針對慢波微結構的電解射流加工電流密度調制研究

荊 奇 ，李飄庭 ，張勇斌 ，李 建 ，吉 方

（ 1. 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900；2. 復旦大學光科學與工程系，上海 200438；3. 四川大學制造科學與工程學院，四川成都 610065 ）

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，帶有復雜微小結構特征的零件被廣泛應用于航空航天、醫(yī)療器械和電子工業(yè)等領域。 在許多典型的軍事領域，能產生太赫茲波的太赫茲輻射系統(tǒng)具有重要的應用前景。 行波管是一種基于真空電子學的太赫茲輻射源，有著寬帶寬、高功率等明顯優(yōu)勢。 慢波微結構是行波管的關鍵組件，隨著太赫茲系統(tǒng)工作頻率的提高，慢波微結構的特征尺寸越來越小，加工精度和表面粗糙度要求也越來越高，給現(xiàn)有的微細加工技術帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

在眾多針對微小特征的加工方法中，電解射流加工（electrochemical jet machining，ECJM）技術是一種基于陽極溶解原理的加工方法，有高效、無毛刺、無熱影響區(qū)和重鑄層、無刀具損耗等優(yōu)勢[1]。 在電解射流加工中，電解液通過陰極噴嘴噴射到金屬陽極表面進行去除加工，通過控制噴嘴移動而獲得各種復雜的微小特征。 電解液束的微小形態(tài)決定了電場的集中分布， 從而保證了電解射流加工的高定域性，同時高速的電解液流動能夠及時帶走電解產物和熱量，補充加工區(qū)域的電解液，使加工持續(xù)穩(wěn)定進行。 Hackert 等[2]用電解射流加工方法加工出了直徑約為噴嘴內徑2.2 倍、尺寸高度一致的陣列凹坑，通過控制噴嘴的運動方式得到不同形狀、 深度、寬度的孔與溝槽，展現(xiàn)了電解射流加工在點蝕、切割、鉆孔和銑削加工方面的可觀能力。

電解射流加工中電流密度對加工精度和表面質量有重要影響[3]。 雖然電解射流加工已將電流密度約束至電解液束的尺寸范圍內，但由于噴射排液的限制， 噴嘴出口與工件表面的距離不能過近；另外， 受限于電解液束的流場分布及較低的電導率，電解液束噴射至工件表面時的電流密度分布仍不夠集中，降低了電解加工的定域性，導致加工出的微小特征存在較大的過切，且深度有限，影響深徑比的提升，也會影響特征表面質量與邊緣質量。

為進一步提高射流電解的定域性，研究人員采用拉制的毛細玻璃管作為噴嘴，采用幾百甚至上千伏的加工電壓進行電液束噴射加工[4-5]。 該方法在大深徑比孔的高效加工方面具有較大優(yōu)勢，但較高的電壓使兩極之間出現(xiàn)輝光放電現(xiàn)象，產生放電蝕除和燒蝕，降低了加工質量，而且易損壞毛細噴嘴；另外，由于毛細玻璃管極易碰撞損壞，不容易控制其進行掃描銑削加工，同時過小的噴嘴內徑易造成堵塞，對循環(huán)系統(tǒng)也有著苛刻的要求。Goel 等[6]采用軸向輔助吹壓縮空氣的方法，有效避免了噴嘴與工件之間由于液體表面張力作用造成的電解液包覆噴嘴現(xiàn)象，從而避免了加工電流密度的降低，進一步提高了電解射流加工的定域性。 Guo 等[7-8]提出一種電解液回流式電化學加工方法，能夠可控地將電解液集中在電極下方的微小區(qū)域內，避免了電解液的飛濺，有效地集中了電流密度；但由于受重力和表面張力的限制，這種加工方法電解液的流速和電極進給速率都遠低于電解射流加工方法。 為提高加工效率和表面質量，Liu 等[9]將電解射流加工與磨料射流加工結合， 在電解液中混入氧化鋁磨料顆粒，實驗結果表明，這種方法的加工效率更高且能夠獲得相比于單一電解射流加工更高的表面質量。

為實現(xiàn)特征尺寸小、表面質量高的慢波微結構的加工，需要將電解射流加工的電流密度調制在更加集中的范圍內，本文提出一種電極絲前置電解射流加工技術，通過在電解液射流束的中部加入電極絲，使其伸出噴嘴出口并被高速電解液約束。 在闡述了加工原理的基礎上，建立了電場模型對其電流密度分布和加工過程進行了仿真試驗研究，并通過工藝實驗驗證了電極絲前置電解射流加工方法的可行性。

1 加工原理與仿真研究

1.1 加工原理

圖1 是幾種加工的原理示意，相比電解射流加工，電極絲前置電解射流加工在噴嘴中部加入電極絲，并從噴嘴出口懸伸出一定長度。 電解液從噴嘴噴出形成穩(wěn)定的液束，包覆在電極絲周圍約束住電極絲，工件接電源正極、電極絲接電源負極，通過控制噴嘴和電極絲靠近工件，實現(xiàn)對工件陽極的電解去除加工。 如圖1c 所示，若在試驗前對電極絲進行側壁絕緣處理，即為側壁絕緣電極絲前置電解射流加工。

電極絲前置電解射流加工通過調整電極絲懸伸出噴嘴出口的長度，并且檢測電極絲端面與工件之間的電信號， 以獲得合適的極間距離和工作距離，避免短路發(fā)生。 如同電解射流加工，高速的電解液射流可迅速帶走電解反應產物和熱量，使極間能夠及時充分地補充新鮮的電解液，保證電解加工的穩(wěn)定。

1.2 仿真模型與結果

采用Comsol 軟件對圖1 中三種加工方式的電流密度分布及加工過程進行電場建模和仿真研究。電解射流加工采用的噴嘴為圓形出口，加工過程中液束和電極絲都可假定是軸對稱，因此采用二維軸對稱模型，且事先確定了射流束的流動形貌，并保持噴嘴與工件初始表面的相對位置不變，模型均采用自由三角形網格劃分， 所得的電解射流加工、電極絲前置電解射流加工、側壁絕緣電極絲前置電解射流加工的模型與網格分別見圖2～圖4。 其中，區(qū)域Ⅰ均代表噴嘴，區(qū)域Ⅱ和Ⅲ均代表電解液，區(qū)域Ⅳ代表電極絲，區(qū)域Ⅴ代表絕緣層。

區(qū)域Ⅲ的電解液薄層是為了減少變形計算區(qū)域而設置的，其厚度為5 μm，對計算結果的影響可以忽略。 模型的噴嘴內徑為500 μm，電極絲直徑為100 μm，工作距離為 500 μm，極間距離為 60 μm，絕緣層厚度為10 μm，此外各區(qū)域材料屬性見表1。

表1 材料屬性

在Comsol 軟件中選用“電流”模塊進行電場計算， 由于實驗時在電路中串接固定的電阻保護電源，并保持電源總電壓不變，所以三種加工方式的兩極電壓不同， 通過測量三種加工方式的加工電流，計算出其兩極之間的實際電壓。 選用“變形幾何”模塊模擬工件表面的輪廓變化，根據(jù)法拉第定律，電解射流加工時工件表面的法向變形速度取決于其法向電流密度[10]，見下式：

式中：η 為電流效率；M 為工件材料的相對分子質量；zA為相對化合價；ρ 為材料密度；F 為法拉第常數(shù)為法向電流密度。

經過數(shù)值計算，獲得了上述三種加工方法的初始電流密度分布和加工10 s 后工件輪廓的情況，分別見圖 5～圖7。

從仿真結果可看出，電解射流加工的電流密度在電解液束范圍內呈現(xiàn)中心高邊緣低的分布，但電流密度整體處于較低的水平，中心與邊緣的差異較?。辉诩尤腚姌O絲后，由于電極絲的電導率較高，電極絲前置電解射流加工技術的電流密度整體處于較高水平， 且主要集中于中部電極絲所處的范圍內，電解液束中心的電流密度明顯高于邊緣，電流密度的集中作用非常明顯；進一步，對電極絲進行側壁絕緣處理后，通過絕緣層阻斷了電極絲側面的電流，使側壁絕緣電極絲前置電解射流加工的電流密度主要集中于中部電極絲的端面，進一步約束了電流密度，使電解液束中心的電流密度達到更高水平，同時有力抑制電解液束邊緣的電流密度，有效地將電流密度調制集中于電解液束的中心位置。

圖8 是提取初始階段工件表面的電流密度分布，可更加直觀地看出在工件表面的電流密度分布情況。 可見，側壁絕緣電極絲前置電解射流加工方式的電解液束中心電流密度最大但在邊緣的電流密度最小， 從中心到邊緣的電流密度下降速度較快，反映為對工件材料去除的定域性更高。

2 實驗裝置與結果分析

2.1 實驗裝置與參數(shù)

圖9 是實驗搭建的平臺， 由電解液儲液槽、齒輪泵、壓力傳感器、三維位移平臺、電極絲前置噴頭、加工槽、直流穩(wěn)壓電源、電流表、時間繼電器等部位組成。 工件由夾具固定于加工槽內，通過三維位移平臺控制電極絲前置噴頭移動靠近工件，并調整至所需的工作距離和極間距離；調整齒輪泵的轉速達到合適的電解液壓力，形成穩(wěn)定的電解液射流束噴射至工件表面，電極絲前置噴頭的電極絲接電源負極、工件接電源正極，實現(xiàn)對工件的穩(wěn)定電解去除。

為了研究無電極絲、加入電極絲和加入側壁絕緣電極絲后的加工效果，設置對比實驗，電極絲前置電解射流加工技術采用直徑100 μm 銅絲， 側壁絕緣電極絲前置電解射流加工采用直徑100 μm 絕緣銅絲，其余實驗參數(shù)見表2。

表2 實驗參數(shù)

2.2 結果與分析

圖10 為三種方法加工10 s 時凹坑的掃描電鏡照片，可見，在加入電極絲和側壁絕緣電極絲后凹坑的直徑均略有增大。 對比左側凹坑邊緣和右側凹坑中部的放大照片可見，在沒有電極絲時，凹坑邊緣的孔隙粗大，雜散腐蝕現(xiàn)象明顯，凹坑中部表面粗糙，顆粒感明顯；加入電極絲后，由于電流密度整體提升，凹坑邊緣的電流密度少量提升、凹坑中部電流密度較大提升，凹坑邊緣仍然存在較為明顯的雜散腐蝕現(xiàn)象，表面孔隙粗大，凹坑中部的表面更為細致光滑；加入側壁絕緣電極絲后，由于電流密度得到有效的集中調制，中部電流密度處于更高的水平，邊緣的電流密度得到有效的抑制并處于較低水平，凹坑邊緣孔隙變得細小，雜散腐蝕現(xiàn)象減弱，凹坑中部表面變得更加細致光滑。

圖11 為三種方法加工10 s 時凹坑的輪廓對比情況，可見，沒有電極絲時凹坑直徑和深度最小，去除效率最低； 加入電極絲時凹坑直徑和深度最大，去除效率最高；加入側壁絕緣電極絲時，凹坑直徑與沒有電極絲時基本相同，凹坑深度略小于有電極絲時，去除效率介于兩者之間，使仿真結果中加入側壁絕緣電極絲時的凹坑深徑比最大。 從實驗結果可知，實驗輪廓的深度與仿真輪廓的深度均良好吻合， 但實驗輪廓的直徑均大于仿真輪廓的直徑，特別是加入側壁絕緣電極絲的凹坑直徑與仿真結果相差較大，這是由于仿真中采用的是固定射流束形狀的模型，但在實際加工過程中，射流束沖擊至凹坑時會發(fā)生濺射導致工件表面的流場發(fā)生變化，影響凹坑的輪廓[10]。另外，由于在實驗中控制回路的總電壓保持不變，隨著加工的進行，凹坑深度增大，加工回路的電流會因為極間距離的增大而減小，限流電阻的分壓逐漸降低， 兩極之間的電壓逐漸升高，而仿真中的電壓選取的是在初始階段計算得到的電壓值，使仿真得到的凹坑輪廓尺寸均偏小。

圖12 是三種方法實驗加工10 s 時凹坑的深徑比對比情況，可見，相對于沒有電極絲時，加入電極絲后能明顯提升加工凹坑的深徑比，加入側壁絕緣電極絲后凹坑的深徑比有進一步提升。

3 結論

（1）相比于電解射流加工方法，電極絲前置電解射流加工技術和側壁絕緣電極絲前置電解射流加工方法可將電流密度調制集中于電解液束中心區(qū)域。 側壁絕緣電極絲前置電解射流加工使電流密度主要集中于側壁絕緣電極絲的端面，進一步約束了電流密度，使電解液束中心的電流密度達到更高的水平， 同時抑制了電解液束邊緣的電流密度，定域性明顯提升。

（2）相比于電解射流加工方法，電極絲前置電解射流加工技術和側壁絕緣電極絲前置電解射流加工方法均能夠增大凹坑的深徑比，明顯提升凹坑內的表面質量，并且有更高的加工效率。 其中，側壁絕緣電極絲前置電解射流加工采用側壁絕緣電極絲，能夠有效減少邊緣的雜散腐蝕現(xiàn)象，更大程度地提升凹坑的邊緣質量。