王明宇，張建華，劉 勇,2

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 力學(xué)與機(jī)電裝備聯(lián)合工程技術(shù)研究中心，山東 威海 264209)

玻璃微結(jié)構(gòu)電解電火花銑削加工試驗(yàn)研究*

王明宇1，張建華1，劉 勇1,2

(1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 力學(xué)與機(jī)電裝備聯(lián)合工程技術(shù)研究中心，山東 威海 264209)

為滿足石英玻璃等非導(dǎo)電硬脆材料微結(jié)構(gòu)的加工需求，對微細(xì)電解電火花銑削加工工藝進(jìn)行了深入的試驗(yàn)研究，在玻璃工件上進(jìn)行了一系列微細(xì)電解電火花銑削加工工藝試驗(yàn)。首先，基于電解電火花加工的原理搭建了微細(xì)電解電火花銑削試驗(yàn)平臺；其次，通過對比試驗(yàn)，研究了加工電壓、脈沖頻率、占空比和進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對銑削槽寬的影響，并通過優(yōu)化工藝參數(shù)加工出微槽陣列；最后，成功加工出多個玻璃微結(jié)構(gòu)包括二維微流道和三維微結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明微細(xì)電解電火花銑削工藝在加工非導(dǎo)電硬脆材料微結(jié)構(gòu)方面具有很大潛力。

微細(xì)加工；電解電火花銑削；玻璃；微結(jié)構(gòu)

0 引言

近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的不斷發(fā)展，人們對玻璃等非導(dǎo)電硬脆材料的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的需求不斷增加。由于玻璃具有透明性、耐化學(xué)性、低導(dǎo)電性、低導(dǎo)熱性及生物相容性等優(yōu)良特性，被廣泛用于MEMS中的微傳感器、微反應(yīng)器、微加速度計和微型泵[1]。但是由于其本身的特性，其微結(jié)構(gòu)的加工一直是制造業(yè)中的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法會有很大的切削力導(dǎo)致硬脆材料難以加工，或者加工完成后由于微裂紋的存在導(dǎo)致工件失效；非傳統(tǒng)的加工方式也存在自身的局限性，比如，電火花加工或者電解加工需要工件是導(dǎo)體；超聲和激光等加工方法由于設(shè)備昂貴，不適合普遍推廣。針對非導(dǎo)電硬脆材料的加工，許多學(xué)者提出了一種有效的方式—電解電火花復(fù)合加工[2-4]。電解電火花復(fù)合加工可以應(yīng)用在玻璃等非導(dǎo)電硬脆材料的加工中，尤其適合微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。

近些年來，國內(nèi)外許多研究者對電解電火花復(fù)合加工技術(shù)進(jìn)行了研究。韓國學(xué)者利用微細(xì)電解電火花加工技術(shù)在玻璃上加工出一些微孔、微流道和微結(jié)構(gòu)[5-6]。伊朗學(xué)者研究了磁場施加方向和電解液濃度對電解電火花銑削加工玻璃的影響[7]。吳俊杰等研究了混粉電解電火花加工對非導(dǎo)電硬脆材料加工表面的影響[8]。呂傳偉等研究了電解電火花加工工藝對單晶硅的表面質(zhì)量的影響[9]。蔣毅等人利用電解電火花加工技術(shù)對玻璃進(jìn)行了微細(xì)線切割研究[10]。對于銑削的復(fù)合加工技術(shù)，趙云峰等進(jìn)行了超聲振動銑削鋁合金試驗(yàn)，研究其對表面粗糙度的影響[11]；王明海等研究了超聲扭轉(zhuǎn)振動銑削碳化硅復(fù)合材料對表面粗糙度的影響[12]。上述研究主要集中在工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響，很少有文獻(xiàn)研究微細(xì)電解電火花銑削加工工藝參數(shù)對槽寬的影響。目前國內(nèi)外對微細(xì)電解電火花加工的研究多是加工一些微孔及二維圖形，進(jìn)一步的研究方向應(yīng)該是面向復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步提高非導(dǎo)電硬脆材料微結(jié)構(gòu)的加工工藝，本文在玻璃上進(jìn)行了一系列的微細(xì)電解電火花銑削加工工藝試驗(yàn)，研究了加工電壓、脈沖頻率、占空比、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響。最后選取較優(yōu)化的參數(shù)在玻璃上通過電解電火花銑削加工出微槽陣列，并成功的在玻璃上加工出微流道和多個三維微結(jié)構(gòu)。

1 加工原理及試驗(yàn)平臺的搭建

1.1 微細(xì)電解電火花銑削加工原理

微細(xì)電解電火花銑削加工原理如圖1所示，工具電極、玻璃工件和輔助陽極浸沒在KOH電解液中，工具電極選用螺紋WC電極，輔助陽極選用石墨片。脈沖直流電源提供加工電壓，工具電極接電源的負(fù)極，輔助陽極接電源的正極。加工時，在工具電極和輔助陽極之間施加一個電壓；在電解的作用下，工具電極附近析出大量氫氣形成氣泡膜，氣泡膜將工具電極與電解液絕緣；當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時，工具電極對氣泡膜外的電解液放電，擊穿氣泡膜，去除周邊的工件材料；最后，在電解的作用下又形成新的氣泡膜，開始下一個放電周期。工具電極在機(jī)床控制系統(tǒng)的控制下，以一定的加工路徑走刀，工具電極在玻璃工件上作類似機(jī)械銑削的運(yùn)動，通過工具電極的底面和側(cè)面對周圍電解液放電產(chǎn)生的高溫去除工件材料；局部高溫同時導(dǎo)致KOH電解液腐蝕玻璃的加劇，也會導(dǎo)致工件材料的去除。

圖1 微細(xì)電解電火花銑削加工原理

1.2 試驗(yàn)平臺的搭建

微細(xì)電解電火花銑削加工試驗(yàn)平臺如圖2所示，為保證試驗(yàn)系統(tǒng)的精度，試驗(yàn)平臺選用大理石隔振平臺作為底座，用來減少外界振動的干擾；且設(shè)計了L形的大理石支架保證加工機(jī)床的垂直度。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：高頻脈沖電源系統(tǒng)、微電極系統(tǒng)、XYZ進(jìn)給裝置和控制系統(tǒng)等；高頻脈沖電源系統(tǒng)是定制的RGMC-120/5/100K電源，可以調(diào)節(jié)不同的電壓、頻率等電參數(shù)。微電極系統(tǒng)包括工具電極、主軸、電極夾具、輔助陽極和電解液槽等；工具電極采用直徑為105μm的螺旋WC電極，主軸的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，工具電極和主軸依靠電極夾具連接，電解液槽放置在可升降的平臺上，玻璃工件固定在電解液槽里面。XYZ進(jìn)給裝置是由WN261TA50H運(yùn)動控制卡驅(qū)動X、Y、Z軸的馬達(dá)，可以精確的控制X、Y、Z電動滑臺沿三方向的進(jìn)給及復(fù)雜加工路線的進(jìn)給。機(jī)床控制系統(tǒng)基于LabWindows /CVI開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)由銑削圖形生成加工路線，自動控制XYZ軸聯(lián)動進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的銑削。

圖2 微細(xì)電解電火花銑削加工試驗(yàn)平臺

2 試驗(yàn)設(shè)計

通過一系列加工試驗(yàn)來分析微細(xì)電解電火花銑削加工過程中各主要加工參數(shù)，如加工電壓、脈沖頻率、占空比，以及進(jìn)給速度等對加工結(jié)果的影響規(guī)律。試驗(yàn)中，電解液采用3mol/L的KOH溶液，玻璃工件的規(guī)格為46mm×25mm×1mm，輔助陽極為石墨片。為了避免試驗(yàn)中偶然性因素對加工結(jié)果的影響，每個參數(shù)的加工試驗(yàn)都需要進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，加工的結(jié)果以多次銑削加工的微槽的平均槽寬作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)的基本加工參數(shù)為：加工電壓34V，脈沖頻率500Hz，占空比50%，主軸轉(zhuǎn)速6000rpm，進(jìn)給速度2μm/s，進(jìn)給深度為100μm。研究加工電壓對試驗(yàn)結(jié)果的影響時，加工電壓調(diào)節(jié)范圍34V～40V；研究頻率對試驗(yàn)結(jié)果的影響時，加工頻率變化范圍為200Hz～500Hz；研究占空比對試驗(yàn)結(jié)果的影響時，加工占空比調(diào)節(jié)范圍為50%～80%；研究進(jìn)給速度對試驗(yàn)結(jié)果的影響時，進(jìn)給速度設(shè)定范圍為0.5μm/s～2μm/s；其他工藝參數(shù)同基本加工參數(shù)。

3 加工試驗(yàn)及分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計的方案，針對加工電壓、頻率、占空比、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對微細(xì)電解電火花銑削加工的影響進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，對玻璃工件進(jìn)行一系列的銑削加工試驗(yàn)，并成功加工出多個玻璃微結(jié)構(gòu)。

3.1 加工電壓對槽寬的影響

為了研究加工電壓對電解電火花銑削玻璃的影響，進(jìn)行了多次對比試驗(yàn)，加工電壓對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線如圖3所示。由圖3可知，電解電火花銑削加工玻璃的槽寬隨著加工電壓的增加而增大，材料去除率增加，加工的側(cè)面間隙變大，加工定域性變差。隨著電壓的增大，放電能量增強(qiáng)，導(dǎo)致加工槽寬變大。通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)34V時加工出的槽寬的標(biāo)準(zhǔn)差比較大，但是其加工定域性最好，能夠加工出比較小的槽寬。

圖3 加工電壓對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線

3.2 脈沖頻率對槽寬的影響

為了研究脈沖頻率對槽寬的影響，進(jìn)行了多次對比試驗(yàn)。圖4所示為脈沖頻率對加工槽寬的影響規(guī)律曲線，隨著脈沖頻率的增加，電解電火花銑削加工出的槽寬隨之減小，材料去除率下降，側(cè)面間隙變小，加工定域性得到提高。由于脈沖頻率的增大，導(dǎo)致脈沖周期時間縮短，每次通電時間變短，有利于銑削出更小的槽寬，提高加工定域性。因而，500Hz是通常被選做銑削加工微槽時的參數(shù)。

圖4 脈沖頻率對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線

3.3 占空比對槽寬的影響

為了研究占空比對槽寬的影響，按照試驗(yàn)設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行了多次對比試驗(yàn)，占空比對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線如圖5所示。由圖5可知，微細(xì)電解電火花銑削加工出的槽寬隨著占空比的增大而增大，材料去除率增加，側(cè)面間隙變大，加工定域性變差。占空比從50%增大到80%，這導(dǎo)致脈沖周期內(nèi)通電時間的不斷增加，火花放電的次數(shù)增多，使得銑削槽寬變大，加工定域性變差。因此，為了獲得良好的加工定域性，微細(xì)電解電火花銑削加工時占空比一般選則50%。

圖5 占空比對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線

3.4 進(jìn)給速度對槽寬的影響

為了研究進(jìn)給速度對銑削加工槽寬的影響規(guī)律，按照試驗(yàn)設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行了多次試驗(yàn)。進(jìn)給速度對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線如圖6所示，隨著進(jìn)給速度的增加，微細(xì)電解電火花銑削加工的槽寬隨之減小，材料去除率大大增加，加工側(cè)面間隙變小，加工定域性提高。隨著進(jìn)給速度的增大，在相同的加工時間下，進(jìn)給長度大大增加，材料去除率增大。但是隨著進(jìn)給速度的增加，平均到每段進(jìn)給量上的電解電火花放電能量會降低，導(dǎo)致加工間隙變小，槽寬減小，加工定域性提高。為了獲得良好的加工定域性可選用較高的進(jìn)給速度。

圖6 進(jìn)給速度對銑削槽寬的影響規(guī)律曲線

3.5 復(fù)雜玻璃微結(jié)構(gòu)的加工

基于以上對各種工藝參數(shù)的討論，選取了一組較為優(yōu)化的參數(shù)加工出微槽陣列。在玻璃工件上，利用微細(xì)電解電火花銑削加工出微流道和多個三維微結(jié)構(gòu)。

為了獲得良好的加工定域性，選取一組優(yōu)化工藝參數(shù)，在玻璃上銑削微槽陣列如圖7所示，槽寬為145μm，長750μm，深度約為130μm。

利用微細(xì)電解電火花銑削加工在玻璃上加工的復(fù)雜微流道如圖8所示，槽寬為145μm，深度約為150μm。為驗(yàn)證試驗(yàn)平臺對三維微結(jié)構(gòu)的加工能力，利用微細(xì)電解電火花銑削加工出多個三維玻璃微結(jié)構(gòu)。微細(xì)電解電火花銑削加工的三維臺階結(jié)構(gòu)如圖9所示，加工出的臺階側(cè)壁較為陡直，形狀精度較好。微細(xì)電解電火花銑削加工的三維凸臺結(jié)構(gòu)如圖10所示，加工出的二層凸臺結(jié)構(gòu)，上層凸臺的寬度約為75μm，長260μm，高約為70μm。利用微細(xì)電解電火花銑削加工成功加工出玻璃二維微流道和三維微結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明微細(xì)電解電火花銑削可以滿足不同微結(jié)構(gòu)的加工要求。

圖7 較優(yōu)化參數(shù)銑削加工出的微槽陣列

圖8 微細(xì)電解電火花銑削加工的復(fù)雜微流道

圖9 微細(xì)電解電火花銑削加工的三維臺階結(jié)構(gòu)

圖10 微細(xì)電解電火花銑削加工的三維凸臺結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

針對非導(dǎo)電硬脆材料微結(jié)構(gòu)的加工需求，本文通過在玻璃工件上進(jìn)行一系列的微細(xì)電解電火花銑削加工試驗(yàn)，分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對槽寬的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)通過一系列的對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在玻璃工件上進(jìn)行電解電火花銑削加工時，槽寬隨著加工電壓和占空比的增大而增大，隨著脈沖頻率和進(jìn)給速度的增大而減小。在較小的加工電壓和占空比，較大的脈沖頻率和進(jìn)給速度下，可以獲得較好的加工定域性。

(2)在玻璃工件上成功的加工出二維微流道和多個三維微結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明，微細(xì)電解電火花銑削加工可以滿足玻璃的二維復(fù)雜圖形及三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工需求，對非導(dǎo)電硬脆材料微結(jié)構(gòu)的加工具有一定的指導(dǎo)意義。

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ExperimentalInvestigationonElectrochemicalDischargeMillingofMicroStructuresonQuartzGlass

WANG Ming-yu1, ZHANG Jian-hua1, LIU Yong1,2

(1.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education of China, School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China; 2. Associated Engineering Research Center of Mechanics & Mechatronic Equipment, Shandong University, Weihai Shandong 264209, China)

To satisfy the demand of the micro-structures on hard and non-conductive materials, the electrochemical discharge milling process is studied deeply by a series of machining experiments on glass. Firstly, the electrochemical discharge milling set-up has been built based on the machining principle. Secondly, series of experiments has been carried out to investigate the effect of applied voltage, frequency, duty factor, and feed rate on the channel width. And an array of micro-grooves is obtained by the optimized parameters. Finally, some complex micro-structures like micro-channels and 3D micro-structures on glass are fabricated successfully. The experimental results show that the electrochemical discharge milling has a great potential in the machining micro-structures on hard and nonconductive materials.

micro-machining; electrochemical discharge milling; glass; micro structures

1001-2265(2017)11-0099-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.026

2017-01-06；

2017-02-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305238)；中國博士后基金項(xiàng)目(2015M572023)；山東大學(xué)(威海)青年學(xué)者未來計劃資助項(xiàng)目(2015WHWLJH03)

王明宇(1990—)，男，山東濟(jì)寧人，山東大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合特種加工技術(shù)，(E-mail)mingyuwangsdu@163.com；通訊作者：張建華(1964—)，男，山東煙臺人，山東大學(xué)教授,博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)合特種加工技術(shù)，(E-mail)jhzhang@sdu.edu.cn。

TH162;TG66

A

(編輯李秀敏)