三維微細(xì)電解加工微型腔側(cè)壁缺陷的形成機(jī)理與改進(jìn)機(jī)制

伍朝志，伍曉宇，徐 斌，雷建國

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳518060）

微細(xì)電解加工技術(shù)通過陽極溶解實(shí)現(xiàn)減材制造，加工精度高、無需考慮材料硬度[1-2]，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化航空航天、軍事武器等領(lǐng)域。此外，由于微細(xì)電解加工的電極無損耗、無接觸應(yīng)力，且可避免產(chǎn)生重鑄層、殘余應(yīng)力、微裂紋等問題[3-4]，非常適于高質(zhì)量微零件的制造。

為改善微型腔的加工精度和極間流場環(huán)境，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作。研究表明，超短納秒脈沖電源可得到亞微米級(jí)精度的三維微型腔，大大提高加工定域性[5-6]；工具電極低頻振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工[7]、超聲振動(dòng)與磁場輔助微細(xì)電解加工[8-9]，可改善極間流場環(huán)境和電解產(chǎn)物排出效能，提高加工過程穩(wěn)定性、微型腔表面質(zhì)量和加工精度，同時(shí)提高微型腔的深寬比[10]。

主流微柱狀電極的直徑通常僅為數(shù)十微米，易受流動(dòng)電解液擾動(dòng)，而疊層實(shí)體制造具有較大剛度的三維微電極，可避免此類問題，如熱擴(kuò)散焊連接與電火花線切割組合工藝、彎曲避讓式逐層電火花線切割與真空熱擴(kuò)散焊連接組合工藝、彎曲避讓式逐層飛秒激光切割與熱擴(kuò)散焊連接組合工藝[11-13]。但是，在三維疊層微電極電解加工的深度逐漸增加后，電解液更新越來越困難，加工產(chǎn)物易附著于電極表面，難以實(shí)現(xiàn)大深度三維微型腔的制備，且加工效率、加工精度及表面質(zhì)量都會(huì)隨之下降[14]。

針對(duì)三維微電極電解加工難以實(shí)現(xiàn)大深度、高表面質(zhì)量微型腔的制備難題，本文利用工作面對(duì)應(yīng)外層箔片含有方形微孔的三維疊層微電極，通過純NaNO3電解液和含有均勻懸浮B4C磨粒的NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工三維微型腔實(shí)驗(yàn)，聚焦研究三維微型腔側(cè)壁缺陷的形成機(jī)理及改進(jìn)機(jī)制。

1 加工方法

圖1是三維疊層微電極低頻振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工三維微型腔的工藝流程，詳細(xì)過程如下：

（1）根據(jù)所需三維微型腔，設(shè)計(jì)相應(yīng)的三維微電極，然后沿縱向?qū)⑵潆x散成二維薄片，得到薄片數(shù)量、厚度和各層輪廓幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)（圖1a）。

（2）將疊層銅箔坯料一端焊合后夾緊固定，另一端的第一層平鋪固定在夾具上（圖1b），其余銅箔通過擋塊向上彈性彎曲固定；完成切割后，通過擋塊使其向下彎曲固定，同時(shí)將第二層平鋪固定于夾具并切割。重復(fù)操作，完成所有切割（圖1c、圖1d）。

（3）將上述所得多層二維微結(jié)構(gòu)浸沒于無水乙醇，經(jīng)洗凈、干燥后，置于表面平整的兩石墨塊間，維持36 kPa的壓力（圖1e）；平置于真空爐內(nèi)加熱至950℃、保溫6 h，充分熱擴(kuò)散焊后得到三維疊層微電極（圖1f）。

（4）將超短脈沖電源的正極接工件、負(fù)極接電極，進(jìn)行微細(xì)電解加工（圖1g），得到所需三維微型腔（圖1h）；對(duì)于含有B4C磨粒的NaNO3電解液，加工至指定深度后，進(jìn)行研磨拋光，進(jìn)一步提高加工表面質(zhì)量。

三維疊層微電極上下底面的方形微孔（圖1a）與兩側(cè)縱向的非加工面切割出倒斜度（圖1d），均利于改善極間流場環(huán)境，并減小對(duì)應(yīng)方向的加工間隙與斜度。

沿進(jìn)給方向疊加低頻振動(dòng)形成的漩渦效應(yīng)，可提高產(chǎn)物排出效能與加工穩(wěn)定性。對(duì)于含有均勻懸浮B4C磨粒的電解液，磨粒可隨電極振動(dòng)產(chǎn)生劇烈的微磨削運(yùn)動(dòng)，從而有效阻止加工產(chǎn)物附著于電極表面，并對(duì)微型腔表面進(jìn)行研磨拋光。

圖1 工藝流程

2 振動(dòng)輔助電解加工三維微型腔

為進(jìn)行效果對(duì)比，分別采用純NaNO3電解液（組號(hào)1）和含有均勻懸浮B4C磨粒的NaNO3電解液（組號(hào)2），進(jìn)行單向進(jìn)給振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工三維微型腔，工藝參數(shù)見表1。

表1 振動(dòng)輔助電解加工參數(shù)

圖2是分別含有半圓柱空腔和矩形柱空腔的三維疊層微電極，空腔所對(duì)應(yīng)外層箔片上均有微型孔。其中，三維疊層微電極工作面截面尺寸均為600μm×600μm。

圖2 三維疊層微電極

采用純NaNO3電解液，在電極進(jìn)給方向疊加f1和A1，以304不銹鋼為坯料，進(jìn)行振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工。加工至指定深度800μm后，迅速關(guān)閉脈沖電源、停止電極進(jìn)給，制得含有矩形柱孤島的三維微型腔，具體示意見圖3，其中圖3a為所得微型腔的俯視圖，圖3b為利用電火花線切割技術(shù)沿虛線剖開得到的剖面。

圖3 純NaNO3電解液所得微型腔

為深入分析微型腔側(cè)壁缺陷的形成機(jī)理并提出改進(jìn)機(jī)制，采用含有均勻懸浮B4C磨粒的NaNO3電解液。首先，在電極進(jìn)給方向疊加f1和A1，進(jìn)行單向進(jìn)給振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工，阻止加工產(chǎn)物沉積，使電極工作面維持均勻的導(dǎo)電性；其次，加工至指定深度800μm后，關(guān)閉脈沖電源、停止進(jìn)給，在電極上疊加f2和A2，對(duì)所得三維微型腔表面開展振動(dòng)研磨拋光，進(jìn)一步提高加工表面質(zhì)量。圖4是添加B4C磨粒的NaNO3電解液所得微型腔，其中圖4a、圖4c為所得微型腔俯視圖，分別含有半圓形孤島結(jié)構(gòu)和矩形柱孤島結(jié)構(gòu)；圖4b、圖4d為利用電火花線切割技術(shù)沿虛線剖得對(duì)應(yīng)的剖面圖。

圖4 添加B4C磨粒的NaNO3電解液所得微型腔

3 結(jié)果與分析

3.1 缺陷的形成機(jī)理

圖5是純NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工的氣泡接觸模型與剖面放大圖，發(fā)現(xiàn)微型腔側(cè)壁底部有大量微孔和間斷式的微孔條紋。分析認(rèn)為，由于微型腔側(cè)壁不可避免地存在一定斜度，靠近微型腔底部的側(cè)壁加工間隙較小，在電解加工純NaNO3電解液時(shí)，陰極表面析出的大量微小氣泡相互聚集形成較大的氣泡后，易受兩極壓迫，致使氣膜直接與工件交疊，如圖5a、圖5b所示。其中，氣體與工件材料直接接觸形成的區(qū)域交集，不會(huì)產(chǎn)生腐蝕；而氣膜的電流密度較大[15]，使氣膜與工件接觸的部位（即工件材料上的交集區(qū)域邊界）被快速蝕除，從而在微型腔側(cè)壁上產(chǎn)生相應(yīng)形狀的腐蝕坑和微孤島，如圖5c中A點(diǎn)所示。

然而，電解液本身的流動(dòng)性和電極在進(jìn)給方向的振動(dòng)，注定形成的腐蝕過程僅是瞬態(tài)。因此，在大氣泡逸出或碎化后，電解液會(huì)迅速充滿前期腐蝕產(chǎn)生的微凹坑；進(jìn)入新的腐蝕階段后，加工至指定深度前，側(cè)壁腐蝕過程持續(xù)進(jìn)行，使側(cè)壁上的微凹坑越來越深、越來越大，相應(yīng)的微型孤島也會(huì)被進(jìn)一步腐蝕，直至成為微盲孔，如圖5c中B點(diǎn)所示。

另外，由于相同高度水平線上的壓強(qiáng)相等，加工間隙內(nèi)電解加工所產(chǎn)生的微小氣泡易結(jié)合而形成較大的條狀氣泡，使微型腔側(cè)壁出現(xiàn)橫向微孔條紋與配合式腐蝕坑，如圖5c中C點(diǎn)所示。在電解腐蝕過程中，在上一個(gè)大氣泡的形成位置附近，可能會(huì)聚集形成新的大氣泡，從而形成具有重疊區(qū)域的腐蝕過程和相應(yīng)的腐蝕凹坑，如圖5c中D點(diǎn)所示。

圖5 純NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工的氣泡模型圖

3.2 質(zhì)量改進(jìn)機(jī)制

圖6是含有均勻懸浮B4C粉末的NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工側(cè)壁處的氣泡接觸模型與剖面放大圖，發(fā)現(xiàn)側(cè)壁上未出現(xiàn)微孔和微孔狀條紋，但在靠近底面的側(cè)壁上會(huì)形成完整且連續(xù)的波浪狀條紋。分析認(rèn)為，B4C粉末的添加，可將雜亂分布的大氣泡有效分割、碎化，形成均勻分布的較小氣泡[16]，雖然匯聚成形的橫向條狀氣泡較小，但是微型腔側(cè)壁下半部分、尤其是靠近底面的加工間隙也較小，氣膜徑向最遠(yuǎn)處仍可直接與工件形成點(diǎn)或線接觸，未產(chǎn)生交疊、交集區(qū)域（圖6a、圖6b）。因此，在三維微細(xì)電解加工過程中，會(huì)在側(cè)壁上形成橫向完整條紋，但是基本無微孔（圖6c）。在電解加工過程中，在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生氣體總量不變的情況下，由于B4C粉末可有效抑制大氣泡的形成，通過微小氣泡聚集形成的條狀氣泡更長，致使微型腔側(cè)壁下方的相應(yīng)位置上，產(chǎn)生長度較大的橫向微條紋。

圖6 含有B4C粉末的NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工側(cè)壁處的氣泡模型圖

圖7是含有均勻懸浮B4C粉末的NaNO3電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工微型腔出口處的氣泡接觸模型與剖面放大圖，發(fā)現(xiàn)沿著微型腔出口方向，不論是不連續(xù)的微孔條紋，還是波浪狀、連續(xù)的完整條紋，均發(fā)生逐漸弱化、甚至基本消失。分析認(rèn)為，一方面，由于雜散腐蝕不可避免，當(dāng)加工深度較小時(shí)，氣泡排出難度較小，未能形成接觸腐蝕，加工至一定深度后，微型腔側(cè)壁早期形成的少量微孔條紋等缺陷也會(huì)隨著電解加工的持續(xù)進(jìn)行而被逐漸腐蝕去除；另一方面，由于電解加工所得微型腔側(cè)壁存在倒錐度，沿著微型腔出口工具電極與工件電極之間的加工間隙越來越大，那么匯聚成形的氣泡在外逸過程中與微型腔側(cè)壁的接觸面積逐漸減小，直至完全脫離；同時(shí)，液體壓強(qiáng)降低導(dǎo)致細(xì)長氣泡逐漸膨脹、碎化（圖7a、b）。此外，沿著微型腔出口方向，極間側(cè)壁間距越來越大，這就意味著等效阻值變大，雜散電流越來越小，即使仍有氣泡與工件材料發(fā)生接觸，在微型腔側(cè)壁上端部也不會(huì)產(chǎn)生明顯缺陷，因而微型腔側(cè)壁上方區(qū)域較光滑完整（圖7c）。

4 結(jié)束語

針對(duì)三維疊層微電極振動(dòng)輔助微細(xì)電解加工三維微型腔側(cè)壁存在的嚴(yán)重缺陷，深入分析了形成機(jī)理并提出質(zhì)量改進(jìn)機(jī)制。結(jié)果表明，使用不含B4C磨粒的電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工，所得微型腔側(cè)壁下方存在顯著的微盲孔、微形孤島和微孔條紋，是由于側(cè)壁加工間隙內(nèi)的微小氣泡匯聚成為較大的氣泡、造成氣膜與微型腔側(cè)壁交疊區(qū)域，而邊界上電流密度過大、產(chǎn)生嚴(yán)重雜散腐蝕所致；然而，運(yùn)用含有B4C磨粒的電解液進(jìn)行微細(xì)電解加工、制備同樣深度的三維微型腔，側(cè)壁無此類缺陷且質(zhì)量得到明顯提高，這是由于磨粒的存在抑制了大氣泡的形成，小氣泡與側(cè)壁無交疊甚至脫離，從而保護(hù)了微型腔側(cè)壁。