超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削加工技術研究

張瑞永，呂 明，劉長順，王明環(huán)

（浙江工業(yè)大學機械工程學院，浙江杭州 310023）

微細銑削加工技術是在精密機械零件、生物醫(yī)學、儀器儀表、航空航天等微型化需求推動下發(fā)展起來的加工技術[1-2]，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注與研究；在電解加工過程中，陰陽兩極無接觸，工具電極無損耗，加工不受工件材料的強度與硬度影響，不會產(chǎn)生熱應力和機械應力，避免了由此可能帶來的微裂痕與毛刺問題[3-4]，因此，微細電解銑削加工技術（electrochemical micromilling，EMM）是在電解加工的基礎上，采用控制系統(tǒng)使電極能在工件表面進行特定軌跡運動，實現(xiàn)金屬表面復雜結構加工的一種特種加工技術[5]。隨著高精度精密機床的發(fā)展和超高頻脈沖電源在電解加工中的應用，微細電解銑削精度得到了大幅提升[6-7]；然而在射流電解銑削中，電解液的水躍現(xiàn)象導致雜散腐蝕，常令微型腔和微型槽的加工精度難以保證[8]。

為了提高電解銑削加工精度，眾多學者對能場輔助微細電解加工技術進行了研究[9]，其中超聲能場輔助和氣體流場輔助技術被認為對提高電解銑削加工精度有重要促進作用。氣體流場輔助通過引入高壓氣體對加工過程中的電解液進行重新分布，抑制水躍現(xiàn)象造成的雜散腐蝕，進而提高加工精度。王明環(huán)等[10-11]提出氣膜屏蔽射流電解加工，利用氣液兩相噴嘴使電解液在高壓氣體屏蔽作用下被聚焦于工具電極正對工件的區(qū)域內(nèi)，其與傳統(tǒng)射流電解加工相比，定域性與加工微孔深徑比都得以提高。Guo等[12]利用氣體在文丘里效應誘導下吹動電解液圍繞電極并帶動電解產(chǎn)物一起排出，將電解液嚴格限制在加工區(qū)域內(nèi)，提高了電解銑削的定域性。Hu等[13]通過電解加工葉片證明了兩側(cè)加氣可降低加工錐度，提高加工表面質(zhì)量。Hung等[14]采用混氣電射流加工凹坑，證明氣液混合后可降低直接加工面積，從而提高電解加工的精度與穩(wěn)定性。

超聲能場輔助通過附加超聲使工件或工具電極振動，利用氣泡的超聲空化作用去除加工表面鈍化層，且超聲振動可加快電解產(chǎn)物與電解液的更新。Wang等[15]在超聲輔助作用下利用盤狀電極加工出深徑比較高的微孔，證明了超聲輔助可降低加工結構的錐度。Yang等[16]進行超聲能場輔助電解加工微孔，證明了超聲振動加快電解產(chǎn)物的排出和電解液的更新，進而降低加工錐度并提高表面質(zhì)量。

氣體流場輔助提高加工定域性的同時，增加了加工區(qū)域電解液的氣泡率，導致工件表面形成鈍化層，降低加工效率[17-18]，而超聲輔助降低加工錐度，提高加工表面質(zhì)量[19-21]。因此，本文將超聲輔助和氣體流場輔助同時引入電解銑削加工中，提出了超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削加工技術，通過氣液兩相噴嘴使電解液被高壓氣體同軸包覆，減少加工區(qū)域的水躍現(xiàn)象，同時對工件附加超聲振動，以實現(xiàn)更好的微細電解銑削技術。

1 超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工原理及試驗系統(tǒng)搭建

圖1是超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工原理圖。電解液和高壓氣體分別通過氣液兩相噴嘴的出液口和出氣口噴出，高壓氣體將電解液同軸包覆在電極周圍，并且減少電解液沖擊到工件表面的水躍現(xiàn)象，達到氣膜屏蔽效果；工具電極連接脈沖電源負極，夾持在氣液兩相噴嘴出液口中間，使電解液能均勻包覆在其周圍；工件固定在超聲變幅桿頂端實現(xiàn)超聲振動效果，并連接電源正極，加工過程在電極正下方發(fā)生電解腐蝕。

圖1 超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工原理

圖2是超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削試驗系統(tǒng)，包括機床運動控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)、空氣壓縮機、氣液兩相噴嘴等裝置。運動控制系統(tǒng)控制機床XYZ三軸方向精準運動；電解液循環(huán)系統(tǒng)包括離心泵、壓力表、過濾器等，實現(xiàn)電解液的供應與過濾，同時控制電解液的速度與壓力；電源系統(tǒng)包括脈沖信號發(fā)生器、功率放大器和精密電流表；超聲振動系統(tǒng)提供加工工件時不同的振動幅度；氣液兩相噴嘴實現(xiàn)氣膜屏蔽效果和夾持電極作用。

圖2 超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削試驗系統(tǒng)

2 超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削試驗

對微細電解銑削加工（EMM）、超聲輔助微細電解銑削加工（U-EMM）、氣膜屏蔽微細電解銑削加工（A-EMM）、超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削加工（AUA-EMM）進行對比試驗。工件采用304不銹鋼，電極采用直徑100μm的鎢棒，電解液采用質(zhì)量分數(shù)5%的NaNO3溶液。試驗加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

圖3是采用高速攝影儀對加工后的微槽結構拍攝的表面形貌?？梢姡跓o能場輔助電解加工和超聲輔助加工下的微槽雜散腐蝕嚴重，而氣膜屏蔽和超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細加工的微槽邊緣較清晰，雜散腐蝕明顯減弱，形狀精度較好。

圖3 四種工況下微槽表面形貌

圖4是采用超景深三維輪廓儀對加工后的微槽結構測量的槽寬與槽深?？梢?，采用超聲協(xié)同氣膜屏蔽電解加工相對于超聲輔助電解加工在平均槽深近似的條件下，平均槽寬降低11.69%；超聲協(xié)同氣膜屏蔽電解加工相對于氣膜屏蔽電解加工在平均槽寬近似的條件下，平均深度增加28.56%，可以證明超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工能將氣體流場輔助和超聲能場輔助的優(yōu)點結合起來。超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工相對于無能場輔助電解加工的微槽平均槽寬降低了10.41%，平均槽深增加了9.78%，證明超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工可以降低加工微槽的錐度。

圖4 四種工況下微槽寬度與深度

圖5是四種工況下加工的微槽截面曲線。無能場輔助工況下的微槽由于工件表面的雜散腐蝕導致有較大的過渡圓角，使截面輪廓曲線相對平緩；氣體流場輔助工況下微槽頂端的過渡圓角較小，同時槽深變淺，證明氣膜屏蔽能有效減少電解加工的雜散腐蝕，但加工效率也會降低；超聲能場輔助工況下加工出較深的微槽，但并未減少水躍現(xiàn)象導致的雜散腐蝕，證明超聲輔助加工有助于降低微結構的錐度；超聲協(xié)同氣膜屏蔽工況下加工的微槽界面曲線相對光滑，微槽結構窄且深，擁有較好的深徑比，且入口處雜散腐蝕明顯減少。以此表明，相對于其他三種工況，超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工技術能加工出質(zhì)量更高的微結構。

圖5 四種工況下微槽截面輪廓曲線圖

3 不同參數(shù)對超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削加工的影響

通過單因素尋優(yōu)的方法探究加工電壓、電源脈沖頻率、工具電極掃描速度、氣體壓力、超聲振幅對加工微槽的側(cè)面間隙和槽底粗糙度的影響。試驗采用的加工參數(shù)見表2，其他未列參數(shù)同表1所示。

表2 工藝試驗參數(shù)

固定脈沖頻率100 kHz、氣體壓力0.02 MPa、超聲振幅8μm、掃描速度0.24 mm/min，得到加工電壓對側(cè)面間隙和槽底粗糙度的影響見圖6?？梢姡瑐?cè)面間隙隨著加工電壓的增加而逐漸增大，但增長速度逐漸變緩。加工電壓從9 V增大到10 V時，側(cè)面間隙從42.63μm增大到67.19μm，槽底粗糙度值從115 nm降低到最小值61.6 nm，這是由于初始加工電壓較低、電流密度較小，隨著電壓增大，加工區(qū)域的電流密度逐漸增大，但側(cè)面間隙增大到一定距離時，實際加工的有效電流就會減小，緩沖掉由加工電壓增大而導致的間隙增大，所以后期加工間隙隨著電壓的增長而增幅變緩。同時，微槽底面粗糙度值隨著加工電壓的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當加工電壓過低時，加工區(qū)域電流密度過低導致材料去除不充分、微槽底面較粗糙；加工電壓增加，使電流密度增加，有利于電解加工充分進行，使微槽底面較平整；加工電壓進一步增加，使電化學反應迅速，電解產(chǎn)物來不及排出，導致加工區(qū)域電解液電導率不均勻。

圖6 不同加工電壓下側(cè)面間隙和槽底粗糙度曲線

固定加工電壓10 V、氣體壓力0.02 MPa、超聲振幅8μm、掃描速度0.24 mm/min，得到脈沖頻率對側(cè)面間隙和槽底粗糙度的影響見圖7?？梢?，側(cè)面間隙隨著脈沖頻率的增加而逐漸減小，脈沖頻率從60 kHz增大到100 kHz時，側(cè)面間隙從71.94μm減少到70.33μm，槽底粗糙度值從128 nm降低到最小值61.6 nm。根據(jù)雙電層充放電原理，脈沖頻率增加，脈沖周期變短，雙電層充電時間變短，在相同加工電壓下的電化學反應也受到限制，同時在脈沖間歇時的反向電流也增大，導致同一周期內(nèi)的平均有效電流密度降低，因此隨著脈沖頻率的增加，微槽的側(cè)面間隙也隨之減小。同時，微槽底部的粗糙度值隨著脈沖頻率的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。隨著脈沖頻率的增加，脈沖之間的反向電流也增加，這使得一個周期內(nèi)的平均電流變低；此外，反向電流的增加有利于消除濃差極化，使表面極化分布更加均勻，從而使材料去除更加均勻。因此，為了提高加工精度、減少過切，在保證加工穩(wěn)定性的前提下，應采用較高的脈沖頻率。

圖7 不同脈沖頻率下側(cè)面間隙和槽底粗糙度曲線

固定加工電壓10 V、脈沖頻率120 kHz、氣體壓力0.02 MPa、超聲振幅8μm，得到掃描速度對微槽側(cè)面間隙和槽底粗糙度的影響見圖8。可見，側(cè)面間隙隨著掃描速度的增加呈現(xiàn)降低后平緩的趨勢。掃描速度從0.12 mm/min增大到0.36 mm/min時，側(cè)面間隙從80.71μm減少到66.51μm，槽底粗糙度值從118 nm增大到126 nm。當掃描速度較慢時，單位區(qū)域加工時間較長，工件材料的去除充分，此時加工側(cè)面間隙較大；隨著掃描速度加快，單位區(qū)域內(nèi)加工時間減少，材料去除速率近似等于掃描速度，達到了加工穩(wěn)定狀態(tài)；當掃描速度進一步增加到0.48 mm/mim時，掃描速度略高于材料去除速度，出現(xiàn)短路情況，加工不穩(wěn)定。同時，微槽底面粗糙度值隨著掃描速度的增加出現(xiàn)先增長后降低的趨勢。在較低的掃描速度情況下，微槽底面的電化學反應較充分，此時的槽底粗糙度值較低；隨著掃描速度增加，微槽底面未充分腐蝕，使粗糙度值略有增加；隨著掃描速度繼續(xù)增大，極間間隙減小，在穩(wěn)定加工條件下，較小的加工間隙有利于提高加工質(zhì)量。

圖8 不同掃描速度下側(cè)面間隙和槽底粗糙度曲線

固定加工電壓10 V、脈沖頻率120 kHz、掃描速度0.36 mm/min、超聲振幅8μm，得到氣體壓力對微槽側(cè)面間隙和槽底粗糙度的影響見圖9?？梢?，加工間隙隨著氣體壓力的增大呈現(xiàn)降低的趨勢。氣體壓力從0.01 MPa增大到0.03 MPa時，側(cè)面間隙從69.85μm減至65.01μm，槽底粗糙度值從54.4 nm增至105 nm。當氣體壓力較低時，高壓氣體對電解液流場的影響較弱，此時電流密度較大，材料去除率較高，側(cè)面加工間隙較大；隨著氣體壓力增大，高壓氣體對電解液束的約束作用較明顯，此時側(cè)面間隙逐漸變小。同時，槽底粗糙度值隨著氣體壓力的增加呈現(xiàn)增大后穩(wěn)定的趨勢，這是由于加工間隙減小致使電解產(chǎn)物排出不及時且造成短路，導致間隙內(nèi)電導率分布不均勻，微槽槽底粗糙度值增大。

圖9 不同氣體壓力下側(cè)面間隙和槽底粗糙度曲線

固定加工電壓10 V、脈沖頻率120 kHz、掃描速度0.36 mm/min、氣體壓力0.03 MPa，得到超聲振幅對微槽側(cè)面加工間隙和底面粗糙度的影響見圖10?？梢姡⒉蹅?cè)面間隙隨著超聲振幅的變化呈現(xiàn)出平穩(wěn)后上升趨勢。超聲振幅從4μm增大到8μm時，側(cè)面間隙從66.36μm減至65.01μm，槽底粗糙度值從155 nm降至最小值105 nm。由于超聲振動產(chǎn)生的空化作用有助于工件表面鈍化層的去除，隨著超聲振幅增加，空化效應增強，對工件表面鈍化層的去除作用增強，材料的去除速率增大，導致加工微槽的側(cè)面間隙變大。超聲輔助微細電解加工過程中，工件做遠離工具電極運動時，極間形成負壓腔，使電解產(chǎn)物中的氣泡與電解液中的氣泡匯集形成空化氣泡，電解液涌入加工間隙向工件表面運動；工件做靠近工具電極運動時，極間壓力增大，使電解產(chǎn)物中的氣泡受壓變小而密集，最終氣泡潰滅釋放巨大能量形成間隙高壓，迫使間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物與電解液排出，保持間隙內(nèi)電導率均勻。因此，隨著超聲振幅的增加，槽底粗糙度值得以降低，而當振幅過大時，極間間隙保持在有效加工間隙范圍內(nèi)的時間變少，加工不充分導致槽底粗糙度值上升，使底面質(zhì)量變差。

圖10 不同超聲振幅下側(cè)面間隙和槽底粗糙度曲線

基于上述優(yōu)化參數(shù)進行微結構多層電解銑削加工，以單層銑削厚度80μm向下進給3次，加工結果見圖11?？梢姡啾让}沖頻率120 kHz下銑削的回形結構，在脈沖頻率為500 kHz下銑削的回形結構表面質(zhì)量更好，回形孤島的棱角更清晰，側(cè)壁也更陡直。這是由于高頻脈沖有利于加工過程中電解產(chǎn)物的排出，使加工區(qū)域的材料去除更加均勻。因此要加工精度較高的微結構，應在保證加工穩(wěn)定性的基礎上選擇較高的脈沖頻率。

圖11 不同頻率下的回型結構三維形貌

4 結論

本文基于超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工原理，研究了微細電解銑削、超聲輔助微細電解銑削、氣膜屏蔽微細電解銑削、超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削的加工效果，探究了不同參數(shù)對超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解銑削加工的影響，得到以下結論：

（1）超聲輔助有助于降低電解銑削微槽的側(cè)面錐度，氣體流場輔助有助于對電解液束進行約束，超聲協(xié)同氣膜屏蔽電解銑削加工技術能充分結合超聲能場和氣體流場輔助的優(yōu)點，提高定域性的同時，降低微槽加工的錐度。

（2）超聲協(xié)同氣膜屏蔽電解銑削加工在加工電壓10 V、氣體壓力0.03 MPa、脈沖頻率120 kHz、掃描速度0.36 mm/min、超聲振幅8μm時，可以較穩(wěn)定地加工出側(cè)面間隙65μm、槽底粗糙度105 nm且側(cè)壁錐度較小的微槽。

（3）利用優(yōu)化的加工參數(shù)，在脈沖頻率500 kHz下銑削出表面質(zhì)量好、棱角清晰的回型微結構，充分展現(xiàn)了超聲協(xié)同氣膜屏蔽微細電解加工技術在微小金屬結構加工中的潛力。