鎢電極側(cè)壁絕緣雙極性脈沖電解加工工藝研究

周佐霖,馬世赫,張永俊,羅紅平,劉桂賢*,

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006;2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

電解加工相比其他傳統(tǒng)的機(jī)加工工藝(例如車削和銑削),優(yōu)點(diǎn)在于其適用性廣而加工速度與材料硬度無關(guān),無工具磨損,高的材料去除率,光滑而光亮的表面以及能生產(chǎn)具有無應(yīng)力和無裂紋表面的復(fù)雜幾何形狀的零件[1]。但是電解加工過程中存在一個(gè)普遍的現(xiàn)象:雜散腐蝕,而為側(cè)壁添加絕緣層可以極大減弱雜散腐蝕[2]。大部分研究在工具電極側(cè)壁上制備絕緣層的方式有涂覆法、沉積法[3-9],也有部分研究使用氣膜的方式進(jìn)行絕緣[10],或者在雙陰極上套一個(gè)輔助陽極來使工具側(cè)壁與工件之間的電壓保持一致,從而達(dá)到削弱雜散腐蝕的效果[11],溫杰超等則采用電泳法制備絕緣層[12]。但是這些致側(cè)壁絕緣方式存在的缺點(diǎn)有:

1) 涂覆的絕緣層在加工過程中會(huì)損耗;

2) 在線制備的電極取下涂覆絕緣層后再安裝進(jìn)主軸而導(dǎo)致加工精度下降;

3) 難以應(yīng)用在幾十微米甚至更小的電極絲上。

為解決這一問題,設(shè)計(jì)一種正負(fù)電壓、占空比均獨(dú)立可調(diào)的雙極性脈沖電解電源,通過該電源使工具電極在側(cè)壁生成一層鈍化膜(WO3為主)以達(dá)到側(cè)壁絕緣的效果。生成的絕緣層厚度可能只有幾百納米甚至更小,而且該絕緣層可以在加工過程中實(shí)時(shí)生成。

1 側(cè)壁絕緣原理

鈍性電極雙脈沖加工致側(cè)壁絕緣原理如圖1所示。

選用鎢做為工具,在雙極性脈沖電源的作用下,電極反應(yīng)有下:

正脈沖作用下:

工具:2H2O+2e-=2OH-+H2↑

工件:M-e-=M+(M為金屬)

負(fù)脈沖作用下:

工具:W-6e-+3H2O=WO3+6H+

工件:6H2O+6e-=3H2↑+6OH-

當(dāng)電源處于負(fù)脈沖時(shí)工具側(cè)壁和端面會(huì)產(chǎn)生WO3,WO3薄膜具有良好的絕緣性。鎢工具電極的極化曲線如圖2所示,當(dāng)工具電極的側(cè)壁電位在CD區(qū),工具電極端面在DE區(qū),便可以達(dá)到工具側(cè)壁發(fā)生鈍化產(chǎn)生絕緣層,端面超鈍化去除鈍化膜保持導(dǎo)電性的效果同時(shí)端面由于具有更高的OH-濃度而使得鈍化膜更易去除[13]。

圖2 電極極化曲線

當(dāng)電源處于正脈沖時(shí),工具表面的WO3會(huì)與OH-反應(yīng)而逐漸溶解,所以為了保證工具側(cè)壁表面一直附著有絕緣薄膜,必須每經(jīng)過一定的周期電源輸出負(fù)脈沖以維持鈍化膜的生成。間隔周期一般達(dá)到幾十到幾百微秒,而微細(xì)電解加工過程中電源的脈沖周期只有十幾微秒甚至更小。所以要保證電源可以在間隔周期能輸出更大的頻率。同時(shí),負(fù)脈沖輸出下電壓過大會(huì)使工具側(cè)壁處于超鈍化狀態(tài)不利于工具側(cè)壁絕緣層的生成,正脈沖輸出下電壓過小不利于加工的進(jìn)行。所以要保證電源正脈沖輸出與負(fù)脈沖輸出兩種情況下電源電壓及占空比均可獨(dú)立可調(diào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)以下電路,其原理如圖3所示。選用兩個(gè)可調(diào)電壓的開關(guān)電源,使用STM32發(fā)送脈沖信號(hào)PWM1與PWM2分別控制兩路MOSFET管的通斷實(shí)現(xiàn)脈沖加工。當(dāng)PWM1輸出高電平時(shí),PWM2輸出低電平時(shí),管MOSFET1打開,管MOSFET2關(guān)閉,電流沿著實(shí)線方向構(gòu)成一個(gè)回路,此時(shí),工具為陰極,工件為陽極,電壓值大小為DC1的值;當(dāng)PWM1輸出低電平時(shí),PWM2輸出高電平時(shí),MOSFET管1關(guān)閉,MOSFET管2打開,電流沿著虛線方向構(gòu)成一個(gè)回路,此時(shí),工具為陽極,工件為陰極,電壓值大小為DC2的值。

圖3 電路原理圖

微細(xì)脈沖電解加工過程中的電極/溶液界面可以等效成電阻與電容的組合電路,其中Cd是雙電層電容,Rr是電化學(xué)反應(yīng)電阻,Re是電解液及鈍化膜的綜合電阻,φ為電極間施加的脈沖電壓,φ為電極電位[14]。因此電路開通的瞬間極間電壓不能瞬間達(dá)到峰值,必須等到雙電層電容充滿電后才能達(dá)到峰值電壓。

其中

(1)

令

(2)

式中τ為電極等效電路雙電層充放電的時(shí)間常數(shù)。解得

(3)

當(dāng)t→∞時(shí),電極電位趨于一個(gè)穩(wěn)定值φ∞。此時(shí)可以認(rèn)為雙電層電位φ與時(shí)間t的變化關(guān)系為

(4)

圖4顯示了在單個(gè)脈沖作用下,工具側(cè)壁和工具端面由于時(shí)間常數(shù)不同,所以工具側(cè)壁處于鈍化區(qū),工具端面處于超鈍化區(qū)。利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)工具側(cè)壁絕緣而工具端面依然保持導(dǎo)電性的效果。

圖4 電極電位隨時(shí)間的變化

3 軟件設(shè)計(jì)

為控制兩個(gè)MOSFET管的通斷,同時(shí)為了保證電路的可靠性,使控制信號(hào)有較高的響應(yīng)速度同時(shí)兼顧高穩(wěn)定性和高性價(jià)比,還要方便之后的調(diào)整開發(fā),最終選用了STM32F103C8T6芯片作為控制芯片。STM32F103C8T6內(nèi)核芯片使用32位高性能ARM cortex-M3處理器,內(nèi)置4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器,內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz[15]。

為產(chǎn)生兩路互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)的頻率占空比均可調(diào)的PWM信號(hào),需要產(chǎn)生4種PWM波形,使用波形3與波形4控制MOSFET。4個(gè)PWM波形的關(guān)系如圖5所示,波形1高電平時(shí)使能波形3,波形2高電平時(shí)使能波形4,通過關(guān)聯(lián)計(jì)數(shù)器來保證波形1與波形2互補(bǔ)且?guī)绤^(qū)。

圖5 4個(gè)PWM波形的關(guān)系

通過實(shí)驗(yàn)及示波器檢測發(fā)現(xiàn)使用軟件方式控制啟動(dòng)定時(shí)器大概有750～2 000 ns的延時(shí),而通過使用STM32F103自帶的門控模式控制啟動(dòng)定時(shí)器只有50 ns的延時(shí)。但是門控模式只能啟動(dòng)與暫停計(jì)數(shù)器而不能復(fù)位計(jì)數(shù)器,所以當(dāng)波形1低電平,波形3處于高電平時(shí),波形3因?yàn)橛?jì)數(shù)器暫停而一直保持高電平至計(jì)數(shù)器重新啟動(dòng),此時(shí)可能出現(xiàn)兩路MOSFET同時(shí)開啟的情況,為避免該情況,需對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行重置。通過實(shí)驗(yàn)及示波器檢測發(fā)現(xiàn)使用軟件方式重置計(jì)數(shù)器使波形1(波形2)為低電平時(shí),波形3(波形4)從高電平降為低電平的延遲在約為400～800 ns之間波動(dòng),而使用中斷的方式重置計(jì)數(shù)器則延遲穩(wěn)定在350 ns～450 ns。為使電路的響應(yīng)速度更快,最終使用中斷的方式重置計(jì)數(shù)器。4路PWM波形的計(jì)數(shù)器要相互獨(dú)立,所以選用TIM1、TIM2、TIM3、TIM4這4個(gè)定時(shí)器,及其各自的通道1(CH1)產(chǎn)生PWM。4個(gè)定時(shí)器的關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 4個(gè)定時(shí)器的關(guān)系

STM32F103通過設(shè)置控制寄存器(TIMx-CR1、TIMx-CR2)、計(jì)數(shù)器(TIMx-CNT)、預(yù)分頻器(TIMx-PSC)、自動(dòng)重裝載寄存器(TIMx-ARR)、捕獲/比較寄存器(TIMx-CCRx)來控制輸出的PWM波形[16]。STM32F103通過設(shè)置從模式控制寄存器(TIMx-SMCR)與捕獲/比較模式寄存器(TIMx-CCMR1、TIMx-CCMR2)讓一個(gè)定時(shí)器啟動(dòng)、使能另一個(gè)定時(shí)器。

為保證TIM1與TIM2輸出的信號(hào)互補(bǔ)且?guī)绤^(qū),必須使TIM1與TIM2的計(jì)數(shù)器相差a。即TIM1啟動(dòng)后,TIM1計(jì)數(shù)器數(shù)到a,TIM2才開始使能計(jì)數(shù)器。通過設(shè)置上述寄存器使TIM1與TIM2的PWM輸出波形周期相同,計(jì)數(shù)模式均為向上計(jì)數(shù)模式,當(dāng)CNT低于TIMx-CCRx時(shí)輸出高電平,且當(dāng)OC1因?yàn)橥ㄟ^TIM1啟動(dòng)TIM2的過程中有一定的延遲,所以需要在偏置中加入補(bǔ)償值,通過示波器測量將補(bǔ)償值默認(rèn)設(shè)置為2時(shí)TIM1與TIM2的波形更符合預(yù)期。偏置值a公式為

a=CCR1-deadTime+k

(5)

式中:CCR1為TIM1的捕獲/比較寄存器值;deadTime為死區(qū)時(shí)間;k為補(bǔ)償值,默認(rèn)為2。

設(shè)置TIMx-ARR寄存器控制TIM3與TIM4的PWM輸出波形周期,設(shè)置TIMx-CCRx寄存器控制占空比,設(shè)置計(jì)數(shù)模式均為向上計(jì)數(shù)模式,設(shè)置當(dāng)TIMx-CNT大于TIMx-CCRx時(shí)輸出高電平。接下來設(shè)置TIM1(TIM2)為主模式,TIM3(TIM4)為門控模式。檢測TIM1(TIM2)CH1通道的電平,當(dāng)其為低電平時(shí)觸發(fā)中斷,使TIM3(TIM4)計(jì)數(shù)器重置為0。

最終,得到如圖7所示的目標(biāo)波形,此時(shí)TIM3CH1控制MOSFET1的通斷,TIM4CH1控制MOSFET2的通斷,調(diào)節(jié)DC1、DC2電壓與設(shè)置STM32相關(guān)寄存器就能實(shí)現(xiàn)輸出雙脈沖電壓、頻率、占空比均可調(diào)的電壓信號(hào)。

圖7 目標(biāo)輸出波形

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為測試電路及其能發(fā)送的最小脈沖頻率,在電路負(fù)載區(qū)加上40 Ω的無感電阻,正負(fù)電壓均為7.5 V,設(shè)置正負(fù)脈沖輸出頻率為720 kHz、360 kHz、240 kHz、180 kHz;占空比均為50%。通過實(shí)驗(yàn)得到的波形如圖8所示。

圖8 不同頻率下輸出波形

通過試驗(yàn)可以看出：720 kHz下,輸出的矩形脈沖波形有很大的失真率,這是因?yàn)樯仙卦?50 ns下達(dá)到最高點(diǎn)后會(huì)有約2 μs的振蕩期;由于寄生電容的影響,下降沿不能迅速下降而是類似于電容的緩慢放電,放電時(shí)間大概2 μs。所以脈沖頻率在240 kHz以下時(shí),波形較為穩(wěn)定。

為檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的正確性及側(cè)壁絕緣的可行性的試驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液作為電解液,工具為直徑1 mm的純鎢電極,工件為304不銹鋼,電解液供液方式為浸沒式,正脈沖電壓為12 V,負(fù)脈沖電壓為19 V。

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)置波形1與波形2的頻率為2 kHz,死區(qū)時(shí)間為4 μs,波形1的占空比為90%,波形2的占空比為10%;設(shè)置波形3的頻率為72 kHz,占空比為20%;設(shè)置波形4的頻率為200 kHz,占空比為50%。工具與工件之間的間隙為200 μm,進(jìn)給速度為零,加工5 min,觀察加工效果。為對(duì)比該方法與鎢電極側(cè)壁不絕緣條件下的加工效果,實(shí)驗(yàn)將負(fù)脈沖電壓設(shè)為開路,此時(shí)因?yàn)闆]有負(fù)脈沖,鎢電極表面不會(huì)產(chǎn)生鈍化膜,所以其側(cè)壁會(huì)保持良好的導(dǎo)電性,并保持其他加工條件不變。

兩種加工參數(shù)下的加工波形如圖10所示。圖中顯示了該設(shè)計(jì)電源能實(shí)現(xiàn)輸出正負(fù)電壓、占空比均獨(dú)立可調(diào)的雙極性脈沖波形。在圖10b)中可以看出,當(dāng)采用雙脈沖加工時(shí),在負(fù)脈沖下的電流出現(xiàn)稍微下降的情況,這是因?yàn)榇藭r(shí)鈍化膜的生成使得回路的電阻變大。

圖10 兩種加工參數(shù)下的加工波形(黃：電壓；藍(lán)：電流)

加工前后鎢棒的對(duì)比圖如圖11所示,可以看出采用雙脈沖方式加工的鎢棒(圖11c))對(duì)比加工前(圖11a))與不絕緣加工后(圖11b))的鎢棒,其表面明顯沒有前兩者光亮,說明有一層產(chǎn)物涂覆在鎢棒表面。

圖11 加工前后鎢棒對(duì)比圖

圖12為兩種加工情況下的加工過程效果圖。圖12a)中因?yàn)閭?cè)壁沒有絕緣而使得加工區(qū)域外工件表面的電壓大于OH-的平衡電極電位,從而使得在非加工區(qū)會(huì)有氧氣析出;圖12b)中則因?yàn)槊扛粢欢螘r(shí)間的負(fù)脈沖使得工具表面生成一層強(qiáng)絕緣性的鈍化膜使得加工區(qū)域外的工件電壓達(dá)不到OH-的平衡電極電位,所以基本沒有氣泡析出。

圖12 兩種加工過程效果圖

圖13為兩種加工情況下的形貌對(duì)比。圖13a)中的雜散腐蝕半徑明顯比圖13b)的要大,這是因?yàn)閭?cè)壁不絕緣會(huì)導(dǎo)致電解加工過程中的雜散腐蝕面積增大。

圖13 兩種加工情況下的形貌對(duì)比

由加工工件的局部SEM放大圖還可發(fā)現(xiàn)側(cè)壁不絕緣情況下,雖然工件中心形貌較好,但是工件加工區(qū)邊緣處有很多孔狀形貌,而采用雙脈沖方式加工出來的工件形貌更加均勻光滑。孔狀形貌是因?yàn)殡娏髅芏炔粔蚨鴮?dǎo)致的,采用雙脈沖的方式致電極側(cè)壁絕緣可以使在加工區(qū)域的電流密度增加,提高表面加工質(zhì)量。由此可見該方法具有可行性。

5 結(jié)論

1)為 解決電解加工中難以對(duì)工具側(cè)壁絕緣以及工具涂覆的絕緣層易于損耗的問題,提出了一種利用雙脈沖電源在鎢工具電極側(cè)壁實(shí)時(shí)生成絕緣層的方法。該方法利用在負(fù)脈沖下,工具端面與工具側(cè)壁的雙電層的時(shí)間常數(shù)不同使得工具端面處于超鈍化狀態(tài),同時(shí)負(fù)脈沖下工件表面由于氫氣的析出使得更靠近工件的工具端面擁有較大的OH-濃度而使得鈍化膜被去除,從而實(shí)現(xiàn)在工具側(cè)壁的絕緣。

2) 本研究通過使用STM32控制兩路MOSFET管對(duì)兩直流電源進(jìn)行斬波,實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電壓、占空比均獨(dú)立可調(diào)的雙極性脈沖輸出。通過簡單脈沖輸出實(shí)驗(yàn)顯示該電源在40 Ω的無感電阻負(fù)載下,其上升沿及下降沿均在2 μs后達(dá)到穩(wěn)定,所以輸出脈沖頻率在240 kHz下有較好的波形。

3) 通過對(duì)比側(cè)壁不絕緣情況下與使用雙脈沖的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):使用雙脈沖時(shí),工件加工區(qū)域外的氣泡明顯減少,加工定域性得到明顯的提高,加工效率也得到了提高。由此可以證明雙脈沖加工過程中鎢側(cè)壁產(chǎn)生絕緣層(鈍化膜),確實(shí)達(dá)到了降低雜散腐蝕的效果。該方法很好解決了在加工過程中涂覆絕緣層會(huì)隨加工的進(jìn)行而逐漸脫落或溶解的問題。