微細電解加工中亞微米工具電極對刀方法研究

吳修娟，劉 宇

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇南京210023；2.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京210016）

高精密零部件通常有局部高精度加工要求或者微尺度結(jié)構(gòu)[1-3]，其中這些局部高精微細結(jié)構(gòu)是整個加工的關(guān)鍵。微細電解加工是微細加工領(lǐng)域重要的加工方法之一[4-5]。從加工機理來看，微細電解加工是以離子的形式去除材料，選用合適的加工條件和加工參數(shù)即可實現(xiàn)離子數(shù)量級的加工精度。但是，電解加工的精度主要受電場、流場、雜散腐蝕、工具電極形狀、對刀等多方面因素的影響，其中對刀精度在一定程度上決定著加工的精度。

在電解加工中，通常采用電接觸的方法進行對刀[6-7]。在對刀回路中施加低于電解加工電壓的直流電壓，工具電極低速向工件進給，并實時監(jiān)測該過程中回路電流情況；若工具電極與工件接觸則回路中電流將產(chǎn)生急劇突變，故可將該電流突變作為工具電極與工件對上刀的依據(jù)。對于亞微米尺度的工具電極而言，其尖端尺度通常小于1 μm。若采用前述直流電壓點接觸的方法進行對刀，電極尖端由于電荷積累易形成局部強電場，造成損毀。劉宇等[8]采用直流電源電壓1 V、進給速度2 μm/s的參數(shù)進行亞微米尺度工具電極的對刀實驗研究，結(jié)果表明電極尖端產(chǎn)生了不同程度的塑性變形、融化等問題。因此，針對亞微米尺度工具電極對刀時遇到的上述問題，本研究提出了一種基于納秒脈沖電源電流幅值劇增進行對刀的方法。

1 基于超短脈寬脈沖電源的對刀機理

由微細電解加工機理可知，當在工具電極與工件之間施加超短脈寬（納秒）電源時[9-10]，電極界面雙電層處于一個連續(xù)充電、放電的暫態(tài)過程，電極之間的等效電路見圖1。其中，If為法拉第電流，Ic為雙電層的充電電流，I0為電極間回路中的電流，Re為兩極間的電解液的電阻，雙電層可看作是電容Cd與電阻Rf的并聯(lián)。

圖1 電極間等效電路

由電路原理可得：

式中：Ic為雙電層電容的充電電流，為法拉第電流，將二者代入式（1）、式（2），由電路f原理及積分運算得電極電位φ與時間t的關(guān)系為：

則，此時的充電電流Ic為：

式中：φ∞為穩(wěn)態(tài)過電位；τ為雙電層的充電時間常數(shù)。 由式（3）、式（4）可知，若選擇的電源脈沖寬度遠大于雙電層的充電時間常數(shù)τ時，雙電層能完全被充電，電極電位達到穩(wěn)態(tài)過電位φ∞，此時電極過程為穩(wěn)態(tài)的電化學(xué)反應(yīng)過程，即發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。因此，若想利用納秒脈沖電源進行對刀，則需給電源選擇合適的脈沖寬度（小于雙電層的充電時間常數(shù)），使其達不到電化學(xué)反應(yīng)的電極電位，而雙電層一直處于充放電的狀態(tài)，則回路中的電流僅為雙電層的充放電電流ic。

對刀時，隨著工具電極逐漸向工件進給，兩電極的間距逐漸減小，極間電解液的等效電阻Re逐漸減小，則極間等效電阻R∥也隨之減小。由R∥=Re·Rf/（Re+Rf），又因 τ=Cd·R∥，則 τ隨之減小，最終 ic將隨之增加；當工具電極與工件無限接近時，極間等效電阻R∥為零，此時回路中的脈沖電流幅值劇烈增大。因此，對刀時回路中雙電層充放電電流ic會隨著兩電極的間距減小而逐漸增加，并且逐漸趨于某一值。

采用COMSOL Multiphysics軟件對對刀過程回路中雙電層充放電電流ic與兩個電極之間間距的對應(yīng)關(guān)系進行仿真，建立的計算模型見圖2。該模型是以邊界1為對稱軸的對稱模型。其中，邊界2為亞微米尺度工具電極表面，邊界5為工件表面，電極表面雙電層厚度為δ。邊界條件為[11]：

圖2 計算模型

模擬對刀時采用的超短脈沖電源參數(shù)為：幅值1 V、脈沖寬度50 ns、脈沖周期1 μs。模擬得到的對刀過程中邊界5在一個脈沖周期內(nèi)的充放電電流變化曲線見圖3。可見，當兩電極的間距為90 μm時，雙電層在8.5 ns時開始充電，隨后電流增大并達到峰值約為0.3 mA，再緩慢減小，至61.5 ns時，雙電層開始放電。同理，當兩電極的間距分別為10、5、2、1 μm時，雙電層充放電電流峰值分別為1.7、1.8、1.9、2 mA，這與式（3）所示規(guī)律相符。

圖3 電流隨著電極間間距的變化曲線

圖4是工具電極與工件接觸時的回路中電流的變化情況?？芍?，此時回路中電流的峰值急劇增大為約26.5 mA。這是因為，兩電極接觸時的極間等效電阻為零，而兩電極又均為金屬導(dǎo)體，電流直接從工件流向工具電極，使電流峰值急劇增大。

綜上可知，采用超短脈寬脈沖電源進行對刀時，脈沖電流峰值會隨著工具電極與工件間距的減小而逐漸增大并趨于某一固定值；當兩電極間距為零時，脈沖電流幅值將劇增。因此，可對工具電極向工件進給直至接觸的這一過程中的瞬時脈沖電流幅值進行監(jiān)測，經(jīng)多次試驗可獲得相同條件下的兩極瞬間接觸時的脈沖電流幅值劇增范圍，并設(shè)定該范圍為電流采集系統(tǒng)的閾值。在對刀時（在相同試驗條件下），當電流采集系統(tǒng)采集到的電流幅值達到該閾值時，即認為兩極接觸，并快速回退至初始加工間隙完成亞微米尺度工具電極的對刀。

圖4 工具電極與工件接觸時電流變化曲線

2 亞微米尺度工具電極對刀方案

采用亞微米尺度工具電極進行加工時，為了防止工具電極碰撞，通常采用較低的進給速率（約為0.1 μm/s），但低速率大幅度增加了對刀時間，導(dǎo)致整個電解加工的效率低。因此，為了提高對刀效率，可將亞微米尺度工具電極對刀分為粗對刀（進給速率為 100 μm/s）和精對刀（進給速率為 0.1 μm/s）的兩個過程（圖5）。

圖5 亞微米尺度工具電極的對刀方案

粗對刀過程主要在視覺輔助系統(tǒng)的幫助下進行。本研究采用的視覺輔助系統(tǒng)由NAVITAT光學(xué)顯微鏡（可連續(xù)放大12倍）和POINT GREY的CCD相機組成，可實現(xiàn)對試驗區(qū)域最大約100多倍的放大監(jiān)視。比如，初始加工間隙約為1～2 μm，通過視覺輔助系統(tǒng)可在計算機顯示屏上顯示的間距約為100～200 μm，而用肉眼則由于景深、光照等無法準確分辨。多次試驗結(jié)果表明，采用該視覺輔助系統(tǒng)可實現(xiàn)間距約為15～20 μm時的粗對刀，且粗對刀時的進給速率可達100 μm/s。

當粗對刀完成以后即進行精對刀，可將進給速率降低至約0.1 μm/s，并啟用回路瞬態(tài)電流監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測脈沖電流的幅值。回路瞬態(tài)脈沖電流監(jiān)測系統(tǒng)主要由TCP312有源電流探頭、TDS5104B示波器、PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡等組成，高采樣頻率均滿足納秒脈寬的要求。圖6是精對刀的控制過程?？梢姡秒娏魈筋^采集回路中電流的瞬態(tài)波形，并將此時的瞬態(tài)電流幅值與預(yù)先設(shè)置的電流觸發(fā)閾值相比較，若瞬態(tài)電流幅值大于所設(shè)置的觸發(fā)閾值，則示波器立即向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出脈沖信號，計數(shù)通道開始計數(shù)，微納電解加工控制系統(tǒng)不斷讀取數(shù)據(jù)卡中脈沖的個數(shù)，當發(fā)現(xiàn)個數(shù)不為零時，立即向伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，命令工具電極立即停止進給并快速回退至制定的初始位置，同時繼電器切斷回路，最終完成了亞微米尺度工具電極的對刀。

圖6 精對刀的控制過程

3 亞微米尺度工具電極對刀試驗

采用如圖7所示的亞微米尺度工具電極進行對刀試驗，其針尖圓弧半徑約為250 nm。對刀時采用的納秒脈沖電源參數(shù)為：脈沖周期1 μs、納秒脈沖寬度50 ns、脈沖幅值1 V。

圖7 尖端為亞微米尺度的工具電極

圖8是視覺輔助系統(tǒng)監(jiān)視下進行的粗對刀情況。工具電極以100 μm/s的速率向工件進給，當工具電極和工件的間距約為15～20 μm時，進給停止，完成粗對刀。然后啟動瞬態(tài)電流監(jiān)測系統(tǒng)進行精對刀，將電流閾值設(shè)置為10 mA，工具電極以0.1 μm/s的速率向工件進給，對刀過程中示波器采集到的一系列瞬態(tài)超短脈沖電流波形見圖9。雖然由于外界干擾，電流波形存在一定的毛刺，但具有典型的雙層充放電現(xiàn)象。隨著工具電極的進一步進給，電流幅值逐漸增大且逐漸趨于約2 mA，這與圖3所示的模擬理想狀態(tài)下的變化規(guī)律一致。

圖8 視覺輔助系統(tǒng)下的粗對刀

圖9 對刀時示波器采集的瞬態(tài)脈沖電流波形

工具電極繼續(xù)向工件進給，當示波器采集到的瞬態(tài)脈沖電流幅值大于設(shè)定的閾值10 mA時 （圖10所示采集到的電流幅值約為25 mA），立刻斷開電路且將工具電極快速回退2 μm時的位置，從而完成對刀。由圖11可見，對刀完成后的亞微米尺度工具電極的尖端完好。因此，采用基于超短脈寬脈沖電源的對刀方法以及粗、精分步的對刀方案可成功實現(xiàn)亞微米工具電極的對刀。

圖10 兩電極接觸時瞬態(tài)電流波形

圖11 對刀后的尖端為亞微米尺度的工具電極

4 結(jié)論

（1）提出了基于超短脈寬電源的對刀方法，并闡述了超短脈寬電源的對刀機理。超短脈沖電流的幅值隨著工具電極與工件之間的距離的減小而逐漸增大，并趨于某一固定值，而當兩電極間距為零時，電流幅值產(chǎn)生劇增，脈沖電流幅值的劇增可作為對上刀的評判依據(jù)。

（2）為了提高亞微米尺度的工具電極的對刀效率，提出了先利用視覺輔助系統(tǒng)進行粗對刀、后利用回路瞬態(tài)脈沖電流監(jiān)測系統(tǒng)進行精對刀的對刀方案。

（3）利用該方案進行對刀試驗時，采用的參數(shù)為：脈沖周期 1 μs、脈沖寬度 50 ns、脈沖幅值 1 V、電流閾值10 mA。試驗結(jié)果表明，本研究提出的方案可獲得了良好的對刀效果。