彭子龍，劉聰，李一楠，蘭紅波

1.青島理工大學(xué) 山東省增材制造工程技術(shù)研究中心，青島 266520 2.青島理工大學(xué) 工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266520

隨著人類探索空天領(lǐng)域步伐的加快，對(duì)微動(dòng)力系統(tǒng)提出更高的要求。目前，以微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的新型微動(dòng)力裝置，成為主要研究方向。1997年美國(guó)麻省理工學(xué)院就已提出微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，并研制出硅基材料的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能的進(jìn)一步提高，使得從硅基材料向性能優(yōu)異金屬合金的過(guò)渡成為必要途徑。微細(xì)加工技術(shù)是微小零件加工不可逾越的環(huán)節(jié)，人們開始嘗試特征結(jié)構(gòu)在幾百微米尺度的金屬微結(jié)構(gòu)的制作方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用微細(xì)電火花分層銑削方法制作了鎳基高溫合金渦輪-壓氣機(jī)一體化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)5 mm，葉片高度0.4 mm、葉片厚度0.1 mm。但是加工中存在的電極損耗嚴(yán)重、工具電極頻繁更換等問(wèn)題影響加工精度。

隨著微細(xì)金屬結(jié)構(gòu)制造特種加工方法的深入研究，特征尺寸在幾百微米以下的微孔、微槽等基本單元的可靠制造受到普遍關(guān)注。直徑在100 μm以下的微細(xì)工具電極的高效可靠制備更是該領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)問(wèn)題。近年來(lái)，圍繞該問(wèn)題，全世界研究學(xué)者在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面開展了大量的研究工作，并取得了很多成果。

微細(xì)電極的制備技術(shù)主要集中在微尺度機(jī)械加工方法、電火花反拷加工方法和微細(xì)電化學(xué)加工方法等。微尺度機(jī)械加工方法主要有微細(xì)車削和微細(xì)磨削兩種，Lu和Yoneyama通過(guò)精密車削技術(shù)，利用三向力傳感器對(duì)切削力進(jìn)行了研究，并探討了減小阻力以提高加工精度的方法，成功制備出直徑10 μm以下、長(zhǎng)徑比小于10的微細(xì)電極；Onikura等利用超聲振動(dòng)輔助偏置砂輪端面磨削加工，減小了磨削力，成功加工出直徑11 μm、長(zhǎng)徑比達(dá)14的微細(xì)軸；為了得到大長(zhǎng)徑比微細(xì)電極，Xu和Wu提出了超聲振動(dòng)輔助無(wú)心磨削技術(shù)，分析了工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和材料去除過(guò)程，成功制備出直徑42 μm、長(zhǎng)徑比高達(dá)310的微細(xì)電極。機(jī)械加工方法屬于接觸式加工，雖然通過(guò)工藝改善可以減小加工中的力學(xué)負(fù)擔(dān)，但加工過(guò)程對(duì)機(jī)床精度要求高，集成制造工藝復(fù)雜，微尺度加工輔助時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題仍需改善。

基于微細(xì)特種加工技術(shù)的電火花加工和電化學(xué)加工屬于非接觸加工，無(wú)宏觀作用力，在微電極的制備中優(yōu)勢(shì)明顯?；谖⒓?xì)放電原理的電火花線電極磨削、電火花塊電極反拷是最常見的微細(xì)電極加工方法，Masuzawa等利用線電極電火花磨削法，使用移動(dòng)導(dǎo)線作為工具電極，減小了電極損耗的影響，利用微能放電進(jìn)行逐點(diǎn)去除加工，成功加工出直徑2.5 μm的微細(xì)電極，并利用在線制作的微電極成功加工出直徑5 μm的微細(xì)孔，代表了該技術(shù)前沿。該方法加工精度高，能夠獲得大長(zhǎng)徑比微電極，但加工效率極低，很難滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

電火花塊電極反拷使得工具電極全長(zhǎng)參與加工，效率明顯提高。Singh等利用電火花塊電極反拷法，成功制備出直徑170 μm、長(zhǎng)徑比18的微細(xì)電極。但是電極直徑不容易控制，加工精度低，而且由于靜電力的存在，在直徑小于50 μm時(shí)，獲得大長(zhǎng)徑比微細(xì)電極較為困難；為了避免靜電力的影響，Yin等提出了雙塊電極反拷磨削法，該方法運(yùn)用兩個(gè)塊電極來(lái)平衡電極兩側(cè)的靜電力，避免了因靜電力而引起的微細(xì)電極撓曲現(xiàn)象，成功加工出直徑46 μm、長(zhǎng)徑比26的微細(xì)電極。但該方法是以雙反拷塊間距為基準(zhǔn)，放電腐蝕后的雙側(cè)塊電極需要頻繁更換，不適用于實(shí)際生產(chǎn)。

近年來(lái)，電化學(xué)加工因其獨(dú)特的離子溶解去除方式以及加工陰極不損耗的特點(diǎn)受到極大的關(guān)注，利用微細(xì)電化學(xué)加工微細(xì)電極的方法層出不窮。Lim等提出電化學(xué)加工影響電極形狀的兩個(gè)因素，幾何效應(yīng)和擴(kuò)散層效應(yīng)，分析了兩因素的影響規(guī)律，最終通過(guò)控制電流電壓等因素，提高了加工的定域性，成功加工出直徑50 μm、長(zhǎng)徑比80的圓柱形微細(xì)電極。Han和Kunieda提出了一種線材電化學(xué)磨削方法，該方法與電火花線電極磨削類似，使用移動(dòng)導(dǎo)線作為工具電極來(lái)進(jìn)行電化學(xué)加工，減小了工具與工件之間的相對(duì)面積，減小了雜散腐蝕對(duì)加工電極的影響，成功制備出直徑35 μm、長(zhǎng)度163 μm的微細(xì)電極。Mathew和Sundaram通過(guò)刃口電極電化學(xué)磨削方法，利用刃口電極的刃口作為加工區(qū)域，有效克服傳統(tǒng)電解雜散腐蝕定域性差的缺點(diǎn)，并建立了電極直徑控制數(shù)學(xué)模型，成功加工出直徑10 μm、長(zhǎng)徑比高達(dá)450的微細(xì)電極，但是由于兩極相對(duì)面積的減小，也使得加工效率大大降低，不適用于生產(chǎn)加工。

目前階段，以微細(xì)工具電極為代表的微細(xì)軸加工技術(shù)存在以下技術(shù)瓶頸：① 隨著加工尺度的進(jìn)一步減小，加工中的各種微觀力對(duì)加工過(guò)程的影響更加顯著，如微細(xì)電火花塊電極反拷過(guò)程中，由于靜電力的存在，直徑小于50 μm時(shí)很難獲得大的長(zhǎng)徑比；② 加工效率與加工精度的矛盾日益突出，如電火花線電極磨削技術(shù)的點(diǎn)放電材料去除方式，為了獲得更高的加工精度，不得不犧牲加工效率；③ 微小的加工間隙對(duì)加工穩(wěn)定性的影響增大，如微區(qū)工作液循環(huán)、蝕除產(chǎn)物排出困難等。

基于此，提出一種基于臨界反應(yīng)距離可控的微細(xì)電化學(xué)高效加工微電極方法，利用微秒級(jí)脈沖電源，通過(guò)加工間隙控制微細(xì)電極徑向和軸向尺寸，在保證加工精度的同時(shí)增大了加工間隙，提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性和穩(wěn)定性，并大大提高了微細(xì)電極制備的加工效率。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝靈活，較好解決了微細(xì)加工中工具電極制備時(shí)間長(zhǎng)的難題，有望應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 加工原理與分析

實(shí)驗(yàn)中以純度為99%、直徑300 μm的鎢絲作為陽(yáng)極，以NaOH溶液為電解液，用微秒脈沖電源提供能量，通過(guò)陽(yáng)極旋轉(zhuǎn)制備出圓柱狀微細(xì)電極，其陰極是厚度為的不銹鋼片，當(dāng)采用大厚度陰極時(shí)，電極全長(zhǎng)參與加工，加工效率高；當(dāng)采用小厚度陰極時(shí)，加工精度高，加工原理圖如圖1所示。利用臨界反應(yīng)距離的強(qiáng)反應(yīng)區(qū)和弱反應(yīng)區(qū)的蝕除量差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)工具電極的尺寸控制。在電極加工中，通過(guò)調(diào)整陰極厚度，便可以同時(shí)兼顧效率和精度兩個(gè)方面。

圖1 臨界反應(yīng)距離法微細(xì)電化學(xué)加工原理圖Fig.1 Mechanism sketch of critical reaction gap μ-ECM

在兩極施加電壓后，間隙中的電解液使兩極形成導(dǎo)電通路，陰極表面開始有氣泡(H)產(chǎn)生，工件鎢絲表面開始發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極的去除加工。陰陽(yáng)兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)方程式為

陽(yáng)極反應(yīng)：

(1)

陰極反應(yīng)：

6HO+6e→3H↑+6OH

(2)

總反應(yīng)：

(3)

由反應(yīng)方程式可知，加工過(guò)程中所產(chǎn)生的氧化物會(huì)溶解于堿性溶液中形成鎢酸根離子，不會(huì)形成沉淀，從而保證微小間隙內(nèi)反應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。利用堿性溶液進(jìn)行鎢電極電化學(xué)加工處于持續(xù)溶解狀態(tài)，但是不同的加工間隙，會(huì)使得材料的蝕除速度存在差異。在臨界反應(yīng)距離前后蝕除速度會(huì)存在明顯差異，因此控制兩極間隙便可以實(shí)現(xiàn)電極材料的可控蝕除，實(shí)現(xiàn)高效加工。

通過(guò)上述對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的分析，由于兩極間隙的不同，存在一個(gè)臨界反應(yīng)距離，使得電極表面不同區(qū)域所達(dá)到的電流密度存在顯著差異。根據(jù)歐姆定律，電流密度為

(4)

式中：為陰、陽(yáng)極之間的電壓；δ為陰陽(yáng)極間極化電極電位總和；為電解液電導(dǎo)率；為電解加工間隙。

根據(jù)式(4)可得，電流密度與施加電壓和電解液電導(dǎo)率成正比，與加工間隙成反比。故電流密度隨著加工間隙的增大會(huì)隨之減小，但是能使電極材料發(fā)生溶解的電流密度存在一個(gè)臨界極限。當(dāng)電流密度大于該臨界值時(shí)，電極材料被蝕除，會(huì)有明顯的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，當(dāng)電流密度小于該臨界值時(shí)，電極材料蝕除速度十分緩慢，電化學(xué)反應(yīng)非常微弱。因此，在給定的電壓和電解液濃度下，加工間隙存在一個(gè)臨界極限值，使反應(yīng)強(qiáng)弱存在明顯差別。當(dāng)加工間隙遠(yuǎn)大于臨界值時(shí)，如圖1(c)中位置Ⅰ所示，電極進(jìn)入弱反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)十分微弱；隨著電極向陰極進(jìn)給，當(dāng)加工間隙等于臨界值時(shí)，如圖1(c)中位置Ⅱ所示，弱反應(yīng)發(fā)生；當(dāng)加工間隙小于臨界值時(shí)，如圖1(c)中位置Ⅲ所示，電極進(jìn)入強(qiáng)反應(yīng)區(qū)，會(huì)有明顯的反應(yīng)發(fā)生，電極材料快速被蝕除，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，電極材料溶解，加工間隙逐漸增大，增大到臨界值時(shí)，反應(yīng)就會(huì)變得十分緩慢；如圖1(b)的電極所示。此時(shí)，電極軸向去除距離可表示為

(5)

加工后電極直徑可表示為

=-2=-2(-)

(6)

式中：為電極初始直徑；為電極徑向去除量。

由式(5)和式(6)可以看出，臨界反應(yīng)距離確定后，通過(guò)調(diào)整加工間隙，就可以控制電極的徑向去除距離，軸向去除距離以及電極直徑，故利用該臨界值附近的強(qiáng)、弱反應(yīng)區(qū)變換，即可實(shí)現(xiàn)確定加工位置的材料蝕除，實(shí)現(xiàn)微細(xì)電極的快速制備。

2 基于電流密度的臨界反應(yīng)距離仿真

2.1 仿真模型以及邊界條件

對(duì)不同加工間隙內(nèi)電流密度大小進(jìn)行了仿真，分析加工間隙對(duì)材料去除的影響。因本文中電極制備利用的是微秒級(jí)的脈沖電源，利用電極過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)加工的，故只考慮電場(chǎng)作用，選擇一次電流密度分布進(jìn)行仿真。

為了方便分析，采用二維數(shù)學(xué)模型，如圖2所示，1為陽(yáng)極工作邊界，2～4為陰極工作邊界，其余為自由邊界。各邊界組成了陽(yáng)極和陰極之間的封閉區(qū)域M，模型中陽(yáng)極直徑為300 μm，陰極厚度為30 μm。綜合考慮電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中溶液反應(yīng)離子濃度變化，極間氣泡等諸多影響因素，電解液電導(dǎo)率為1.81 S/m，加工電壓為6 V。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

2.2 不同加工間隙的電流密度仿真

電化學(xué)加工中，工件陽(yáng)極和工具陰極均為金屬導(dǎo)體，其上電位分布可看作不同電位的等位面，故邊界條件為工件陽(yáng)極=，工具陰極=0，其中：為電場(chǎng)中各點(diǎn)電位；下標(biāo)a代表陽(yáng)極；c代表陰極；為陽(yáng)極表面的電位值。其他邊界條件(圖2中邊界5～10)為

式中：為固定邊界的法向方向。將初始邊界條件定義后，通過(guò)調(diào)節(jié)兩極加工間隙，得到不同加工間隙下的仿真圖，如圖3所示?？梢钥闯鲭S著加工間隙的增大，電流密度是逐漸減小的，故存在一個(gè)加工間隙所對(duì)應(yīng)的電流密度，滿足反應(yīng)發(fā)生所需的電流密度。

根據(jù)上述模型和假設(shè)，得到了不同加工間隙下的電流密度規(guī)律，如圖4所示?？梢钥闯觯娏髅芏入S著加工間隙的增大是逐漸減小的，與理論分析相符。根據(jù)曲線斜率可以看出，當(dāng)加工間隙在0～300 μm范圍內(nèi)，曲線比較陡峭，加工間隙變化時(shí)，電流密度變化明顯；當(dāng)加工間隙在300～1 000 μm范圍內(nèi)，曲線比較平緩，加工間隙變化時(shí)，電流密度變化不大。故將加工間隙在0～300 μm范圍內(nèi)定為強(qiáng)反應(yīng)區(qū)，將加工間隙在300～1 000 μm范圍內(nèi)定為弱反應(yīng)區(qū)。臨界反應(yīng)位置為加工開始或反應(yīng)結(jié)束的位置，故其應(yīng)該存在于弱反應(yīng)區(qū)內(nèi)。為了進(jìn)一步縮小臨界位置范圍，提高加工精度，將弱反應(yīng)區(qū)進(jìn)一步放大，可以看出，不同加工間隙區(qū)域內(nèi)所對(duì)應(yīng)的曲線斜率不同，圖4中曲線不同區(qū)域的切線斜率、、分別為4×10、1×10、8×10，由切線斜率變化可以看出，最大，對(duì)應(yīng)的曲線比較陡峭，最小，對(duì)應(yīng)的曲線近乎水平，故將加工間隙在550～750 μm之間作為臨界反應(yīng)位置是比較合適的。

圖3 不同加工間隙的電流密度仿真Fig.3 Simulation diagram of current density with different machining gaps

圖4 不同加工間隙的電流密度曲線Fig.4 Current density curve of different machining gaps

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 臨界位置的確定

根據(jù)上述仿真模擬結(jié)果，取不同加工間隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，兩極間電壓為6 V，電解液為濃度0.5 mol/L的NaOH溶液，電源周期500 μs，脈寬 250 μs，陰極厚度為30 μm，電極初始直徑為300 μm，旋轉(zhuǎn)速度為500 r/min。加工過(guò)程中，用示波器測(cè)量?jī)蓸O間電壓變化。

在不同間隙下加工5 min的電極圖片和對(duì)應(yīng)的電壓波形如圖5所示。從圖中可以看出，加工間隙越小，材料去除量越大，在間隙為200 μm和400 μm時(shí)，能看出明顯的加工區(qū)域，如圖5(a)和圖5(b)所示。當(dāng)間隙為600 μm和800 μm時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯加工區(qū)域。但由于反應(yīng)中的弱腐蝕作用，在5 min時(shí)電極被均勻蝕除30 μm左右，表明間隙600 μm之后均處于均勻蝕除狀態(tài)，如圖5(c)和圖5(d)所示。而對(duì)于550～600 μm之間的距離，也有作為臨界反應(yīng)距離的可能性。對(duì)微細(xì)加工而言，較大的加工間隙有利于微細(xì)加工穩(wěn)定性和可操作性。因此，基于可用性原則，選擇600 μm作為臨界反應(yīng)距離。

圖5 不同加工間隙的電極和電壓波形Fig.5 Electrode and voltage waveform of different machining gaps

由于電解液等效電阻對(duì)極間電阻的影響較大。故兩極間隙減小時(shí)，兩極間的電解液等效電阻會(huì)隨之減小，極間電壓分壓也會(huì)隨之減小。因此，從加工波形上也能看出，當(dāng)間隙較小時(shí)，極間電壓值較?。浑S著間隙增大，電壓逐漸接近開路電壓6 V。從圖5(c)和圖5(d)的間隙波形也可以看出，臨界反應(yīng)距離選擇600 μm是適合的。

3.2 加工蝕除過(guò)程數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖4電流密度的仿真結(jié)果得到了不同加工間隙下的電流密度值，由電解的法拉第定律可以推導(dǎo)出電化學(xué)溶解速率公式：

(7)

式中：=9.53 cm/mol為陽(yáng)極材料的摩爾體積，=6為電化學(xué)溶解過(guò)程中交換電子數(shù)；為法拉第常數(shù)，其值為96 485.332 89 C/mol。故可以得到溶解速度與反映區(qū)域內(nèi)不同間隙下電流密度的關(guān)系式為

=165×10

(8)

因選取的臨界反應(yīng)距離為600 μm，陽(yáng)極待加工微細(xì)電極初始直徑為300 μm，去除加工的位置關(guān)系如圖6所示?？芍獜拇庸る姌O前

圖6 去除加工的位置關(guān)系Fig.6 Position relationship of removal process

沿(距陰極450 μm)到臨界反應(yīng)距離(距陰極600 μm)范圍內(nèi)的溶解去除規(guī)律是電極制備的重點(diǎn)問(wèn)題。

故對(duì)加工間隙=450～600 μm范圍內(nèi)的溶解速度規(guī)律進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如圖7所示，得到加工間隙與溶解速率的擬合公式為

(9)

圖7 擬合曲線Fig.7 Fitting curve

實(shí)驗(yàn)中從加工過(guò)程來(lái)看，間隙從450 μm加工到600 μm共用時(shí)400 s，取開始加工時(shí)刻為=0，此時(shí)對(duì)應(yīng)間隙450 μm；取=400 s時(shí)，對(duì)應(yīng)間隙值600 μm。可得到不同時(shí)刻的溶解速率規(guī)律為

()=7238 2×10-0001 1+0556 7

(10)

對(duì)不同時(shí)刻的溶解速率積分，得到加工去除量規(guī)律：

0000 55+0556 7

(11)

式(11)表示了不同時(shí)間下的加工去除量規(guī)律，圖8所示為加工時(shí)間400 s以內(nèi)的徑向去除量。

從圖8可以看出，加工時(shí)間范圍在0～120 s左右時(shí)，加工速度較快；隨著加工的進(jìn)行，在120～300 s范圍內(nèi)，加工速度有所降低；當(dāng)加工時(shí)間在300～400 s范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)加工間隙接近于臨界反應(yīng)距離，加工速度更加緩慢。圖8中虛線為各階段變化趨勢(shì)，可見曲線斜率逐漸變小。

圖8 不同時(shí)間下的徑向去除量Fig.8 Radial removal at different time

為了驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，分別取設(shè)計(jì)直徑為150 μm和100 μm的微細(xì)電極進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)圖8所示去除量規(guī)律，當(dāng)電極初始直徑為300 μm時(shí)，去除量應(yīng)分別為75 μm和100 μm，加工時(shí)間應(yīng)分別為158 s和225 s。

實(shí)驗(yàn)中取電壓6 V，濃度0.5 mol/L，周期500 μs，脈寬250 μs進(jìn)行加工，臨界反應(yīng)距離為600 μm。被加工電極從臨界反應(yīng)距離分別向陰極進(jìn)給75 μm和100 μm，加工后得到的電極如圖9所示，電極尺寸如表1所示，其實(shí)際徑向去除量分別為73.3 μm和97.9 μm，誤差控制在5 μm以下，驗(yàn)證了上述模型的正確性。

圖9 加工后的電極Fig.9 Electrode after processing

表1 電極尺寸Table 1 Electrode size

3.3 工藝參數(shù)的影響

在本節(jié)中，研究了微細(xì)電化學(xué)加工中的工藝參數(shù)，如加工電壓、脈沖寬度、溶液濃度對(duì)電極加工的影響，加工參數(shù)如表2所示，在這里，單位時(shí)間內(nèi)去除的體積被定義為材料去除率。

表2 加工參數(shù)Table 2 Machining parameter

如圖10所示，在電解液濃度(0.5 mol/L)、脈沖周期(500 μs)和加工間隙(200 μm)不變時(shí)，在相同電壓下，隨著脈沖寬度的增大，材料去除率會(huì)隨之增大，直流加工時(shí)去除率達(dá)到最大，在脈寬從100 μs增大到500 μs時(shí)，其材料去除率的變化量最大為8.3×10mm/min；在相同脈寬下，加工電壓對(duì)材料去除率的影響與脈沖寬度相似，材料去除率隨著加工電壓的增大而增大，在電壓從3 V增大到12 V時(shí)，其材料去除率的變化量最大為1.28×10mm/min，可以看出電壓對(duì)材料去除率的影響更大，可以通過(guò)調(diào)整電壓去獲得更大的材料去除率。

圖10 工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響Fig.10 Effect of process parameters on material removal rate

加工過(guò)程中，溶液中OH離子的多少直接影響反應(yīng)速度的快慢，因此電解液濃度的高低對(duì)材料去除率有顯著的影響。如圖11所示，在電壓6 V、周期500 μs、脈寬200 μs、加工間隙200 μm條件下，隨著濃度的增大，材料去除率明顯增大，同時(shí)加工電極直徑的誤差也隨之增大，故為了保證加工精度，盡量選擇低濃度進(jìn)行加工。因此，在實(shí)驗(yàn)中要根據(jù)實(shí)際加工要求選擇加工電壓，脈沖寬度和電解液濃度，以獲得穩(wěn)定的加工效果。

圖11 濃度對(duì)材料去除率的影響Fig.11 Effect of concentration on material removal rate

3.4 微電極加工

在微細(xì)電極加工實(shí)驗(yàn)中，為了獲得更高的加工效率，可通過(guò)調(diào)節(jié)陰極厚度為3 mm使得電極全長(zhǎng)參與加工，如圖12所示，將直徑300 μm的電極加工到50 μm左右，實(shí)際加工電極直徑為45.9 μm，加工時(shí)間為5 min，材料去除率高達(dá)0.027 mm/min，但是隨著電極直徑減小，電極的剛度隨之減小，旋轉(zhuǎn)的離心力會(huì)使得電極底部發(fā)生撓曲斷裂，所以該方法很難穩(wěn)定加工出直徑小于50 μm的電極。

圖12 加工后微細(xì)電極Fig.12 Micro electrode after processing

為了獲得直徑更小的電極，先將電極全長(zhǎng)參與加工，進(jìn)行大體積去除至直徑50 μm，再用厚度為30 μm的陰極進(jìn)行精加工。相同加工參數(shù)下，將加工間隙定為455 μm，并在軸向上進(jìn)行向上提拉，理論得到直徑10 μm的電極，加工時(shí)間20 min，實(shí)際加工電極如圖13所示，該電極平均直徑為10 μm且較為均勻，長(zhǎng)徑比可達(dá)200∶1。

圖13 加工的直徑為10 μm的電極Fig.13 Fabricated electrode with diameter of 10 μm

從電極加工效率方面看，將直徑300 μm的電極加工到50 μm，單獨(dú)用厚度為3 mm的陰極進(jìn)行加工時(shí)，電極全長(zhǎng)參與加工，加工時(shí)間為5 min，其材料去除率可達(dá)2.7×10mm/min；單獨(dú)用厚度為30 μm的陰極進(jìn)行加工時(shí)，加工時(shí)間為110 min，材料去除率為1.2×10mm/min，加工效率太低。

故將上述兩種方法組合，先用3 mm陰極進(jìn)行粗加工，再用30 μm陰極進(jìn)行精加工，在保證精度的同時(shí)，該方法材料去除率可達(dá)0.007 mm/min，與超短脈沖電化學(xué)加工、高頻窄脈沖電化學(xué)加工、傳統(tǒng)微細(xì)電火花加工等工藝相比，加工效率提高了10倍以上，如圖14所示。

圖14 加工電極材料去除率對(duì)比Fig.14 Comparison of removal rate of processed electrode material

4 結(jié) 論

1) 提出一種基于臨界反應(yīng)距離控制的微細(xì)電極在線高效制備方法。該工藝方法在強(qiáng)堿性電解液及微秒級(jí)脈沖電源條件下，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)工具電極的微米級(jí)去除加工，減小了微細(xì)電極制備對(duì)設(shè)備精度的依賴性。

2) 基于間隙電流密度仿真結(jié)果，建立了材料蝕除過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模型較好地指導(dǎo)工藝實(shí)驗(yàn)，去除精度在5 μm以內(nèi)。

3) 通過(guò)該方法成功制備出直徑10 μm，長(zhǎng)徑比大于200的微細(xì)圓柱電極，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)電極的快速制備，相對(duì)于傳統(tǒng)微細(xì)電極制備方法，加工效率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。