李小海， 劉武奇， 孫趙寧， 王新榮， 丁海娟， 張 霞， 王曉霞

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

以“離子”溶解去除金屬材料的電解加工有望成為重要微細加工方法之一[1～3].本文采用高速旋轉的簡單柱狀微細電極，通過控制其運動軌跡和微細電解加工的工藝參數，基于超窄脈沖電源，實現微細電解加工.

1 超窄脈沖微細電解銑削加工機理

采用超窄脈沖電源進行微細電解加工，依靠極間的雙電層充放電，形成加工電流，加工區(qū)域具有很好的加工定域性，電流脈沖只持續(xù)很短的時間，而且采用微細工具電極、低濃度的鈍化電解液和低的加工電壓，所以工件的溶解只發(fā)生在非?？拷⒓氹姌O表面很小的區(qū)域內，遠離微細工具電極的非加工表面因鈍化層的保護不被蝕除，實現高定域加工.加工頻率越高，越有利于改善微小加工間隙內電場、流場，加工精度也就越高.

在微細電解銑削加工工藝試驗中，采用低濃度的鈍化電解液，其具有較高的電阻，在超短脈沖電流作用下(20～30μs范圍內)，能夠獲得較好的尺寸精度和形狀精度，說明在超短脈沖電流微細電解加工過程中，低濃度鈍化電解液對雙電層充電等效RC電路特性有顯著影響.鈍化電解液在微細電化學加工過程中，在工件表面上生成相當致密鈍化層，對生成的致密鈍化層性能展開研究，低濃度鈍化電解液會增加電極間雙電層充電等效RC電路電阻R值和充電時間常數，因此在鈍化電解液中進行微細電解加工，鈍化電解液表現出較好的定域加工效果，可以在微秒、亞微秒級脈沖電流作用下實現加工間隙在5μm以下的加工，且加工電流比以往的采用HCl活性電解液需要的電流大，能獲得較高加工效率和加工精度[4].采用平衡電極法增大微細電極與電解液之間接觸面積，降低微細電極與電解液間的壓降，使在較低的加工電壓下在鈍化電解液中實現微細電解加工，定域加工能力進一步加強，將獲得更高加工精度.微細電解銑削加工由于采用高速旋轉的微細圓柱狀電極作為加工工具，電極帶動含固、液、氣三相流體高速沿周向旋轉流動，改善微小加工間隙內流場，使加工區(qū)域流場穩(wěn)定的紊流，保持在狹小加工間隙內加工條件的一致性，保證加工間隙內電解液的電導率、溫度等加工條件不變，陽極溶解一致性好，加工精度提高.另外，生成的微小氣泡渦流場圍繞電極側壁形成氣膜，降低側壁雜散腐蝕.

2 微細電極的轉速對電解銑削的影響

在微細電解加工過程中，加工間隙微小，電解液的沖刷效果遠不如常規(guī)電解.在超窄脈沖微細電解加工中，采用高速旋轉的電極，改善了加工間隙的流場，降低了濃差極化，電解產物排出容易，也顯著提高了加工效率.微細電解銑削加工能夠克服微細成型電解加工中由于加工空間狹小，電解液不流暢而使電解產物難以排除的問題，有利于將加工過程中產生的電解熱和氣體排除，不易出現微火花和短路現象，加工穩(wěn)定性好，改善了極間流場.電極高速旋轉有利于電解過程中產生的氫氣在電極周圍形成氣膜，起屏蔽作用，減少電解雜散腐蝕.選擇工件厚度為100μm不銹鋼片，電解液為30g/L的Na-ClO3，加工電壓為5.5V，電極轉速與加工效率的關系如圖1所示.

圖1 電極轉速與加工速度關系工藝試驗

加工過程中，高速旋轉電極帶動間隙中的電解液形成高速旋轉的微渦流流場，漩渦流有利于物質傳遞，優(yōu)化微細加工間隙流場，具有足夠流速的電解液能及時將加工區(qū)的氫氣、金屬氫氧化物等電解產物和熱量帶走.通過改變電極轉速，對加工間隙中電解液流動狀況進行改善，轉速越快，流場越流暢，陽極溶解速度就越快.由于微細電極的高速旋轉，在微細電極周圍電解液均勻分布，在微小加工區(qū)內電解液流動穩(wěn)定，有助于提高微細電解加工的穩(wěn)定性，獲得高的成型精度和加工表面質量，降低濃差極化，提高加工速度，減少微火花和短路的發(fā)生.由于電解液是有粘性的，旋轉的工具電極是通過微細電解加工制作的，表面光滑，所以與電解液之間摩擦力小，形成的微渦流流場區(qū)域小，有利于減小加工間隙，電極旋轉能帶動電解液在微小加工間隙內流動，有助于將電解產物順利地排除.高轉速的電極雖然對電解產物的排除有利，但是電極轉速的選擇范圍是受限制的，當轉速過高時，微細電極在離心力作用下，發(fā)生電極抖動，旋轉精度變差，從而影響加工精度，因此不易采用過高轉速來提高加工效率，本文采用旋轉速度為7000 r/min為宜.

3 微細電解銑削加工側面成型的預測建模

微細電解銑削加工中，高速旋轉微細電極使得在狹小加工間隙內電極間的電解液快速流動，加工間隙內的電解液的電導率在加工過程中保持穩(wěn)定.工具電極材料采用勻質的銀鎢合金.在微細電解加工中產生的電解產物相對電解池的電解液來說微乎其微，且電解液循環(huán)流動，所以在加工過程中電解液成分不變.在超窄脈沖電流電解銑削加工中，加工間隙內的極間電場是準靜態(tài)的，為了預測使用簡單圓柱狀微細電極的側面進行電解加工微細三維結構的形狀，下面建立一個數學模型描述利用簡單圓柱狀工具電極加工工件側面成型，在工件上建立坐標OXYZ，如圖2所示.假設在某一時刻t被電解銑削加工工件形成的側面有一個點O，該位置可以用下式來表達:y=y(x，z，t).

圖2 用簡單圓柱電極微細電解銑削加工微結構側面成型預測建模坐標系

圖3

依據法拉第定律和歐姆定律，在工件側面給定的點O:y=y(x，z，t)對時間求導，得成型加工速度:

加工初始，即t=0時，被加工側面初始空間O點位置可以表示為:

設φ是微細電解銑削加工中電解液中某點的電勢，它是與位置相關的一個函數，即φ=φ(x，y，z).根據Laplace公式，加工間隙電解液不同位置的電位能夠確定，利用法拉第定律和歐姆定律確定加工間隙內電解液中某點的電流密度.在微細電解銑削加工中生成的氣體和電解熱假設不影響電解液的電導率，那么側面成型的邊界條件和加工間隙某點的電流密度:

其中:J為電流密度;κe為電解液的電導率.

在普通電解加工過程中，在陽極和陰極表面的邊界條件如下:陽極電勢φ=V，陰極電勢φ=0，V是陰極和陽極所加電壓.在超窄脈沖微細電解加工過程中，由電極極化引起的超電壓是重要影響因素之一，根據不同極化的原因，通常將極化分為濃差極化、電化學極化和電阻極化.電極極化所引起的總極化電壓等于以上各類超電壓之和.當微細電解加工中，加工間隙小于0.01mm，極化過電壓是一個關于電流密度的函數，而非一個常數，會顯著影響微細電解加工的表面成型.因此，在微細電解加工過程中陰極和陽極電勢的邊界條件如下所示:陰極為 φ =f(J，t);陽極為 φ =V－g(J，t).

式中f(J，t)和g(J，t)是在微細電解加工中關于陰極和陽極的極化過電壓函數，是由兩個電極間的濃差極化過電壓和電化學極化過電壓的總和決定其大小[5].

式(1)～(4)給出了工件和工具電極的相對運動關系.通過采用有限差分法能夠解出這些偏微分方程.當選定一個足夠小的時間段Δt時，可視為在這個時間段Δt內的電場和電流密度在側面加工微小加工區(qū)域內是不變的，先確定這個已知的界面成型后，采用迭代算法，再確定下一個時間段t+Δt的成型邊界，如此迭代，即可預測整個邊界的成型.該成型預測數學模型將為下一步進行的微細電解銑削加工成型仿真奠定基礎.

4 分層微細電解銑削加工試驗

在300μm厚的304不銹鋼上微細電解銑削加工微螺旋梁.加工條件:工具:?50μm的銀鎢電極;進給速度:80μm/min;電極的旋轉速度:7000r/min;加工電參數:電壓 5.0V，脈沖頻率 13kHz，脈沖38μs;電解液:濃度為30g/L的NaClO3溶液.依據成型預測模型，可以得到加工尺寸、形狀精度一致性好的微螺旋梁，如圖(3)所示.

5 結論

利用超窄脈沖電源、低濃度NaClO3電解液，實現了微結構電解銑削加工，并對其加工機理進行分析，建立了成型預測模型，并加工出典型樣件，證實了微細電解銑削加工的成型預測建模的正確性，為探索MEMS復雜器件加工提供了一個有效手段.

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[4]Schuster R，Kirchiner V，Allongue P and Ertl G.Electrochemical Micromachining[J].Science，2000，(289):98-101.

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