微細(xì)電極制備方法研究*

黃紹服，許聰聰

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引 言

微孔在航空航天、醫(yī)療器械及精密儀器等領(lǐng)域的核心零部件上應(yīng)用廣泛，這些微孔對加工表面質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求[1-3]。微細(xì)電火花加工及微細(xì)電解加工是微孔加工的常見方法。國內(nèi)外學(xué)者為完成微細(xì)電加工，提高微孔加工質(zhì)量和效率對普通中空工具電極提出了相應(yīng)的微細(xì)工具電極制備方法。

筆者主要介紹微細(xì)工具電極制備方法及其在異形工具電極加工中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了微細(xì)工具電極絕緣層的獲取方法。通過對電極和絕緣層制備方法的研究為新式工具電極的實現(xiàn)和微孔加工精度的進(jìn)一步改善提供技術(shù)參考，并分析了利用微細(xì)工具電極加工微孔的發(fā)展趨勢。

1 微細(xì)工具電極制備方法

1.1 反拷法

反拷法是一種以反拷塊作為工具電極，電極為待加工工件的微細(xì)電極在線制備方法，包括固定塊反拷法和旋轉(zhuǎn)圓盤反拷法。

日本金澤大學(xué)的LU和YONEYAMA[4]使用塊電極作為陰極，利用電火花放電進(jìn)行二次加工，獲得了直徑為φ0.3 mm的微細(xì)工具電極并加工出了直徑為φ10 μm的外圓柱面，對工具電極的偏心誤差進(jìn)行了修正。何興會、陳豫紅等人[5]通過優(yōu)化放電參數(shù)、電極材料和進(jìn)給方式，解決了在線加工微細(xì)電極的錐度問題，成功加工出直徑φ0.1 mm、長徑比達(dá)66的耐磨損電極。南京航空航天大學(xué)方越、劉嘉和徐正揚[6]提出了小加工間隙反拷法電解加工方法，提高了反拷法的加工精度。圖1中的(a)、(b)分別為固定塊反拷法和旋轉(zhuǎn)圓盤反拷法示意圖。

圖1 電極制作方法

反拷法是制備中空微細(xì)工具電極最常用的方法之一，但是反拷法不僅可以制備普通中空微細(xì)圓柱電極，通過將待加工電極旋轉(zhuǎn)一定角度后，還可以用來制備不同形狀的微細(xì)工具電極。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙雍建，康敏等人[7]設(shè)計了四種不同結(jié)構(gòu)的方形陰極，如圖2所示。使用該結(jié)構(gòu)工具電極，可以加工出特定形態(tài)的方孔，擴(kuò)大了微孔加工的應(yīng)用范圍。

圖2 陰極結(jié)構(gòu)示意圖

不同于側(cè)面開槽的圓柱形電極，在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的五邊形電極由于具有相對較大的側(cè)壁間隙，更有利于加工區(qū)域內(nèi)加工產(chǎn)物的排出。圖3為圓柱管電極和五邊形管電極示意圖。彭勵強(qiáng)，郭鐘寧等人[8]應(yīng)用直徑2.5 mm的五邊形管電極進(jìn)行了加工孔實驗研究，結(jié)果表明五邊形管電極在不同參數(shù)下的材料去除率優(yōu)于普通管電極。設(shè)計不同的工具電極并通過反拷法制備該電極，此方法為改善工具電極的結(jié)構(gòu)提供了一定的技術(shù)保障。

圖3 圓柱管電極和五邊形管電極示意圖

1.2 線電極電火花磨削法

線電極電火花磨削法(Wire Electrical Discharge Grinding，WEDG)是一種利用電極與工件之間的脈沖放電蝕除多余材料的微細(xì)電極制備方法。WEDG可以制備圓柱、方柱、三角柱的微細(xì)電極，彌補(bǔ)反拷法加工不同橫截面電極時由于偏心和傾斜而產(chǎn)生的誤差。圖1(c)所示即為線電極電火花磨削法工作原理示意圖。

1984年，日本東京大學(xué)的增澤隆久[9]發(fā)明了線電極放電磨削法，利用該技術(shù)成功地加工出直徑5 μm的微孔。王振龍等[10]把反拷塊和WEDG裝置結(jié)合起來制作微細(xì)電極，實現(xiàn)了微細(xì)工具電極的在線制作，但是這種方法不適用于復(fù)雜的異形電極。Feng-Tsai Weng[11]等采用多重電火花磨削工藝制備微細(xì)工具電極，同時，利用CCD攝像機(jī)觀察加工過程以便于在線控制尺寸。Yin Qingfeng[12]等結(jié)合了塊電極放電磨削和線電極放電磨削方法，提出雙塊電極電火花磨削加工，所加工出的電極直徑誤差、圓柱度誤差均小2μm，提高了加工效率。圖4(a)為雙塊電極電火花磨削示意圖，(b)是該方法的三維示意圖。相較于反拷法，線電極電火花磨削法改善了加工過程中的偏心誤差，不僅可以實現(xiàn)了工具電極的優(yōu)化途徑，同時也進(jìn)一步提高了加工質(zhì)量。

圖4 雙塊電極電火花磨削加工示意圖

1.3 電化學(xué)腐蝕法

電化學(xué)腐蝕法利用金屬材料陽極溶解原理進(jìn)行微細(xì)電極加工。在電化學(xué)腐蝕加工過程中，電極溶解過程中的“尖端效應(yīng)”和“包裹效應(yīng)”相互抵消，達(dá)到溶解平衡狀態(tài)，使用該法制備出的電極具有無毛刺和殘余應(yīng)力，表面粗糙度值小等優(yōu)點[13]。圖5所示為電化學(xué)腐蝕法加工微細(xì)工具電極原理示意圖[14]。

圖5 電化學(xué)腐蝕法加工原理

交換工具電極和工件的極性能夠獲得與電化學(xué)加工相適應(yīng)的微細(xì)工具電極，可以避免工具電極因兩次夾緊而造成的位置誤差和夾緊誤差，提高工具電極的加工精度[15]。浙江工業(yè)大學(xué)何志偉，王明環(huán)等人[16]使用平板陰極電化學(xué)腐蝕法，把毛坯加工成圓柱狀的微細(xì)工具電極，提高了加工定域性，降低了孔的錐度。為了解決電解加工過程中加工產(chǎn)物難以運輸?shù)膯栴}，陳偉、劉壯等人[17]使用電化學(xué)腐蝕的方法制備了錐形電極，并采用真空氣相沉積聚對二甲苯將電極側(cè)壁絕緣。使用該電極在0.5 mm厚的不銹鋼板上進(jìn)行了電解加工定域性研究，改進(jìn)后的工具電極具有更高的定域加工性，電解產(chǎn)物更易從加工間隙中排出。圖6為錐形電極加工示意圖。南京航空航天大學(xué)劉勇[15]等人使用電化學(xué)腐蝕法與單脈沖放電加工組合技術(shù)搭建了微米級的微柱狀電極系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)制備出直徑30 μm的微細(xì)球狀電極。圖7為所制備出的微細(xì)球狀電極。

圖6 錐形電極示意圖 圖7 微細(xì)球狀電極

1.4 其他微細(xì)工具電極制備方法

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新方法、新工藝層出不窮。微細(xì)電極的制備方法也在不斷更新。LIGA(Lithography,Galvanoformung,Abformung)工藝作為微納加工技術(shù)的一個典型代表，不僅可以制造具有較大深寬比的結(jié)構(gòu)，還可以用來加工聚合物、玻璃等材料[18]。Takahata K[19]等人利用LIGA技術(shù)成功實現(xiàn)直徑尺寸為20 μm的群電極加工。胡洋洋[20]用LIGA與微細(xì)電火花組合方法制造出高徑比達(dá)17.65的微細(xì)陣列群電極，但該方法制備出的群電極的力學(xué)性能較脆弱。

2 微細(xì)工具電極側(cè)壁絕緣方法

2.1 應(yīng)用樹脂材料的絕緣方法

微細(xì)電極尺寸較小，為了更好的約束電場，減少雜散腐蝕范圍，提高加工定域性，將電極側(cè)壁絕緣處理已成為常用手段。

絕緣層材料有乙烯類樹脂、環(huán)氧樹脂、ABS樹脂等[21]，而樹脂類薄膜由于強(qiáng)度高、耐熱性好等原因已成為最常用的絕緣層材料。電泳是在電場作用下，使溶液中帶電粒子定向移動到與自身極性相反的電極并在其表面沉積的過程[22]。環(huán)氧樹脂具有良好的耐熱性、絕緣性以及機(jī)械性能[23]。環(huán)氧樹脂電泳法制備的中空電極側(cè)壁絕緣層具有較高的致密性，待涂覆的絕緣層不會受到高溫環(huán)境的影響。圖8為電泳鍍膜過程示意圖[24]。

圖8 電泳鍍膜過程示意圖

2.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法利用氣態(tài)或蒸汽態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生反應(yīng)生成固態(tài)沉積物。CVD技術(shù)按照壓力分類，包括低壓CVD，常壓CVD和亞常壓CVD。采用CVD技術(shù)將碳化硅沉積在鎢電極表面，可抑制側(cè)壁雜散電流的作用[25]。Liu,G.D.[26]等利用低壓化學(xué)氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)提高了沉積速率，得到了截面尺寸為91×52 μm、長度為1～2 mm、厚度為800 nm的絕緣膜。CVD制備的絕緣膜雖然絕緣性能良好，但是絕緣層和電極之間的熱膨脹系數(shù)差距過大，反應(yīng)溫度過，絕緣層的使用壽命較短。

2.3 其他方法

黃紹服等[27]應(yīng)用工具電極高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行微小孔加工，發(fā)現(xiàn)工具電極高速旋轉(zhuǎn)，在加工間隙內(nèi)產(chǎn)生離心分離作用，分離出的氣泡覆蓋在工具電極外側(cè)產(chǎn)生了一定的絕緣作用。受限于復(fù)雜的化學(xué)工藝設(shè)備及流程，物理隔絕式工具電極不失為一種有效的替代方法。套管法在電極側(cè)壁上涂抹環(huán)氧樹脂膠，套入絕緣套管以得到所需要絕緣電極。該電極在進(jìn)給速度為0.42 mm/min，電壓為14 V時可以穩(wěn)定加工直徑為600 μm，深度為12 mm的微小深孔[28]。上述絕緣電極雖然可以有效改善加工孔質(zhì)量，但是套管電極增加了工具電極的直徑，在加工過程中常常會阻礙電極的進(jìn)給，同時對“喇叭口”的改善效果并不明顯，雜散腐蝕沒有得到更好的控制。天津大學(xué)張輝[29]分別對裸陰極、側(cè)壁絕緣陰極和縮進(jìn)陰極進(jìn)行了研究。圖9為側(cè)壁絕緣縮進(jìn)示意圖。

圖9 側(cè)壁絕緣縮進(jìn)陰極示意圖

模擬加工間隙的電位與電流密度的分布情況?？s進(jìn)陰極能夠更加有效的約束電場，減少雜散腐蝕的范圍。

使用不同方法獲取的側(cè)壁絕緣電極對加工定域性的改善及加工質(zhì)量的提高效果顯著。雖然絕緣層改變了工具電極的電場分布，受電極形狀的影響，電極周圍的電場及內(nèi)部流場分布會發(fā)生二次變化，在電場、流場、溫度場等多場耦合作用下會產(chǎn)生新的雜散腐蝕現(xiàn)象，對這方面的問題需要進(jìn)一步的研究與討論。

3 總結(jié)與展望

聚焦于新型工具電極的制備方法研究，對于不同方法在異形工具電極制備中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與討論，同時總結(jié)了絕緣層的制備手段。通過對電極和絕緣層制備方法的研究為新式異形電極的設(shè)計和制備提供了技術(shù)參考，對微細(xì)工具電極的創(chuàng)新和更高精度的微孔加工具有重要意義。

在使用電火花和電解加工方法加工微孔的過程中，微細(xì)工具電極是影響加工效果的關(guān)鍵因素之一。為應(yīng)對不斷提高的加工要求，設(shè)計新型工具電極是必然趨勢，同時電極的制備方法也要求得到相應(yīng)的改進(jìn)?，F(xiàn)有的常規(guī)電極制備方法部分滿足了新型電極的制備要求，結(jié)合當(dāng)下技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，在可以預(yù)見的未來，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，使用3D打印技術(shù)制備微細(xì)工具電極和微細(xì)工具電極絕緣層將成為可能，微細(xì)工具電極制備技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步提高微孔加工表面質(zhì)量及加工精度。