態(tài)。

圖5 不同電極的臨界電流隨著浸沒深度的變化曲線

2.2 單層銑削加工

為了比較兩種電極的加工能力，特別是電極在微槽加工表面進(jìn)行一次直線掃描運(yùn)動(dòng)后的加工深度，采用兩種電極在相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行了單層銑削加工。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：電壓為33 V，電極與工件的間隙為10μm，電極的直線掃描長度為1.2 mm，其他參數(shù)見表2。

圖6是傳統(tǒng)電極在石英表面進(jìn)行一次直線掃描運(yùn)動(dòng)后得到的微槽，用共聚焦顯微鏡對微槽進(jìn)行測量，得到其最大槽深為38.7μm。圖7是側(cè)壁絕緣電極在石英表面進(jìn)行單次掃描加工后的微槽，測得其最大槽深為17.5μm。由此可見，電極側(cè)壁絕緣后，其加工效率下降，相同條件下加工的微槽深度比未絕緣時(shí)減少了21μm。

側(cè)壁絕緣電極加工效率的降低與其放電特性有關(guān)。為了解釋其原因，采集了兩種電極在加工過程中的電流波形，比較其放電特性。圖8是兩種電極在加工過程中的電流波形曲線。對于傳統(tǒng)電極，電流信號中的大脈沖為電化學(xué)反應(yīng)電流，用于生成氣泡，其余的小電流為放電電流；不管是電化學(xué)反應(yīng)電流還是放電電流，其幅值均較穩(wěn)定，說明加工時(shí)電極周圍的氣膜較穩(wěn)定，放電較規(guī)律。對于側(cè)壁絕緣電極，加工時(shí)的電流信號波動(dòng)較傳統(tǒng)電極大，說明加工時(shí)電極周圍的氣膜不穩(wěn)定，放電不規(guī)律。根據(jù)前文分析，側(cè)壁絕緣電極的氣膜只在電極端部產(chǎn)生，由于電極端部面積較小，形成的氣膜不易被吸附，且電極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也會導(dǎo)致氣膜破裂和逃逸，從而使加工過程中氣膜重建的時(shí)間比重增大，進(jìn)而壓縮放電時(shí)間。因此，不規(guī)律的放電和較短的放電時(shí)間導(dǎo)致了加工效率的降低。

圖6 傳統(tǒng)電極單層銑削后的微槽（×500）

圖7 側(cè)壁絕緣電極單層銑削后的微槽（×500）

圖8 兩種電極在加工中的電流波形圖

2.3 微槽加工

為了研究側(cè)壁絕緣電極對微槽加工質(zhì)量的影響，使用側(cè)壁絕緣電極在石英工件上進(jìn)行微槽加工，并將加工結(jié)果與相同條件下使用傳統(tǒng)電極加工的微槽進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)分別在30、33、36 V三種加工電壓條件下進(jìn)行，加工過程中電極作往復(fù)掃描運(yùn)動(dòng)，掃描長度為1.2 mm，掃描完一層后電極向下進(jìn)給15μm，一共向下進(jìn)給90μm。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2。

圖9、圖10分別是兩種電極在不同電壓下加工的微槽。由于兩種電極的放電特點(diǎn)不同，特別是電極側(cè)壁位置的放電不同會對加工槽的寬度產(chǎn)生影響。由圖9、圖10可見，不同電極加工的微槽邊緣由于化學(xué)刻蝕而產(chǎn)生的破壞情況不一樣，接下來分別對槽的寬度和槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度進(jìn)行了比較。

圖9 側(cè)壁絕緣電極在不同電壓下加工的微槽（×500）

圖10 傳統(tǒng)電極在不同電壓下加工的微槽（×500）

圖11是兩種電極加工的槽寬度比較?？梢姡瑑煞N電極加工的槽寬均隨著加工電壓的增加而增大。當(dāng)電壓從30 V增至36 V時(shí)，側(cè)壁絕緣電極加工的槽寬從313μm增至341μm，而傳統(tǒng)電極加工的槽寬從330μm增至366μm。相比于傳統(tǒng)電極，側(cè)壁絕緣電極加工的槽寬度更小，說明加工時(shí)的徑向過切量更小。

圖11 不同電極加工的微槽寬度比較

當(dāng)電極直徑為250μm、加工電壓為30 V時(shí)，可得側(cè)壁絕緣電極的徑向過切量為31.5μm。而在相同加工條件下，傳統(tǒng)電極的徑向過切量比側(cè)壁絕緣電極多約10μm。由此可得出，使用側(cè)壁絕緣電極后，電極側(cè)壁放電被抑制，可使加工時(shí)的徑向過切量減少，從而使槽寬更小，提高了加工精度。

圖12是兩種電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度比較?？梢?，使用側(cè)壁絕緣電極后，刻蝕區(qū)寬度大幅降低，降幅約50%。當(dāng)加工電壓分別為30、33 V時(shí)，側(cè)壁絕緣電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度分別只有8.5、11μm，且從圖9a、圖9b中也可看出，側(cè)壁絕緣電極加工槽邊緣基本沒有被破壞，質(zhì)量相對較好，說明側(cè)壁絕緣電極能提高微槽的加工表面質(zhì)量。

圖12 不同電極加工的微槽邊緣刻蝕區(qū)寬度比較

3 結(jié)論

本文提出了一種金剛石涂層側(cè)壁絕緣電極，并用該電極進(jìn)行了電化學(xué)放電加工微槽實(shí)驗(yàn)，還與傳統(tǒng)電極的微槽加工結(jié)果進(jìn)行了比較，得到如下結(jié)論：

（1）電極側(cè)壁絕緣后，對電流-電壓曲線有明顯影響。一方面，由于側(cè)壁絕緣減少了電極的電化學(xué)反應(yīng)面積，極大地減小了臨界電流；另一方面，電化學(xué)反應(yīng)面積的減少使電極上的氣膜不穩(wěn)定，從而增加了臨界電壓。

（2）相比于傳統(tǒng)電極，側(cè)壁絕緣電極能有效減少加工中的徑向過切量和加工槽邊緣刻蝕區(qū)的寬度，提高微槽的加工精度和質(zhì)量，但其加工效率有所下降。