唐偉東，康小明

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

電化學放電加工 （electrochemical discharge machining，ECDM）是用于加工玻璃、石英、陶瓷等絕緣硬脆材料的有效微加工方法。它是一個受多種因素影響的復雜加工過程，主要包括電化學反應產(chǎn)生氣泡、氣泡在工具電極周圍融合形成氣膜、氣膜被擊穿產(chǎn)生放電、放電產(chǎn)生的高溫將工件材料去除。在加工過程中，不穩(wěn)定的氣膜和放電會導致不規(guī)律的材料去除，因此，要獲得高質量、可重復加工的微結構變得困難。

為了提高電化學放電加工性能，國內外學者提出了很多新的工藝方法。Wüthrich等[1]在電解液中加入肥皂水來減小氣膜厚度，以提高加工重復率。Han等[2]在電解液中加入導電顆粒，以提高加工表面完整性。Yanget等[3]提出一種端部為球形的球狀電極，球的直徑比電極柱體直徑大，該結構的電極在加工時可避免氣泡積聚在加工孔入口處，從而提高加工表面質量和精度。孫艷琪等[4]提出一種力反饋控制進給方法，有效改善了加工孔入口的質量，減小了孔的錐度。

在電化學放電加工過程中，電極浸沒于溶液的部分都會產(chǎn)生氣泡，并最終被形成的氣膜包裹，而存在氣膜的地方就有可能產(chǎn)生放電。因此，電極底部和側壁均會產(chǎn)生放電。電極底部區(qū)域的放電有利于材料的去除和加工的進行，而電極側壁區(qū)域的放電會破壞加工結構的側壁和工件表面位置的加工質量。因此，有必要抑制電極的側壁放電。在之前的研究中，Han等[5]提出一種簡易的側壁絕緣電極，使用一個陶瓷管套在電極的部分區(qū)域達到局部側壁絕緣的效果，這種絕緣雖能抑制液面位置的放電，但不能達到完全絕緣的效果。此外，由于陶瓷管直徑約為電極直徑的三倍，加工過程中陶瓷管會阻礙電極的進給，限制了加工深度。為了使電極達到完全側壁絕緣的效果，本文提出一種金剛石涂層側壁絕緣電極，分析其加工特性并進行微槽加工實驗，還與傳統(tǒng)無絕緣電極的加工效果進行了比較。

1 實驗設置

1.1 實驗裝置

ECDM實驗裝置主要由微細電火花加工機床和附加的ECDM加工裝置構成（圖1）。微細電火花加工機床包括控制系統(tǒng)和三軸精密運動平臺，其X、Y、Z軸均由直線電機驅動，運動分辨率為0.1μm。固定在Z軸上的NSK型電主軸可實現(xiàn)對加工電極的夾持和旋轉，其轉速范圍為0～25 000 r/min，旋轉時的徑向跳動小于2μm。為了實現(xiàn)ECDM加工，在三軸運動平臺上集成了一個包括加工槽、工作液和工件系統(tǒng)及ECDM電源的ECDM裝置。實驗中的電流和電壓均通過示波器進行采集。

圖1 電化學放電加工實驗裝置

1.2 側壁絕緣電極

如圖2所示，實驗所用的側壁絕緣電極是由硬質合金微鉆為基體的電極制成。硬質合金材料的電極具有良好的導電性和極高的熔點、沸點，且作為陰極使用時在NaOH溶液中具有較好的化學穩(wěn)定性，故經(jīng)常作為電化學放電加工的工具電極使用。而微鉆上的螺旋槽結構能促進電解液流動，使電解液順利進入加工電極端部，有利于加工的進行。電極表面的金剛石涂層采用熱絲化學氣相沉積（HFCVD）方法制成。為了使電極端部的導電材料露出，在完成涂層制備后，用電火花線切割方法將電極端部割斷，并用砂紙打磨割斷面，去除熱影響層。硬質合金電極的初始直徑為250μm，沉積涂層后的直徑為258μm，金剛石涂層厚度為4μm。由于電極側壁與加工材料的間隙足夠大，所以4μm的涂層厚度不會阻礙電極進給。

在電化學放電加工中，加工區(qū)域的溫度一般會超過600℃。由表1可知，金剛石具有極高的熔點，可承受電化學放電加工的高溫工況。同時，金剛石的電阻率為1012Ω·cm，可起到較好的絕緣作用。由于電化學放電加工所用的溶液一般為堿性溶液（氫氧化鈉溶液），而金剛石在堿性溶液中具有較好的化學穩(wěn)定性，所以金剛石涂層側壁絕緣電極能用于電化學放電加工。

圖2 金剛石涂層側壁絕緣電極和傳統(tǒng)電極

表1 金剛石材料屬性

為了與側壁絕緣電極的加工實驗進行對比，同時采用了一個無涂層的硬質合金鉆頭電極用于對比實驗。如圖2b所示，該傳統(tǒng)電極的端部也被削平，以與側壁絕緣電極的形狀保持一致。

1.3 實驗參數(shù)

加工工件為石英，將其浸沒在濃度為6 mol/L的NaOH溶液中，浸沒深度為2 mm。實驗中，采用石墨作為輔助電極，加工電源為脈沖電源，其他實驗參數(shù)見表2。加工完成后，用顯微鏡對加工槽的幾何特征和表面形貌進行觀察和測量。

表2 電化學放電加工微槽實驗參數(shù)表

2 結果與討論

2.1 電流-電壓特性曲線

圖3是傳統(tǒng)電極和側壁絕緣電極在不同的電極浸沒深度下的平均電流-電壓特性曲線?？梢?，曲線被分成四個部分。在線性區(qū)發(fā)生電化學反應，此時兩種電極的電流-電壓曲線幾乎都是線性增加。如圖3a所示，對于傳統(tǒng)電極而言，電極浸沒深度越大，曲線斜率越大，這是由于電極上的電化學反應面積隨著電極浸沒深度的增加而增大，在相同電壓下電極浸沒越深，電化學反應電流越大，曲線斜率就越大；如圖3b所示，側壁絕緣電極的曲線斜率幾乎不隨著電極浸沒深度變化而變化，這是由于側壁絕緣電極的側壁被絕緣層包裹，只有電極端部與溶液接觸，其電化學反應面積不會隨著電極浸沒深度變化而變化，故曲線斜率也不變。

圖3 不同電極的電流-電壓特性曲線

在飽和區(qū)，電流達到飽和狀態(tài)。隨后，電流由飽和狀態(tài)進入躍變區(qū)，對應的轉化電壓稱為臨界電壓、轉化電流稱為臨界電流。圖4是臨界電壓隨著電極浸沒深度變化的曲線。可見，兩種電極的臨界電壓均隨著浸沒深度的增加而增大，其中側壁絕緣電極的臨界電壓增加得更快。當浸沒深度為1 mm時，側壁絕緣電極的臨界電壓比傳統(tǒng)電極的臨界電壓小，之后隨著浸沒深度增加，側壁絕緣電極的臨界電壓變得比傳統(tǒng)電極的臨界電壓大。對于側壁絕緣電極，盡管電化學反應只發(fā)生在電極端部，相較于傳統(tǒng)電極其電化學反應面積更小，但較小的反應面積使氣膜不易被吸附在電極表面，特別是生成的大氣泡易受浮力作用脫離電極；浸沒深度越深，浮力越大，氣膜越不穩(wěn)定，這就導致如圖3b所示的飽和區(qū)擴大，從而使臨界電壓變大。

圖4 不同電極的臨界電壓隨著電極浸沒深度的變化曲線

圖5 是臨界電流隨著電極浸沒深度變化的曲線?？梢姡瑐鹘y(tǒng)電極的臨界電流隨著浸沒深度增加而增大。而對于側壁絕緣電極，由于其電化學反應面積不變，臨界電流幾乎不隨著浸沒深度變化而變化，且臨界電流的大小相對于傳統(tǒng)電極大幅降低。經(jīng)過躍變區(qū)后，電流-電壓曲線進入放電區(qū)，此時在電極上可觀察到火花放電，電極進入加工狀態(tài)。

圖5 不同電極的臨界電流隨著浸沒深度的變化曲線

2.2 單層銑削加工

為了比較兩種電極的加工能力，特別是電極在微槽加工表面進行一次直線掃描運動后的加工深度，采用兩種電極在相同的實驗參數(shù)下進行了單層銑削加工。實驗參數(shù)如下：電壓為33 V，電極與工件的間隙為10μm，電極的直線掃描長度為1.2 mm，其他參數(shù)見表2。

圖6是傳統(tǒng)電極在石英表面進行一次直線掃描運動后得到的微槽，用共聚焦顯微鏡對微槽進行測量，得到其最大槽深為38.7μm。圖7是側壁絕緣電極在石英表面進行單次掃描加工后的微槽，測得其最大槽深為17.5μm。由此可見，電極側壁絕緣后，其加工效率下降，相同條件下加工的微槽深度比未絕緣時減少了21μm。

側壁絕緣電極加工效率的降低與其放電特性有關。為了解釋其原因，采集了兩種電極在加工過程中的電流波形，比較其放電特性。圖8是兩種電極在加工過程中的電流波形曲線。對于傳統(tǒng)電極，電流信號中的大脈沖為電化學反應電流，用于生成氣泡，其余的小電流為放電電流；不管是電化學反應電流還是放電電流，其幅值均較穩(wěn)定，說明加工時電極周圍的氣膜較穩(wěn)定，放電較規(guī)律。對于側壁絕緣電極，加工時的電流信號波動較傳統(tǒng)電極大，說明加工時電極周圍的氣膜不穩(wěn)定，放電不規(guī)律。根據(jù)前文分析，側壁絕緣電極的氣膜只在電極端部產(chǎn)生，由于電極端部面積較小，形成的氣膜不易被吸附，且電極的旋轉運動也會導致氣膜破裂和逃逸，從而使加工過程中氣膜重建的時間比重增大，進而壓縮放電時間。因此，不規(guī)律的放電和較短的放電時間導致了加工效率的降低。

圖6 傳統(tǒng)電極單層銑削后的微槽（×500）

圖7 側壁絕緣電極單層銑削后的微槽（×500）

圖8 兩種電極在加工中的電流波形圖

2.3 微槽加工

為了研究側壁絕緣電極對微槽加工質量的影響，使用側壁絕緣電極在石英工件上進行微槽加工，并將加工結果與相同條件下使用傳統(tǒng)電極加工的微槽進行比較。實驗分別在30、33、36 V三種加工電壓條件下進行，加工過程中電極作往復掃描運動，掃描長度為1.2 mm，掃描完一層后電極向下進給15μm，一共向下進給90μm。其他實驗參數(shù)見表2。

圖9、圖10分別是兩種電極在不同電壓下加工的微槽。由于兩種電極的放電特點不同，特別是電極側壁位置的放電不同會對加工槽的寬度產(chǎn)生影響。由圖9、圖10可見，不同電極加工的微槽邊緣由于化學刻蝕而產(chǎn)生的破壞情況不一樣，接下來分別對槽的寬度和槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度進行了比較。

圖9 側壁絕緣電極在不同電壓下加工的微槽（×500）

圖10 傳統(tǒng)電極在不同電壓下加工的微槽（×500）

圖11是兩種電極加工的槽寬度比較?？梢?，兩種電極加工的槽寬均隨著加工電壓的增加而增大。當電壓從30 V增至36 V時，側壁絕緣電極加工的槽寬從313μm增至341μm，而傳統(tǒng)電極加工的槽寬從330μm增至366μm。相比于傳統(tǒng)電極，側壁絕緣電極加工的槽寬度更小，說明加工時的徑向過切量更小。

圖11 不同電極加工的微槽寬度比較

當電極直徑為250μm、加工電壓為30 V時，可得側壁絕緣電極的徑向過切量為31.5μm。而在相同加工條件下，傳統(tǒng)電極的徑向過切量比側壁絕緣電極多約10μm。由此可得出，使用側壁絕緣電極后，電極側壁放電被抑制，可使加工時的徑向過切量減少，從而使槽寬更小，提高了加工精度。

圖12是兩種電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度比較?？梢?，使用側壁絕緣電極后，刻蝕區(qū)寬度大幅降低，降幅約50%。當加工電壓分別為30、33 V時，側壁絕緣電極加工槽邊緣的刻蝕區(qū)寬度分別只有8.5、11μm，且從圖9a、圖9b中也可看出，側壁絕緣電極加工槽邊緣基本沒有被破壞，質量相對較好，說明側壁絕緣電極能提高微槽的加工表面質量。

圖12 不同電極加工的微槽邊緣刻蝕區(qū)寬度比較

3 結論

本文提出了一種金剛石涂層側壁絕緣電極，并用該電極進行了電化學放電加工微槽實驗，還與傳統(tǒng)電極的微槽加工結果進行了比較，得到如下結論：

（1）電極側壁絕緣后，對電流-電壓曲線有明顯影響。一方面，由于側壁絕緣減少了電極的電化學反應面積，極大地減小了臨界電流；另一方面，電化學反應面積的減少使電極上的氣膜不穩(wěn)定，從而增加了臨界電壓。

（2）相比于傳統(tǒng)電極，側壁絕緣電極能有效減少加工中的徑向過切量和加工槽邊緣刻蝕區(qū)的寬度，提高微槽的加工精度和質量，但其加工效率有所下降。