胡作寰，張高飛，雷建國，徐 斌

（ 1. 清華大學(xué)精密儀器系，北京 100084；2. 深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060 ）

表面微溝槽結(jié)構(gòu)可有效地實(shí)現(xiàn)減阻降摩[1-3]、增強(qiáng)散熱[4-5]、降低噪聲[6]和表面自清潔[7]等作用，已被廣泛地應(yīng)用于國防軍工、電池反應(yīng)堆、集成電路等領(lǐng)域。 在實(shí)際應(yīng)用中，如何高效經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)表面微溝槽結(jié)構(gòu)的加工已成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)之一。 電火花加工和電解加工是獲得表面微溝槽結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)。

陳輝等[8]采用微柱狀電極在不銹鋼上進(jìn)行電解銑削加工制備微溝槽結(jié)構(gòu)，詳細(xì)研究了電場(chǎng)、流場(chǎng)及脈沖寬度等對(duì)加工質(zhì)量的影響。 劉桂賢等[9]詳細(xì)研究了圓盤電極尺寸、旋轉(zhuǎn)速度、加工間隙和進(jìn)給量對(duì)陣列環(huán)形微溝槽結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。 曾永彬等[10]詳細(xì)研究了微細(xì)電解線切割關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)微溝槽結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律從而獲得了合理的技術(shù)參數(shù)范圍。曲寧松等[11]對(duì)多線電極施以軸向振動(dòng)，并通過該工藝微細(xì)電解線切割出微溝槽結(jié)構(gòu)。 王振龍等[12]根據(jù)微細(xì)電解加工的特點(diǎn)研發(fā)了專用超短脈沖電源，并且利用微細(xì)電解銑削加工技術(shù)在不銹鋼材料上加工出了微螺旋溝槽結(jié)構(gòu)。

基于電火花線切割加工工藝，王玉魁等[13]在旋轉(zhuǎn)工件表面制備出軸向誤差和徑向誤差分別小于1.4 μm 和2.3 μm 的環(huán)形微溝槽。 Park 等[14]采用電火花線切割加工工藝在304 不銹鋼表面加工出透鏡狀微溝槽陣列結(jié)構(gòu)，并通過電解拋光工藝提高其表面質(zhì)量。 張龍等[15]通過微細(xì)扁平電極的電火花加工成功制備出具有微小內(nèi)棱角的溝槽結(jié)構(gòu)。 伍曉宇等[16]通過非晶圓盤電極的旋轉(zhuǎn)電火花加工在不銹鋼表面成功制備出微溝槽結(jié)構(gòu)。

本文提出了Cu-Sn 復(fù)合材料微電極的制備工藝，并將其應(yīng)用于表面微溝槽結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花加工。Cu-Sn 復(fù)合材料微電極由Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔三類材料構(gòu)成。將復(fù)合材料微電極用于微細(xì)電火花加工，由于微電極中不同區(qū)域的電火花損耗不同，從而可在工件表面獲得具有復(fù)雜斷面輪廓的微溝槽。

1 復(fù)合材料微電極的制備工藝

復(fù)合材料微電極的制備工藝及表面微溝槽結(jié)構(gòu)的加工流程按順序如圖1 所示。

圖1 疊層復(fù)合材料電極的制備及電火花加工工藝流程

（1）第一步：復(fù)合材料微電極的初步制備。 根據(jù)表面微結(jié)構(gòu)的形狀特征，選用不同厚度的箔電極進(jìn)行疊層組合，并通過專用夾具將其夾緊。 采用電火花線切割工藝按照給定的路徑對(duì)其進(jìn)行加工，從而獲得初步疊層的復(fù)合材料微電極（圖1a、圖1b）。

（2）第二步：復(fù)合材料微電極的干式電火花線切割加工。 初步疊層的復(fù)合材料微電極各箔層之間還沒有形成牢固的連接，需要對(duì)其側(cè)面進(jìn)行干式電火花線切割加工。 與常規(guī)電火花線切割相比，干式電火花線切割加工不施加任何工作液。 在干式電火花線切割產(chǎn)生的高溫作用下，初步疊層的復(fù)合材料微電極側(cè)壁表層材料發(fā)生熔化（圖1c）。通過多輪干式電火花線切割的修整，初步疊層的復(fù)合材料微電極側(cè)壁形成一層致密的重熔連接層，從而獲得具有牢固連接的疊層復(fù)合材料微電極（圖1d）。

（3）第三步：復(fù)合材料微電極的電火花磨削成形。 將疊層復(fù)合材料微電極用于微細(xì)電火花加工，則會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：Cu 箔電極損耗較小，CuSn 合金箔電極損耗較大，Sn 箔電極損耗最大。因此，可利用工具電極不同區(qū)域電火花加工損耗的不同，在工件表面加工出微溝槽結(jié)構(gòu)。 在微溝槽的電火花加工初期，其截面形狀不穩(wěn)定。 隨著電火花加工的進(jìn)行，工具電極中Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極的相對(duì)損耗逐漸趨于穩(wěn)定，因此工件表面微溝槽的截面形狀也逐漸趨于穩(wěn)定。 此外，為了保證微溝槽結(jié)構(gòu)的一致性，需將疊層復(fù)合材料微電極進(jìn)行多輪次電火花磨削成形，從而獲得具有穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料微電極（圖1e）。

（4）第四步：表面微溝槽結(jié)構(gòu)的正式電火花加工。 經(jīng)步驟3 多輪次地進(jìn)行電火花磨削成形，復(fù)合材料微電極表面獲得了穩(wěn)定的微溝槽結(jié)構(gòu)，再正式用于表面微溝槽電火花加工（圖1f）。 在電火花加工過程中，復(fù)合材料微電極各區(qū)域的電火花加工損耗差異保持平衡，因此復(fù)合材料微電極表面的微結(jié)構(gòu)輪廓也保持穩(wěn)定。 上述加工特性能有效地保證工件表面微溝槽結(jié)構(gòu)的一致性。 成形后的復(fù)合材料微電極不需要修形，就可反復(fù)用于相同材料、相同深度表面微結(jié)構(gòu)的多次電火花加工，并且工件表面獲得的微溝槽結(jié)構(gòu)具有良好的一致性（圖1g）。

2 復(fù)合材料微電極損耗的數(shù)學(xué)模型

Cu-Sn 復(fù)合材料微電極由Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔三類材料構(gòu)成， 利用了復(fù)合材料微電極不同區(qū)域電火花損耗率不同的特點(diǎn)，可在工件上獲得微溝槽結(jié)構(gòu)。 根據(jù)前文所述工藝方法，可通過調(diào)節(jié)Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔在疊層復(fù)合材料微電極中的占比，來調(diào)節(jié)微電極不同區(qū)域的損耗率，從而獲得不同截面輪廓的微溝槽結(jié)構(gòu)。

為更好地理解Cu-Sn 復(fù)合材料微電極的電火花磨削成形機(jī)理，本文建立了必要的數(shù)學(xué)模型。 如圖2 所示，以電極高度方向的頂端（O 點(diǎn)）為基準(zhǔn)，測(cè)量電極的高度損耗，其中Cux1Sny1和Cux2Sny2分別代表不同配比的銅元素和錫元素組成的銅錫合金。 按照微溝槽斷面形狀輪廓的要求，調(diào)節(jié)電火花磨削成形前復(fù)合材料微電極中的Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極構(gòu)成， 使各區(qū)域的初始高度尺寸相同，即電極工作面平齊（圖2a），經(jīng)過第i 輪電火花磨削成形后獲得工作面具有微溝槽的復(fù)合材料微電極（圖2b）。

圖2 疊層復(fù)合材料微電極電火花磨削成形的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)在電火花加工過程中單個(gè)箔電極在厚度方向（X 方向）上均勻損耗且不考慮放電加工間隙，根據(jù)箔電極在高度方向（Y 方向）上的損耗及工件微溝槽的加工深度，箔電極去除的工件體積Vw為：

式中：w 為工件微溝槽寬度；d 為工件微溝槽深度；l為工件微溝槽長(zhǎng)度。

箔電極損耗的體積Vt為：

式中：t 為箔電極的厚度；△H 為箔電極在高度方向上的損耗量。

由于不考慮放電加工間隙，即w=t，此處箔電極相對(duì)體積損耗率T 定義為：

假設(shè)Hi，j為第i 輪磨削成形后、第j 片箔電極的高度， 則第i 輪磨削成形后得到的最長(zhǎng)箔電極高度Hi，max為：

式中：n 為箔電極總數(shù)。每輪次磨削成形的預(yù)設(shè)加工深度D（即疊層復(fù)合材料微電極整體加工進(jìn)給深度）保持不變，而Hi，max對(duì)應(yīng)電極區(qū)域在高度方向上的損耗最小。

第i+1 輪磨削成形過程、 第j 片箔電極的加工進(jìn)給深度Di+1，j為：

以式（1）～式（5）為基礎(chǔ)，當(dāng)經(jīng)過第i+1 輪磨削成形后，在考慮電火花加工損耗的前提下，疊層復(fù)合材料微電極內(nèi)第j 片電極的實(shí)際加工深度di+1，j為：

式中：△Hi+1,j為第i+1 輪磨削成形后、 第j 片箔電極在高度方向上的損耗量。

通過式（3）可推出第i+1 輪，第j 片箔電極在高度方向上的損耗量△Hi+1，j為：

式中：Ti+1，j為第i+1 輪磨削成形后、第j 片箔電極相對(duì)體積損耗率。

將式（6）帶入式（7），可以推導(dǎo)出：

由式（8）可知，復(fù)合材料微電極不同區(qū)域的電火花損耗量不一致，從而利用這一特性在復(fù)合材料微電極表面磨削成形微溝槽結(jié)構(gòu)。 電火花加工過程中， 復(fù)合材料微電極中不同區(qū)域具有不同的損耗。在相同的預(yù)設(shè)加工深度D 情況下，在同一工件表面不同位置經(jīng)過多輪次電火花加工后，復(fù)合材料微電極工作表面將磨削成形出穩(wěn)定的微溝槽結(jié)構(gòu)。 電極工作面微結(jié)構(gòu)截面形狀尺寸最終穩(wěn)定后，將其用于正式電火花加工，從而通過反拷貝法在工件表面加工出合格的微溝槽結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 單片箔電極與疊層箔電極的損耗對(duì)比

將復(fù)合材料微電極應(yīng)用于微細(xì)電火花加工，可在工件上加工出表面微溝槽結(jié)構(gòu)。 在微溝槽電火花加工過程中，隨著加工深度逐漸增加，加工碎屑愈來愈難以排出。 在此工況下，復(fù)合材料微電極電火花加工損耗可能增大。 為研究加工深度對(duì)單片薄片微電極和復(fù)合材料微電極電火花加工損耗的影響，以及單片薄片微電極和復(fù)合材料微電極之間在對(duì)應(yīng)箔電極電火花加工過程中的損耗差異，本文采用單片厚度0.1 mm 的Cu 箔電極、 厚度0.1 mm 的CuSn 合金箔電極、厚度0.3 mm 的Sn 箔電極以及由上述材料組成的Cu/CuSn/Sn/CuSn/Cu 疊層復(fù)合材料微電極在鈦合金表面進(jìn)行微溝槽的電火花加工實(shí)驗(yàn)。 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在相同實(shí)驗(yàn)條件下， 單片Cu 箔電極、 單片CuSn 箔電極、 單片Sn 箔電極與復(fù)合材料微電極中對(duì)應(yīng)電極在電火花加工特性方面存在差異。 圖3 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工件加工深度增加，電極的體積損耗逐漸增加；不同材質(zhì)的微電極所體現(xiàn)的電火花加工特性不一致。 單片Cu 箔電極和復(fù)合材料微電極中的Cu 箔電極體積損耗及去除的工件體積一致，表現(xiàn)為4 條曲線兩兩重合（圖3a）；單片CuSn合金箔電極的損耗大于復(fù)合材料微電極中CuSn 合金箔電極的損耗， 但二者去除的工件體積基本相同，表現(xiàn)為2 條曲線基本重合（圖3b）；單片Sn 箔電極與復(fù)合材料微電極中Sn 箔電極的體積損耗及去除的工件體積幾乎一致，表現(xiàn)為4 條曲線兩兩基本重合（圖3c）。

圖3 電極損耗、工件去除量與加工深度的關(guān)系

分析認(rèn)為：對(duì)于單個(gè)薄片電極而言，在相同加工條件下，Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔電極在電火花加工過程中的損耗依次增大。 當(dāng)上述材料組成疊層復(fù)合材料微電極加工時(shí)， 由于與Cu 箔電極相鄰的其他電極區(qū)域損耗較大， 隨著電火花加工進(jìn)行，Cu 箔電極相鄰的區(qū)域被逐漸損耗，從而使Cu 箔電極兩側(cè)無其他箔電極材料。 此時(shí)，疊層復(fù)合材料微電極中Cu 箔電極加工效果與單片Cu 箔電極類似，從而導(dǎo)致如圖3a 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 Sn 箔電極的電阻率高且熔點(diǎn)低，因此在電火花加工過程中的損耗巨大， 即使疊層復(fù)合材料微電極中的Sn 箔電極受到相鄰兩側(cè)損耗率較小的箔電極保護(hù)，其總體抗損耗效果不明顯。 受上述因素影響，疊層復(fù)合材料微電極中Sn 箔電極損耗幾乎等同于單片Sn 箔電極電火花加工時(shí)的損耗（圖3c）。

單片CuSn 合金箔電極的電火花加工損耗與疊層復(fù)合材料微電極中CuSn 合金箔電極的情況相差明顯（圖3b），這是由于單片CuSn 合金箔電極在電火花加工過程中， 在電極厚度方向上接近均勻損耗。 如圖4 所示，在Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔組成的疊層復(fù)合材料微電極電火花磨削成形過程中，CuSn 合金箔電極與Cu 箔電極相鄰的一側(cè)受到保護(hù)作用，損耗明顯較??；與Sn 箔電極相鄰的另一側(cè)，沒有受到保護(hù)，其損耗相對(duì)較大，因此CuSn 合金箔電極在厚度方向上表現(xiàn)為梯度損耗，其橫截面如圖4b 所示的#1、#2 區(qū)域。

圖4 Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔組成的復(fù)合材料微電極電火花磨削成形示意

3.2 電火花磨削成形的形貌演變

在電火花加工過程中，疊層復(fù)合材料微電極的不同區(qū)域有不同損耗率。 因此，在相同的預(yù)設(shè)加工深度D 條件下，同一工件表面的不同位置經(jīng)過多輪次電火花加工后，即可在疊層復(fù)合材料微電極的工作表面磨削成形穩(wěn)定的微溝槽結(jié)構(gòu)。 從微溝槽開始產(chǎn)生到趨于穩(wěn)定的過程中，疊層復(fù)合材料微電極中Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極的相對(duì)損耗逐漸趨于穩(wěn)定。 在上述工藝過程中，Cu 箔電極的實(shí)際加工深度基本不變， 但CuSn 合金箔電極和Sn箔電極的實(shí)際加工深度隨著磨削成形輪次的增加而逐漸減小。 然而，在復(fù)合材料微電極的電火花磨削成形過程中，加工深度和電極形狀對(duì)放電加工碎屑排出產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響復(fù)合材料微電極的相對(duì)體積損耗率。

為研究Cu/CuSn/Sn/CuSn/Cu 疊層復(fù)合材料微電極電火花磨削成形情況，本文選擇厚度為0.1 mm的Cu 箔、 厚度為0.1 mm 的CuSn 合金箔和厚度為0.3 mm 的Sn 箔作為原材料來疊層構(gòu)建復(fù)合材料微電極，以此開展電火花磨削成形實(shí)驗(yàn)，在同一工件表面不同位置進(jìn)行多輪次電火花加工，每輪次預(yù)設(shè)的加工深度為300 μm，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如前文表1 所列。圖5a 是復(fù)合材料微電極經(jīng)過1 輪至6 輪電火花磨削成形后對(duì)應(yīng)的工件微溝槽結(jié)構(gòu)。 圖5b 和5c 分別為磨削成形前的復(fù)合材料微電極和經(jīng)過6 輪次電火花磨削成形后的復(fù)合材料微電極。 基于前文分析， 由于CuSn 合金微電極受到相鄰Cu 箔電極保護(hù)，其工作面在厚度方向上表現(xiàn)為梯度損耗，距離Cu 箔電極越近，保護(hù)作用越強(qiáng)、電極損耗越??；距離Cu 箔電極越遠(yuǎn)，保護(hù)作用越弱、電極損耗越大，因此電極損耗率較小的Cu 箔電極對(duì)CuSn 合金箔電極的抗損耗保護(hù)能力由近及遠(yuǎn)逐漸減小， 使CuSn 合金箔電極的工作面在厚度方向上形成斜面（圖5d）。反過來，電極損耗率較大的箔電極也對(duì)相鄰損耗率較小的箔電極起到貼身的抗失穩(wěn)保護(hù)作用，如在加工損耗過程中，CuSn 合金箔電極對(duì)Cu 箔電極、Sn箔電極對(duì)CuSn 合金箔電極都起到了明顯的支撐、抗失穩(wěn)的保護(hù)作用。

圖5 電火花磨削成形前后的復(fù)合材料微電極及磨削加工的微溝槽結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖5d，CuSn 合金箔工作面在厚度方向損耗后形成截面輪廓斜線AD，與水平方向（X 方向）的夾角為α， 電極工作面損耗部分近似于梯形ABCD，那么CuSn 合金箔損耗的體積V 為：

式中：l 和t 分別為CuSn 合金箔的寬度和厚度。

由于CuSn 合金箔電極沿著厚度方向上的損耗不一致（圖5d），為簡(jiǎn)便計(jì)算，采用平均損耗值來表示該損耗，并將其記為ΔH。 再分別取梯形邊線AD和邊線BC 的中點(diǎn)，并將其標(biāo)記為F 和H，則：

則式（9）可寫為：

則電極對(duì)應(yīng)的加工深度為：

式中：D＇為CuSn 合金箔電極在工件表面上的加工深度。

表2 是Cu/CuSn/Sn/CuSn/Cu 疊層復(fù)合材料微電極在預(yù)設(shè)加工深度為300 μm 和采取相同工藝參數(shù)的條件下，從第1 輪到第6 輪電火花磨削成形過程中Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極在高度方向上的損耗（ΔHi，j/μm）及其對(duì)應(yīng)的實(shí)際加工深度（di，j/μm）。 表格所列數(shù)據(jù)是對(duì)ΔHi，j和di，j進(jìn)行多次測(cè)量后取平均值的結(jié)果。

表2 各箔電極損耗量ΔHi，j 及其實(shí)際加工深度di，j 單位：μm

從表2 可見， 隨著電火花磨削成形輪次的增加，CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極在高度方向上的損耗越來越接近Cu 箔電極在高度方向上的損耗。在第4 輪磨削成形后，Cu 箔電極和Sn 箔電極的損耗差小于2 μm； 在第5 輪磨削成形后，Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn 箔電極的損耗差小于2 μm。各箔電極在高度方向上的損耗差小于2 μm， 則視為各箔電極之間的相對(duì)損耗達(dá)到平衡，即復(fù)合材料電極工作面微溝槽的斷面輪廓形狀已穩(wěn)定。 這種情況下，獲得的復(fù)合材料微電極就可以在相同工件材料、相同工藝參數(shù)、相同預(yù)設(shè)加工深度條件下用于正式的電火花加工，從而可以在工件表面加工出一致性良好的微溝槽結(jié)構(gòu)。 復(fù)合材料微電極可以反復(fù)使用，并且使用期間無需修形，直到電極損耗至無法裝夾為止。

4 表面微結(jié)構(gòu)的加工驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的工藝的可行性，本文制備了疊層復(fù)合材料微電極并將其用于表面微溝槽結(jié)構(gòu)的正式電火花加工。驗(yàn)證時(shí)，采用厚度為0.1 mm 的Cu箔電極、厚度為0.1 mm 的均質(zhì)CuSn 合金箔電極和厚度為0.3 mm 的Sn 箔電極，組成了長(zhǎng)度為50 mm的Cu/CuSn/Sn/CuSn/Cu 疊層復(fù)合材料微電極；工件材料為Ti-6Al-4V； 將疊層復(fù)合材料微電極接高頻脈沖電源的正極、工件接負(fù)極；設(shè)置的主要工藝參數(shù)如前文表1 所列。

使用疊層復(fù)合材料微電極在鈦合金表面進(jìn)行5輪次電火花磨削成形，從而在復(fù)合材料微電極工作面獲得穩(wěn)定的微溝槽結(jié)構(gòu)。 圖6a 和6b 分別為疊層復(fù)合材料微電極磨削成形前、后的三維形貌。 將獲得的疊層復(fù)合材料微電極正式用于微細(xì)電火花加工，保持加工條件不變，得到的加工結(jié)果見圖6c。再將工件在水平面旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)上述加工過程，即可獲得圖6d 所示的表面微結(jié)構(gòu)。

圖6 復(fù)合材料微電極及正式微細(xì)電火花加工獲得的微溝槽結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

本文采用Cu 箔、CuSn 合金箔和Sn 箔制備了由其組成的疊層復(fù)合材料微電極，并利用該復(fù)合材料微電極不同區(qū)域的電火花加工損耗不同的特性，在鈦合金表面開展電火花磨削加工并獲得微溝槽陣列結(jié)構(gòu)，得出的主要結(jié)論如下：

（1）構(gòu)建了復(fù)合材料微電極電火花磨削成形的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)研究了復(fù)合材料微電極多輪次電火花磨削成形的過程。

（2）獲得了復(fù)合材料微電極電火花磨削成形的規(guī)律以及復(fù)合材料微電極工作面微溝槽從產(chǎn)生到穩(wěn)定的過程中所需的磨削成形輪次，從而為微溝槽的穩(wěn)定加工提供了理論參考。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 第5輪磨削成形后，Cu 箔電極、CuSn 合金箔電極和Sn箔電極的損耗差小于2 μm。

（3）采用厚度為0.1 mm 的Cu 箔、厚度為0.1 mm 的均質(zhì)CuSn 合金箔和厚度為0.3 mm 的Sn 箔制備疊層復(fù)合材料微電極。 在180 V 加工電壓、26 μs 脈沖寬度和11 μs 脈沖間隔的共同作用下，對(duì)復(fù)合材料微電極進(jìn)行電火花磨削成形，并將該微電極用于Ti-6Al-4V 工件的微細(xì)電火花加工。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所得Ti-6Al-4V 工件表面的微溝槽陣列結(jié)構(gòu)具有良好的加工質(zhì)量。