王曉航，余祖元，袁和傳

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，精密與特種加工教育部重點(diǎn)實驗室，遼寧 大連 116024）

在武器裝備、航空航天等機(jī)械制造領(lǐng)域，微孔加工一直是關(guān)鍵技術(shù)之一，加工材料多為高硬度、高強(qiáng)度、高韌性的合金材料，加工難度和挑戰(zhàn)性極大[1-2]。目前較常用的微孔加工方法包括機(jī)械加工、微細(xì)電火花加工、微細(xì)超聲波加工、激光加工和微細(xì)電解加工等。相比于其他加工技術(shù)，微細(xì)電解加工有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：理論上無電極損耗；加工表面質(zhì)量好，無殘留應(yīng)力與熱影響區(qū)；加工材料范圍廣，對材料的強(qiáng)度、硬度無要求[3]。近年來，微細(xì)電解加工技術(shù)得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，并取得了巨大進(jìn)展。

由于電解加工存在雜散腐蝕，加工的微孔會產(chǎn)生一定的錐度，導(dǎo)致加工精度降低，通?？刹捎秒姌O側(cè)壁絕緣和盤形電極等方法予以解決。其中，側(cè)壁絕緣方法主要包括化學(xué)氣相沉積（CVD）[4]、涂敷有機(jī)涂層[5]和涂敷復(fù)合涂層[6]等。CVD絕緣膜的絕緣性能良好，但對制膜的環(huán)境要求高，且制膜設(shè)備昂貴，工序復(fù)雜，無法實現(xiàn)在線處理，而其他的簡便制膜法都無法保證絕緣膜的均勻與持久性，加上工具電極通常僅為幾十微米，在其表面涂覆絕緣膜極易造成電極的彎曲，不利于加工進(jìn)行。

針對微孔側(cè)隙問題，本文首先研究分析了微細(xì)電解加工參數(shù)對微孔側(cè)隙的影響，并通過電極搖動的輔助加工方式進(jìn)行改善。

1 實驗設(shè)備

本實驗采用自行研制的微細(xì)電解加工裝置，主要包括三軸聯(lián)動系統(tǒng) （重復(fù)定位精度為1 μm）、信號采集系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)、WEDG單元、脈沖電源和示波器等（圖1）。電解液選用濃度為0.2 mol/L的H2SO4溶液，利用微量泵以自循環(huán)方式進(jìn)行側(cè)向沖液，調(diào)節(jié)電壓值可改變電解液流速，保證電解液在工件表面形成一層平緩的水膜。加工回路中的電流值通過霍爾元件采集，并用示波器實時檢測加工電壓電流值。

圖1 微細(xì)電解加工實驗裝置示意圖

2 無搖動電解加工微孔側(cè)隙表達(dá)式

根據(jù)法拉第第一定律，在兩極雙電層上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量與通過雙電層的電量成正比。陽極溶解金屬的體積V為[7]：

式中：ω為體積電化學(xué)當(dāng)量；I為電流強(qiáng)度；t為加工時間。

考慮到電流效率，垂直于陽極平面法線方向上的陽極金屬溶解速度va可表示為[8]：

式中：η為電流效率；i為電流密度。

其中，i可表示為[9]：

式中：k為電解液導(dǎo)電率；U為兩極間電壓；?E為陰陽極電位的代數(shù)和；Δ為加工間隙。

聯(lián)立式（2）和式（3），可得：

圖2是電極無搖動時的孔加工示意圖。其中：δ為孔入口側(cè)隙；δ0為電極端部加工側(cè)隙；d為電極直徑，d=2r（r為電極半徑）。

在加工平衡狀態(tài)下，陽極金屬溶解速度與電極進(jìn)給速度相同，即va=v1。根據(jù)式（4），電極底面加工間隙Δ可表示為[9]：

圖2 電極無搖動加工孔示意圖

式中：v1為電極進(jìn)給速度。

則在t時刻孔入口的側(cè)隙δ為[9]：

3 電極搖動對孔側(cè)隙的影響

聯(lián)立式（5）和式（6）可得：

電極搖動加工是利用主伺服加工軸以外的運(yùn)動軸做有規(guī)律的、周期的插補(bǔ)運(yùn)動并配合主軸伺服進(jìn)給運(yùn)動的加工方法[10]。如圖3所示，電極搖動加工實際上相似于銑削加工，都是通過控制電極軌跡進(jìn)行材料去除。本文選用的實驗設(shè)備主要利用機(jī)床上兩種運(yùn)動的聯(lián)動來實現(xiàn)：一是Z軸方向的進(jìn)給運(yùn)動；二是XY平面內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)動。

圖3 電極搖動加工示意圖

3.1 電極搖動側(cè)隙表達(dá)式

圖4 是電極搖動狀態(tài)示意圖，由此可求得電極搖動加工時，孔上任一點(diǎn)在任意時刻與電極的距離。以圖4所示A點(diǎn)為例，其與電極的距離為：

式中：δ搖為電極搖動加工時點(diǎn)A在任意時刻與電極的距離；x為孔入口與電極的最短距離；e為搖動半徑；r為電極半徑；θ為電極任意旋轉(zhuǎn)角度。

由于電解加工過程中存在雜散腐蝕，隨著加工時間的增加，孔入口側(cè)隙δ搖a也增加，dt時間內(nèi)的側(cè)隙增加 dδ搖a，由于電極搖動，δ搖a≠δ搖。 根據(jù)式（4），側(cè)壁去除速度可寫成 ηωk（U-?E）/δ搖，則 dδ搖a可表示為：

將式（9）兩邊積分，則電極搖動情況下的孔入口側(cè)隙δ搖a可表示為：

式中：δ搖為A點(diǎn)與電極的距離；δ搖a為孔側(cè)隙。

將式（8）代入式（10）中，可得：

當(dāng)電極搖動半徑e=0且θ=0時，孔入口側(cè)隙δ搖a=δ=x，則式（11）可寫成：

將式（12）兩端積分，可得：

當(dāng)t→0時，可認(rèn)為在有、無搖動情況下電極端部的加工狀態(tài)是相同的，即電極端部側(cè)隙δ0相同且δ=δ0，則，將其代入式（13），可得：

由式（14）與式（7）可看出，電極無搖動加工是電極搖動加工在e=0、θ=0時的特例。

3.2 電極搖動對孔入口側(cè)隙的影響

在整個加工過程中，孔的各點(diǎn)加工情況相同。以圖4所示A點(diǎn)為例進(jìn)行分析，當(dāng)t→0時，有、無搖動的情況下電極端部側(cè)隙都可表示為δ0。根據(jù)式（9），在電極無搖動情況下，一個脈沖周期Tp的加工時間內(nèi)的孔側(cè)隙δ可表示為：

圖4 電極搖動狀態(tài)示意圖

同樣，根據(jù)式（9）可知，在一個脈沖周期Tp的加工時間內(nèi)，電極搖動加工的孔側(cè)隙δ搖a為：

式中：f（t）為電極搖動過程中，A點(diǎn)到電極的距離增量，f（t）≥0，則：

將此關(guān)系代入式（15）和式（16）進(jìn)行比較：

由式（18）可知，δ>δ搖a。 根據(jù)上述推導(dǎo)關(guān)系可知，從電解加工開始后的相同加工時間內(nèi)，電極搖動加工的孔側(cè)隙始終小于電極無搖動情況。

4 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

4.1 電極搖動對孔入口側(cè)隙值的影響

為了驗證上述電極搖動對降低電解加工微孔錐度具有改善作用的理論分析結(jié)果，采用不同的搖動半徑和搖動速度進(jìn)行深度為100 μm的盲孔電解加工。共進(jìn)行10組實驗，每組實驗分別重復(fù)進(jìn)行三次，實驗參數(shù)見表1，加工結(jié)果見圖5。

表1 電極搖動電解加工盲孔實驗參數(shù)表

從圖5可看出，增加電極搖動后，孔入口側(cè)隙減小。在相同的搖動半徑條件下，搖動速度的變化對側(cè)隙值影響不大；但隨著搖動半徑的增加，孔側(cè)隙值呈相應(yīng)減小的趨勢，實驗結(jié)果與理論定性分析結(jié)果一致。由圖5還能看出，當(dāng)搖動半徑超過7 μm后，孔入口側(cè)隙值的變化逐漸趨于平緩。分析原因：搖動半徑增加會導(dǎo)致電極需要去除的材料體積增多，當(dāng)電極的去除能力不能滿足材料去除速度時，會造成加工短路，延長加工時間，孔入口處的雜散腐蝕增加，使得孔入口側(cè)隙減小的趨勢變得平緩。

圖5 電極搖動參數(shù)與孔入口側(cè)隙值的關(guān)系圖

4.2 電極搖動對孔出入口直徑差的影響

由上述分析可知，電極搖動能減小孔的入口側(cè)隙。為了分析電極搖動對孔出入口直徑差的影響，分別以不同的電極搖動半徑進(jìn)行電解加工通孔的實驗。采用搖動速度為3.9±0.4 μm/s，搖動半徑分別為 0、5、7、10 μm，其余實驗條件同表 1。由圖 6 可看出，隨著搖動半徑增加，孔出入口的直徑差呈減小趨勢；當(dāng)搖動半徑為7 μm時，直徑差減小約62%。由圖7可看出，隨著搖動半徑增加，孔入口側(cè)隙逐漸減小，實驗結(jié)果驗證了理論分析的結(jié)果。

圖6 電極搖動半徑與孔出入口直徑的關(guān)系圖

分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因：電極搖動能改善加工區(qū)域電解液的流動情況，使電解液更均勻，避免了加工產(chǎn)物等造成的異常放電現(xiàn)象，降低了電導(dǎo)率，從而減小了雜散腐蝕，也可能有利于減小側(cè)向間隙。電極無搖動加工的孔和搖動半徑為10 μm時加工的孔分別見圖8和圖9，電解加工后的電極形狀見圖10。

圖7 電極搖動半徑與孔出入口側(cè)隙值的關(guān)系圖

圖8 電極無搖動時的孔出入口SEM圖

圖9 電極搖動半徑為10 μm時的孔出入口SEM圖

圖10 加工后的電極SEM圖

5 結(jié)束語

本文針對電解加工微孔的錐度問題，采用電極搖動方式減小微孔的錐度，推導(dǎo)出電極搖動電解加工微孔側(cè)隙的計算公式，從理論上定性地揭示了電極搖動電解加工微孔錐度減小的原因。實驗結(jié)果表明，隨著電極搖動半徑的增加，孔入口側(cè)隙呈減小趨勢；當(dāng)搖動半徑為7 μm、搖動速度為3.9 μm/s時，在厚度為200 μm的不銹鋼上加工通孔，得到的孔出入口直徑差比電極不搖動時減小了62%。