電解機(jī)械復(fù)合銑削陶瓷機(jī)理及技術(shù)分析

王健

摘 要：本文以陶瓷的微銑削工藝為研究對象，將其與機(jī)械微加工和電解微加工相融合，以探討其銑削工藝的工藝性能。本文主要建立了一個了電解機(jī)械復(fù)合銑削陶瓷試驗平臺。對電解機(jī)械復(fù)合銑削陶瓷進(jìn)行了實驗。對刀具電極加工深度、刀具電極轉(zhuǎn)速、刀具電極直徑等因素對銑削液流場及沖蝕性能的影響進(jìn)行了分析。研究了不同銑削時間對銑削過程中的流場規(guī)律。研究結(jié)果表明刀具電極的直徑對銑削間隙顆粒的流動具有顯著的作用，刀具的旋轉(zhuǎn)速度次之，銑削厚度為最低。加工厚度對空隙粒子的流動特性沒有明顯的影響。刀具的旋轉(zhuǎn)速度在[15000rpm，20000 rpm]時，刀具的電極附近的有效粒子數(shù)量最多，粒子的沖蝕最大。

關(guān)鍵詞：微銑削工藝；陶瓷；機(jī)械微加工；電解微加工

1 前言

由于工程陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、承載能力強(qiáng)的特性，所以在汽車、航空、機(jī)械、化工等方面有著廣闊的發(fā)展前景。在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的今天，微型零件已成為微流體、微反應(yīng)器、機(jī)電系統(tǒng)以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個主要角色。用陶瓷材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料，是今后的發(fā)展趨勢。陶瓷因其堅硬易碎的特點，使其成為具有代表性但處理難度極高的工藝。目前，陶瓷生產(chǎn)的生產(chǎn)費用較高，生產(chǎn)效率較差，但是隨著現(xiàn)代陶瓷制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得陶瓷工業(yè)的技術(shù)水平得到了極大的提高，電解機(jī)械復(fù)合銑削陶瓷技術(shù)便是其中之一。為此，本文對其進(jìn)行了深入研究。

2電解機(jī)械復(fù)合銑削工程陶瓷機(jī)理研究

電解機(jī)械復(fù)合加工工藝是一項特殊的工藝技術(shù)，其應(yīng)用范圍非常廣，但其適用范圍并不大。由于工程陶瓷的生產(chǎn)費用高，對工藝的精確度和安全性能的要求也很高，因此很難對其進(jìn)行表面品質(zhì)的控制。且由于其熔點較高，不管是電化學(xué)或機(jī)械化學(xué)方法，只要對其進(jìn)行研磨，其脆性就會引起材料的相變、殘余應(yīng)變、崩邊、裂紋等問題。采用電化學(xué)與機(jī)械化學(xué)方法相結(jié)合，可以很好地處理某些問題。目前，對玻璃的銑削性實驗的研究比較多，而對工程陶瓷的銑削性加工則相對較少見，而目前國外的主要工作是對工程陶瓷磨削、鉆孔和切割?；诖?，本文章重點闡述了電解機(jī)械復(fù)合銑削工程陶瓷的機(jī)理。

2.1電解機(jī)械復(fù)合加工原理

電解-機(jī)械復(fù)合工藝是將電解與機(jī)械相結(jié)合的有機(jī)組合，包括電解反應(yīng)，氣泡破裂釋放能量及機(jī)械處理。其工作機(jī)理是：以刀具電極為陰極，并與供電端的負(fù)極相連；副極用作陽極，并與供電端的正極相連。在此過程中，副電極與工件會被浸泡在電解質(zhì)中。工具電極，工作液，輔助電極形成循環(huán)。在連接上電后，兩個極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，電解質(zhì)會生成大量的氣泡，這些氣泡會在刀具上轉(zhuǎn)動，然后通過離心的力量附著在刀具上，從而釋放出巨大的電能。當(dāng)電壓升高時，氣泡不斷增多，從刀具的下端向溶液的表層移動。隨著氣泡數(shù)量的增加，電解過程中的電解過程會變得更加激烈，而電解過程中的反應(yīng)會產(chǎn)生較高的熱，從而加速了電解質(zhì)和工件的電解過程。由于被電解加工的工件的表面會產(chǎn)生其它的雜質(zhì)，從而使工件的表面的硬度下降。在刀具的快速銑削下，刀具的銑削過程中，銑削出硬度下降零件的表面。見圖1。

2.2 電解機(jī)械復(fù)合銑削陶瓷原理

常規(guī)的陶瓷加工用普通工具難以完成，主要通過兩種方式改善。第一種方法是一般的陶瓷必須進(jìn)行特別的加工以確保其足夠的硬度。通過對材料組成的變化及對其進(jìn)行調(diào)控，確保常規(guī)工具能夠?qū)ζ溥M(jìn)行銑削。例如玻璃陶瓷，復(fù)合陶瓷，多相陶瓷，氟金云母構(gòu)造陶瓷，但其價格很高。第二種方法是用高強(qiáng)度的自定義工具對陶瓷進(jìn)行處理。通常用于定制化的工具有 FIB和 WEDG兩種。普通的高速鋼、合金材料在處理陶瓷時容易發(fā)生斷裂、陶瓷破碎。

一般工具難以對陶瓷進(jìn)行銑削，可以通過電解來輔助一般的工具進(jìn)行銑削。利用氫氧化鈉電解質(zhì)對陶瓷進(jìn)行了輔助處理。在沒有電源的情況下，氫氧化鈉溶液與陶瓷的表面發(fā)生了很小的化學(xué)反應(yīng)。用微型鉆機(jī)加工是很困難的。在裝置上電時，電解質(zhì)中的氫氧化溶液會產(chǎn)生較高的溫度，從而加速氫氧化氫鈉與氧化鋁之間的化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生一個偏鋁酸鈉區(qū)。

電解機(jī)械復(fù)合銑削工程陶瓷原理：工具電極與供電裝置的陰極相連；采用石墨作副電極，并將副電極與供電端的正極相連。石墨的尺寸是140mm×140mm×30mm，放置于水池的上方。在 NaOH電解質(zhì)溶液的作用下，副電極與工件都浸泡在水中。工具電極，工作液，輔助電極形成循環(huán)。打開電源后，刀具的電極附近會出現(xiàn)大量的氣泡，從而引發(fā)電解質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，在刀具的四周聚集，在刀具的四周形成一個氣罩，氣罩會破碎，從而使電解質(zhì)的高溫釋放出來，最終由刀具的高速銑削加工而成。

工具電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

得到電子

2H++2e-----→（溢出氫氣）

得到電子

2H2O+2e-----→2（OH）-+H2

陶瓷表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O

在工程陶瓷的銑削加工中，通過壓力釋放能量，氣泡破裂釋放能量，工具電極來回的機(jī)械移動來實現(xiàn)。其次，高壓放電溫度范圍能加速陶瓷零件的表面與 NaOH的電解作用，從而使加工過程中的機(jī)械加工同步進(jìn)行，從而避免了高速銑削時的直接變形和破碎。

在銑削工程陶瓷中，必須采取逐級分段銑削工藝，以免刀具電極附近的陶瓷表面產(chǎn)生較大的氧化還原區(qū)，使刀具的刀具極易斷裂，或使其產(chǎn)生裂紋。

3工具電極銑削仿真

3.1 幾何模型建立

通過分析刀具電極在銑削加工中的作用，探討刀具電極在銑削加工中的流動特性。假定刀具用刀具銑出一條長x寬 xx高的狹縫：1.4mm×0.4mm×2mm。利用 Fluent中的動態(tài)網(wǎng)格法建立了一個銑加工原理和一個3D建模圖。刀具電極與工件下表面之間的間隔為25um，左側(cè)的縫隙為50um，刀具電極由左側(cè)至右側(cè)以固定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行銑削，大約5s左右即可結(jié)束銑削。

3.2 邊界設(shè)置

通過 CATIA軟件實現(xiàn)了模擬模型的3D建模，并將其引入到 workbench中進(jìn)行網(wǎng)格生成。具體過程如下：

（1）利用 CATIA建立一個3D建模系統(tǒng)，根據(jù)所述建立工件區(qū)域、工作液區(qū)域和工具電極區(qū)域。

（2）向 workbench內(nèi)的 Geometry中引入3D建模，并集成了該模型塊。

（3）在 Geometry中引入集成后的建模，分割了工作液體的工作液體區(qū)，將刀具和刀具的上表面分為固體區(qū)：將工件處理的內(nèi)部和磨削水池的上部水面區(qū)域作為固定的墻壁，以轉(zhuǎn)動的刀具電極作為軸線。刀具電極提升區(qū)的一端作為壓力進(jìn)口，而刀具電極提升刀區(qū)的另外一端作為提升刀具的出口。

（4）在 ICEM CFD中引入集成的建模，通過Tetra-/Mixed的方式分割了3D建模，并對其進(jìn)行了分類，并對其進(jìn)行了分類，并對其進(jìn)行了分類。

（5）在 Fluid中引入資料，利用動態(tài)網(wǎng)格建模進(jìn)行暫態(tài)模擬。主軸的移動定義在沿銑削溝x方向移動的過程中，其運動的形式由 UDF輸出至 Fluent解算子。在 Viscous Laminar中選取k-epsilon模型，設(shè)置 Material，在 Fluent數(shù)據(jù)庫中選取water-liquid、在單元 zone conditions中選取water-liquid、設(shè)置 Boundary conditions的邊界設(shè)置。

（6）在用戶定義中開啟 function，添加了先前在 Visual Stdio 2017中所寫的軟件，構(gòu)建器。

3.3 結(jié)果分析

刀具的加工速度為1um/s、1.5um/s、2um/s、2.5um/s。刀具用的是0.3um的直徑和1.5um的刀具用的電極。用 fluent模擬，重復(fù)次數(shù)：10，000次。截面積 y=0 mm，并且流速曲線如下：

從圖2可以看出：刀具的轉(zhuǎn)動電極沿 z方向鉆孔，并從右側(cè)起銑削。銑削速率的變化對銑削流場的作用是不相同的。刀具的旋轉(zhuǎn)速度是不變的，刀具的刀片以特定的研磨速率從左側(cè)銑入刀具的右側(cè)，在刀具的四周形成一個由左至右的旋轉(zhuǎn)速度。刀具的旋轉(zhuǎn)速度在[15000 rpm，20000 rpm]時，刀具的電極附近的有效粒子數(shù)量最多，粒子的侵蝕最大。在電極銑刀的銑削空腔流動過程中，如果不考慮銑削時的軸向作用力，則銑削過程中的流動速率較大，可以有效地清除銑削過程中的沖刷粒子，使銑削間隙的電解溶液得到及時的補(bǔ)充，從而改善加工后的工件的表面品質(zhì)和工作性能。并對陶瓷的溫度場進(jìn)行了模擬。

4 電解機(jī)械復(fù)合銑削工程陶瓷試驗

4.1 設(shè)備介紹

實驗臺包括：計算機(jī)，示波器，高速攝像機(jī)，運動臺，加工槽，工件，高頻脈沖直流電源，1歐姆電阻，示波器，電主軸，運動控制器，工作液體，變頻器，等等。在圖3中顯示了測試平臺和實際搭建的平臺。

4.2試驗內(nèi)容

選擇脈沖電壓、刀具電極橫向進(jìn)給速度、刀具電極旋轉(zhuǎn)速度、氧化鈉溶液的含量等。本文采用四種不同的實驗方法，探討了影響陶瓷表面處理品質(zhì)及溝槽寬度的主要因素，以求最佳工藝條件。

實驗步驟：用壓克力平板將陶瓷薄片與金屬槽中的石墨相連接，在該金屬薄片與電解溶液的表面相隔3～4um，刀具電極位于一個靜止的地方，然后用磨床加工成一個狹長的凹口：0.7mm×1.4mm×0.3mm。采用四種不同的實驗方法。

用M4螺釘將水池釘在了水池上，然后開始切割刀具。手工慢慢地將刀具電極與瓷板表面進(jìn)行觸摸，不要用力太大，以免造成瓷板破裂。開啟動作控制器，利用軟件對電動主軸進(jìn)行25um的上下移動，起到緩沖的作用。開啟高壓脈沖直流功率開關(guān)，對其進(jìn)行研磨。

從上述的微溝槽曲線可以看出，在加工的微槽附近有一個顯著的在電解過程中，刀具四周的氣泡會發(fā)生破碎，而在此過程中所形成的溫度會對工件表面造成很大的影響。研磨后的陶瓷薄板周圍存在著被加熱過的高溫氧化現(xiàn)象，在這些金屬之間有大量的磨蝕的黑色微粒。整體加工的微溝處為中等深度。四面都是低矮的。經(jīng)處理后的表層有淺黃色和黑色。對一系列的試件進(jìn)行處理，不僅增加了陶瓷的研磨困難，而且還使陶瓷材料易于受到電軸的機(jī)械力而粉碎。

采用三維光學(xué)階梯剖面掃描系統(tǒng)對四個實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試，并在實驗過程中對銑削后的凹槽寬度和表面粗糙程度進(jìn)行了測試。在此基礎(chǔ)上，采用PS50型三維曲面形貌機(jī)對溝道進(jìn)行了測量。

4.3脈沖電壓對結(jié)果影響

脈沖電流對氣泡的生成起重要作用。在電解溫度下，脈沖電壓起到了很大的促進(jìn)作用。實驗中，通過實驗測量了不同的實驗條件：1um/s的刀具電極、25um的刀具電極、25um的刀具、20 kHz的工作電流、20 kHz的電源電壓、100 kHz的工作電流、0.01 mol/L的電解質(zhì)溶液、1微米/秒的刀具電極的轉(zhuǎn)速、25微米的處理間隔、20 kHz的供電電壓和100%的工作循環(huán)。

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