基于微細(xì)線電極的軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)電解磨削加工試驗(yàn)研究

安森旺，陳志遠(yuǎn) ，孫 琦 ，岳曉明 ,2

（ 1. 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2. 山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061 ）

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展，微細(xì)軸類零件的需求量快速增長(zhǎng)， 然而隨著新材料和難加工材料的廣泛應(yīng)用， 微細(xì)軸類零件的制造變得愈加困難， 能在難加工材料上加工復(fù)雜微細(xì)軸類零件的制造方法受到了越來越多的研究者關(guān)注。

軸類零件的傳統(tǒng)加工方法有車削加工和磨削加工，這兩種方法非常適合加工高精度的軸類零件。然而，隨著復(fù)雜軸類零件的結(jié)構(gòu)變得越來越小，同時(shí)各種新材料和難加工材料的大量應(yīng)用， 采用車削和磨削加工復(fù)雜微細(xì)軸類零件面臨巨大挑戰(zhàn)， 例如微細(xì)零件低剛度問題和微細(xì)刀具制作困難等。 非傳統(tǒng)加工方法如電鑄加工技術(shù)[1]、超快激光加工技術(shù)[2]、微細(xì)電火花加工技術(shù)[3]和微細(xì)電解加工技術(shù)[4]在微細(xì)加工方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。 早在1985 年，東京大學(xué)的曾澤隆久等[1-2]提出了線電極電火花磨削加工技術(shù)（wire electro-discharge grinding，WEDG），加工時(shí)線電極沿導(dǎo)向槽緩慢單向移動(dòng)，避免了線電極振動(dòng)和磨損對(duì)于加工精度的影響，成功實(shí)現(xiàn)了微細(xì)電極的精密加工。 然而，WEDG 加工點(diǎn)放電的特性導(dǎo)致加工緩慢，單向走絲的特性使電極絲消耗較大，導(dǎo)致加工成本較高。

電解加工是通過電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理來達(dá)到工件材料去除，可以實(shí)現(xiàn)微納米精度加工。 與電火花加工相比，電解加工具有加工效率高、表面質(zhì)量好、工具電極無損耗等優(yōu)點(diǎn)，是微細(xì)軸類零件制造的一種具有潛力的低成本高質(zhì)量加工方法。 目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究采用線電極進(jìn)行微細(xì)電解切割加工研究，王昆等[7]通過微細(xì)電解線切割在鎳片上切割出了帶90°直角的微結(jié)構(gòu)，曾永彬等[8]利用電極振動(dòng)技術(shù)成功對(duì)直徑10 μm 的鎢絲加工出微方柱陣列電極，Shin 等[9]利用直徑10 μm的鎢線電極加工出了寬度9 μm懸臂梁和外徑580 μm微型齒輪。 上述研究結(jié)果證實(shí)了微細(xì)線電極電解切割加工技術(shù)在微細(xì)加工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 東京大學(xué)韓偉等[10-11]通過借鑒WEDG 技術(shù)， 采用NaOH 工作液和雙極性電源在WEDG 機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了鎢電極的微細(xì)電解磨削加工，并稱此技術(shù)為線電極電解磨削加工 （wire electrochemical grinding，WECG）。 然而，上述 WECG 加工技術(shù)依然采用了WEDG 的線電極沿導(dǎo)向槽緩慢單向移動(dòng)的方式來避免雙極性電源對(duì)電極絲的損耗，會(huì)引起導(dǎo)向槽磨損等問題，并且由于電極絲需要嵌入到導(dǎo)向槽內(nèi)部而無法實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)軸類零件的線電極磨削加工。

為解決上述問題，本文借助電解加工陰極無損耗的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)上述WECG 加工技術(shù)，將線電極沿導(dǎo)向槽緩慢單向移動(dòng)的方式改為固定線電極并采用低濃度NaNO3電解液來加工微細(xì)軸類零件，改進(jìn)后的加工技術(shù)成本更低、加工能力更強(qiáng)、加工表面質(zhì)量更好，有望解決難加工材料微細(xì)軸類零件的制造難題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

自研發(fā)的線電極電解磨削加工實(shí)驗(yàn)裝置由精密三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、脈沖電源、電解液回收系統(tǒng)、信號(hào)采集裝置和線電極固定裝置組成（圖1）。 高速精密主軸安裝在三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的Z 軸上，圓柱形工件夾緊在高速精密主軸的卡盤上。 將微細(xì)電極絲放置在兩個(gè)跨度為20 mm 的懸臂梁上， 兩個(gè)12 g 的重物連接在線電極的末端來保持電極絲張緊；為了增強(qiáng)電解液的流動(dòng)，電解液通過針管噴射至工件加工表面。實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖1 線電極電解磨削加工實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了獲得更高的加工精度和加工穩(wěn)定性， 首先研究加工參數(shù)對(duì)WECG 加工過程的影響。實(shí)驗(yàn)采用直徑50 μm 的銅電極絲，首先通過機(jī)床的接觸感知功能將線電極定位至距離圓柱工件表面50 μm 處；然后， 線電極沿圓柱工件徑向方向進(jìn)給100 μm；最后， 線電極沿著圓柱工件軸向方向進(jìn)給500 μm，得到微細(xì)軸。 圖2 是線電極加工微細(xì)軸的示意圖。 本文分別測(cè)量微細(xì)軸兩端直徑（D1和D3）和中間直徑D2來研究各加工參數(shù)對(duì)WECG 加工的影響。

圖2 線電極電解磨削加工示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 加工電壓對(duì)WECG 加工的影響

固定脈沖頻率50 kHz、占空比30%、電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、進(jìn)給速度1 μm/s，研究加工電壓分別為10、13、15、17 V 對(duì)微細(xì)軸直徑的影響見圖 3。結(jié)果表明，隨著加工電壓的增大，微細(xì)軸的剩余直徑逐漸減小，采用10 V 加工電壓時(shí)微細(xì)軸因嚴(yán)重短路而加工失敗。 當(dāng)加工電壓高于13 V 時(shí)可確保穩(wěn)定的加工過程，然而較高的加工電壓會(huì)導(dǎo)致加工精度偏低，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用15 V 的電壓進(jìn)行加工。

圖3 加工電壓對(duì)微細(xì)軸加工的影響

2.2 脈沖頻率對(duì)WECG 加工的影響

固定加工電壓15 V、占空比30%、電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、 進(jìn)給速度1 μm/s， 研究脈沖頻率分別為10、50、100、500 kHz 對(duì)微細(xì)軸直徑的影響見圖 4。結(jié)果表明，隨著脈沖頻率的增加，微細(xì)軸的剩余直徑逐漸增大， 在脈沖頻率為500 kHz 的加工條件下頻繁發(fā)生短路，這是由于高頻條件下材料的去除速度小于進(jìn)給速度導(dǎo)致的。在50 kHz 的脈沖頻率可以確保穩(wěn)定的加工過程和加工精度，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用50 kHz的脈沖頻率進(jìn)行加工。

圖4 脈沖頻率對(duì)微細(xì)軸加工的影響

2.3 占空比對(duì)WECG 加工的影響

固定加工電壓15 V、脈沖頻率50 kHz、電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、進(jìn)給速度1 μm/s，研究占空比分別為10%、20%、30%、50%和70%對(duì)微細(xì)軸直徑的影響見圖5。 結(jié)果表明，隨著占空比的增加，微細(xì)軸的剩余直徑逐漸減小。 當(dāng)使用10%的占空比加工難以進(jìn)行，這是由于占空比過小時(shí)工件材料去除速度小于電極絲的進(jìn)給速度， 易引起短路； 當(dāng)占空比超過50%時(shí)，微細(xì)軸的加工精度會(huì)變得非常差。 因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用30%～40%的占空比進(jìn)行加工。

圖5 占空比對(duì)微細(xì)軸加工的影響

2.4 電解液濃度對(duì)WECG 加工的影響

固定加工電壓15 V、脈沖頻率50 kHz、占空比30%、進(jìn)給速度 1 μm/s，研究 NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、6%和8%時(shí)對(duì)微細(xì)軸直徑的影響。 如圖6 所示，隨著電解液濃度增大，微細(xì)軸的剩余直徑逐漸減小。 電解液濃度過高會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重雜散腐蝕，過低會(huì)導(dǎo)致頻繁短路?？紤]到較低的電解液濃度可提高加工精度， 后續(xù)實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的電解液進(jìn)行加工。

圖6 電解液濃度對(duì)微細(xì)軸加工的影響

2.5 進(jìn)給速度對(duì)WECG 加工的影響

固定加工電壓15 V、脈沖頻率50 kHz、占空比30%、 電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%， 研究進(jìn)給速度分別為0.5、1、1.5、2 μm/s 對(duì)微細(xì)軸直徑的影響見圖 7。結(jié)果表明，隨著進(jìn)給速度的提高，微細(xì)軸的剩余直徑逐漸增大。 雖然更高的進(jìn)給速度可以獲得更高的加工精度，但也會(huì)導(dǎo)致短路頻發(fā)；然而，緩慢的進(jìn)給速度使加工時(shí)間延長(zhǎng)、雜散腐蝕嚴(yán)重，降低加工精度。 后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇1 μm/s 和1.5 μm/s 的進(jìn)給速度進(jìn)行加工。

圖7 進(jìn)給速度對(duì)微細(xì)軸加工的影響

3 加工驗(yàn)證

3.1 微細(xì)軸電極加工與原位通孔加工

微細(xì)軸電極的線電極電解磨削加工過程分為三個(gè)階段：① 以加工電壓15 V、脈沖頻率50 kHz、占空比30%、NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%和進(jìn)給速度1 μm/s 加工直徑為 500 μm 的圓柱工件， 通過接觸感知定位線電極與圓柱工件相對(duì)位置后先沿圓柱工件徑向方向進(jìn)給100 μm，再沿著圓柱工件軸向方向進(jìn)給 800 μm， 獲得直徑約 300 μm 左右的一段細(xì)軸； ②以相同參數(shù)沿著圓柱工件的徑向方向進(jìn)給50 μm，再沿著圓柱工件的軸向方向進(jìn)給650 μm 得到直徑150 μm 左右的細(xì)軸； ③ 以加工電壓13 V、脈沖頻率100 kHz、占空比20%、NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、 進(jìn)給速度1.5 μm/s 的加工條件沿圓柱工件徑向方向進(jìn)給50 μm， 再沿著圓柱工件軸向方向進(jìn)給 550 μm，最終得到約 85 μm 的微細(xì)軸，加工結(jié)果的掃描電鏡見圖8。

圖8 線電極電解磨削加工微細(xì)軸掃描電鏡圖

微細(xì)軸電極制作完成后進(jìn)行微通孔原位加工，工件為厚度100 μm 的不銹鋼薄片， 采用加工電壓10 V、脈沖頻率 100 kHz、占空比 20%、NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、進(jìn)給速度1 μm/s 的條件，首先通過接觸感知將微細(xì)軸定位于工件上方30 μm 處，再沿Z 軸正向進(jìn)給130 μm，得到的微細(xì)通孔見圖9。

圖9 原位加工通孔掃描電鏡圖

3.2 復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)線電極電解磨削加工

復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的線電極電解磨削加工過程分為兩步。 第一步，通過實(shí)驗(yàn)裝置的接觸感知功能，將直徑50 μm 銅電極絲定位在距圓柱工件50 μm處，在加工電壓15 V、脈沖頻率50 kHz、占空比30%、NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%和進(jìn)給速度1.5 μm/s 的條件下，銅電極絲沿圓柱工件徑向進(jìn)給100 μm，再沿著圓柱工件軸向進(jìn)給 1500 μm， 獲得直徑 300 μm 左右的微細(xì)軸工件； 第二步， 在上述微細(xì)軸工件的基礎(chǔ)之上， 采用直徑為30 μm 的鎢電極絲在加工電壓15 V、脈沖頻率100 kHz、占空比20%、NaNO3電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%和進(jìn)給速度1 μm/s 的條件下， 通過數(shù)控編程控制三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)做復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的加工，加工得到的微結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 微細(xì)線電極電解磨削加工復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)

圖10 可清晰地看見微結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像和掃描電鏡圖， 可見采用較細(xì)的線電極可以電解磨削出來結(jié)構(gòu)特征小于100 μm 的軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)， 并且加工表面光滑， 證明WECG 技術(shù)針對(duì)難切削材料是一種低成本、高效率制造復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的有效加工方法。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)線電極電解磨削加工實(shí)驗(yàn)，研究了加工電壓、脈沖頻率、占空比、電解液濃度和進(jìn)給速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響， 基于優(yōu)化的加工參數(shù)通過線電極電解磨削成功地獲得了微細(xì)軸電極， 并通過微細(xì)軸電極原位加工出微細(xì)通孔， 最后成功加工出復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)， 證明了線電極電解磨削針對(duì)難切削材料是一種低成本、高效率制造復(fù)雜軸對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的有效加工方法。