微细电解线切割加工的基础研究—中字牌钼丝.doc

微细电解线切割加工的基础研究,线切割铜丝 微细电解线切割加工技术是最近出现的一种微细加工新方法，它是微细电解加工技术和线切割加工思想的完美结合，因其具有低成本、高效率的特点而备受关注。微细电解线切割加工不但拥有微细电解加工的所有优点，而且还有以下特点：可实现普通微细电解加工很难加工出的高深宽比结构；加工状态可以用较简单的数学模型来描述，间隙的实时控制比普通微细电解加工更容易。 笔者采用电化学腐蚀原理进行微米尺度线电极的在线制作，使微细电解线切割的线电极制作和后续加工能在同一工艺系统中连续完成，工艺兼容性好。最后在自制的试验系统上进行了微细电解线切割加工试验。线切割铜丝1微细电解线切割加工的模型分析,钼丝 微细电解线切割加工与目前已有的电火花线切割加工有相近之处，但在本质上完全不同：电火花线切割是依靠电火花放电进行材料去除，其工具电极丝在加工过程中会损耗，因此电极丝必须有较大的直径，普遍采用直径为130300um的线电极（国外特殊配置的微细电火花线切割设备也采用至少30um以上的电极丝），其微细加工能力受到较大限制；电火花线切割加工中线电极会损耗，所以必须使线电极进行较快速的运动，这不可避免地带来一定程度的运动误差。而本文提出的方法基于电化学阳极溶解原理，原理上线电极不会损耗，可以采用微米级直径的电极丝，并且由于电极丝不需运动，可以较容易实现微细加工。钼丝 本文提到的微细电解线切割加工与使用微尺度针状电极的微细数控电解加工有本质的不同。目前能在线制备的微尺度针状电极中，直径为微米级的有效加工部分的轴向长度一般不超过几十微米，且其轴向各处也很难保证电极的直径大小一致。采用电化学腐蚀法在线制备微尺度的线电极可以获得几毫米甚至是几十毫米长且直径均匀的微尺度线电极，有望解决普通微细电解加工中难以加工出高深宽比微细槽阵列等微细结构的问题，所以研究微细电解线切割加工技术对于丰富和加强微细加工技术群具有很大意义。微细电解线切割加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，通过线电极的数控运动将工件切割加工成形的，当采用纳秒脉冲电流时，加工间隙可缩小到微米级，其加工原理如图1所示。钼丝 在整个微细电解线切割加工过程中，线电极的进给是恒速间歇性进给，即在单位时间内进给确定的位移。电化学阳极溶解过程是始终进行着的，工件材料被蚀除的位置会随着线电极所处位置的改变而改变。下面分别讨论基于纳秒脉冲电流的电化学阳极溶解过程和线电极恒速间歇进给过程。为了使加工稳定进行，进给量与蚀除量必须达到平衡，即线电极的进给应主动去适应阳极的溶解过程。钼丝1.1 电化学阳极溶解过程分析,过滤器 金属电极在电极反应过程中会发生电化学极化和浓差极化，它们都影响加工间隙大小。当采用纳秒脉宽的脉冲电源进行电解加工时，由于电流持续时间非常短，电极反应过程还未达到稳定状态就进入了脉冲间歇，浓差极化非常小。基于纳秒脉冲电流的微细电解线切割加工的间隙状态如图2所示，其中，b为端面间隙，s为侧面间隙。当电极丝直径d很小时，有过滤器 而端面间隙b与进给速度v有关： 式中，n为电流效率；w为体积电化学当量；k为电导率,k随工件材质和电解液变化而变化；UR为加工电压。 工件加工区是线电极周围很小的一部分区域，非加工区是未被蚀除的部分。加工区和非加工区双电层上的过电位随脉冲的变化所示如图3a，电极等效电路图如图3b所示。图3a中，ton为脉冲宽度；toof为脉冲间隔；Cd表示双电层电容；Rr表示电化学反应电阻；R1表示电解液电阻。过滤器 双电层的充电时间非常短，电极上过电位随时间变化，总是处于暂态过程中： 式中，旷为稳态过电位；r为电极等效电路的时间常数。 根据电路原理，电极等效电路充放电的时间常数为 式中，Req为等效电路电阻，与电解液种类、浓度和电极间的加工间隙有关；C为电极溶液界面双电层的微分电容。根据电阻定律，图2所示的工件加工区的极间间隙最小，相应的电解液电阻也最小，记为Rm，决定双电层电容充电的时间常数为1=RmC;非加工区域离工具阴极较远，电阻Rum较大，时间常数2=RumC。由于r1r2，因此造成了加工区和非加工区双电层上的过电位不同。根据电化学极化的Butler - Volmer方程，电极上双电层的过电位影响电化学反应的电流密度，即式中，io为交换电流密度；为电极反应的传递系数；n为电极反应中的电子数;F为法拉第常数；R为气体常数;M为热力学温度。由式(5)可知，由于图2所示的加工区与非加工区的过电位不同，故两个区域的电流密度大不一样。当加工区发生明显的电化学反应时，非加工区发生非常微弱的电化学反应甚至不发生反应。加工区过电位高，电流密度大，集中蚀除效果好；非加工区的电流密度小，可以减少杂散蚀除，显著增强了电解加工的定域蚀除能力。根据法拉第定律，电极界面上发生电化学反应物质的量v与通过的电量和材料的电化学当量成正比，即式中，w为体积电化学当量；I为加工电流；t为加工时间；i为加工电流密度;d为线电极直径；h为工件厚度。过滤器对于脉冲电解加工，每个脉冲周期T内的电量相同，在单位时间t内，参与电化学反应物质的量，过滤器1.2 线电极间歇性进给分析,线切割加工 在微细电解线切割加工过程中，为了配合微米级小间隙中发生不间断的金属工件电化学阳极溶解，线电极的进给运动采用恒速间歇性进给方式，即在单位时间t内进给确定的位移f。单位时间t前后间隙状态的变化如图4所示，切割的缝宽为S。,线切割加工 设线电极的进给速度为，则单位时间内的工件的蚀除体积 为了使加工稳定进行，进给量与蚀除体积必须达到平衡。合并式(7)、式(8)得出切割的缝宽为 其中，A.B均为常数，。 由式(9)可知，加工参数（脉冲周期T、脉冲宽度ton线电极进给速度、线电极直径d）、稳态过电位和双电层等效电路时间常数决定了微细电解线切割的加工效果。,线切割加工2 微细电解线切割电极的在线制作，极间线 高精度的微细电化学线切割加工需要微米级甚至亚微米级的线电极。如果直接选用铂丝作线电极将使微细电化学线切割的加工尺度向更微细的方向发展受到限制。本文选用钨丝作为工具电极，把钨丝固定在可导电的线电极夹具上，利用电化学腐蚀的方法将钨丝加工到所需精度。这样，工具线电极的制作和工件的加工能够统一在微细电解加工系统中连续完成，电极装夹后不必拆卸，可提高电解线切割加工精度。极间线利用电化学反应原理进行试验，试验装置由加工回路和测量回路组成，其原理如图5所示。待加工钨丝为阳极，不锈钢圆筒既作为电化学腐蚀的阴极，又作为NaOH溶液的容器。钨丝装在导电夹具上，并定位在不锈钢圆筒的中心线上。阳极和阴极通电后发生电化学反应，阴极不锈钢圆筒上有气泡( H2)冒出。钨丝在强碱溶液中发生电化学反应，被氧化成WO42-离子进入溶液，从而被溶解。测量回路由测量电源、钨丝及其导电夹具、电流传感器、数据采集卡和计算机组成。测量电源输出的恒定电压加在整个钨丝的两端，使溶解中的钨丝的电阻变化实时表现为测量回路中的电流变化。传感器可将毫安级的小电流线性放大成相应的电压值输出给数据采集卡，并最终由计算机实时计算出钨丝的电阻变化，进而能获得实时的钨丝直径估计值。对微细钨丝进行电化学腐蚀的关键是要有一套精密的直径检测装置，该装置能够在加工过程中不断检测钨丝直径的变化。极间线电化学反应过程中，钨丝电极的材料蚀除体积可由下式表达： 式中,Vr为钨丝电极的材料蚀除体积；Ar为蚀除材料的相对原子质量；Q为电量；z为化合价；F为法拉第常数；为材料的密度。试验中材料钨的原子量、密度、法拉第常数、化合价都是常量。由此可知，只要始终保证钨丝阳极处于圆筒阴极的中心线上，钨丝就会在整个腐蚀过程中保持直径均匀的圆柱体结构。因此，可以利用钨丝电阻的大小反映腐蚀过程中钨丝直径的变化，进而进行精确的尺寸控制。随着钨丝的腐蚀，其电阻慢慢变大，根据电阻定律，电阻变化量为：极间线 式中,R为钨丝的电阻变化量；p为钨丝的电阻率；dt为钨丝的长度；d0为钨丝在腐蚀加工t时刻的直径,do为钨丝的初始直径。 电阻变化量又可用测量回路中的电流变化来表示，即 式中,U为测量电源的恒定电压；It为测量回路中t时刻的电流；Ro为钨丝的初始电阻。 合并式(11)、式(12)得 由式(13)可知，腐蚀过程中测量回路电流的变化能准确地表征出钨丝直径的变化，并且两者成指数关系。采用此种方法，能加工出微米尺度的线电极。极间线3 微细电解线切割加工系统,线切割 通过对微细电解线切割加工中金属工件蚀除方式和线电极进给方法的分析，本文建立了基于纳秒脉冲电流的微细电解线切割加工试验系统，如图6所示。系统由电极系统、电解液、加工状态检测系统和运动伺服控制系统组成。 电极系统由工具线电极、工件阳极和纳秒脉冲电源组成。采用几十微米的钨丝作为线电极，由于电解加工没有电极损耗，所以先将钨丝直接固定在电极夹具上，再把固定钨丝的夹具装夹在自行研制的微细电解加工机床主轴Z上；工件固定于电解液槽内，而电解液槽则安装在XY二维工作台上做平面运动，当工作台运动时，线电极就相对于工件做二维的切割运动。试验中采用的纳脉冲脉冲电源的正负极分别接工件和工具线电极，它可以输出最高频率达100MHz的脉冲信号，电压幅值为士5v，最小脉宽为5ns。电解液采用酸性溶液（如HCI、H2 S04等），工件阳极在电解加工过程中的产物可以溶解在电解液中，不会生成沉淀物堵塞加工间隙而阻碍电化学反应的继续进行。另外，电解液采用循环流动方式，即用微量泵将电解液抽出，经过滤器送至主轴上，再包裹着线电极从上而下平缓地流人加工区，以避免侧面冲液造成电极丝的振动。,线切割加工过程中电流的变化直接反映加工所处的状态，加工电流的检测和由此作出的控制策略是保证电解加工精度的必要环节。本文采用测量范围为O20mA的电流传感器检测加工中的电流。电流传感器将加工电流隔离放大转换成0-Sv的电压信号，使加工回路和检测回路相隔离，放大后的电压信号经过数据采集卡NI-PCI6052E实时输入到计算机中，实现加工状态的实时检测。,线切割本文采用NI公司的PCI- 7344多功能运动控制卡作为运动控制系统和数据处理的核心，该控制卡能够实现X、y、Z三个方向加工进给的伺服控制，保证加工时0. 08umstep的进给分辨率和2um的定位精度。图7a是加工控制系统流程图，加工控制系统的核心是图7b所示的线电极进给伺服控制子系统。,线切割加工控制系统的基本工作过程如下：脉冲电源设置对刀参数后，与线电极接通；线电极通过夹具固定在主轴上，工件做XY二维运动，当工件的边缘和线电极接触时发生短路，电流会产生突变；利用短路对刀的方法确定线电极和工件的相对位置后，工件回退5um作为加工间隙，电源设置为加工参数并设置进给速度；然后，启动电解液泵，接通脉冲电源，进入进给伺服控制子系统。当加工完成后，脉冲电源和电解液泵停止，工件回退至初始位置。进给伺服控制子系统的基本过程如下：从所要切割的图形文件中读人工件所要走的轨迹数据，然后插补出工件进给所必须经过的数据点坐标，接着工件只要从某一个坐标位置顺序移向下一个目标位置就可实现微细电解线切割加工。因为微细电解线切割加工的间隙通常保持在微米级，轨迹数据的插补精度只要达到O.lum就能满足加工要求了。当实时检测的加工电流超出稳定加工的电流范围时，说明加工状态不正常，可能出现短路现象，加工系统通过操作固态继电器控制电源断开、暂停加工，线电极回退5um的间隙，并调整进给速度继续进给。,线切割微细电解线切割加工的基础研究试验,钼丝，中字牌钼丝笔者进行了微细电解线切割加工的基础试验，利用上述的电极在线制作方法，采用初始直径为50um的钨丝，浸没在2molL的NaOH溶液中，加工电源电压为0. 1V，在线制得直径为lOum的钨丝线电极。钼丝将线电极接纳秒脉冲电源负极，30um厚的纳米晶电沉积镍片接电源正极；电源的脉冲宽度为40ns，周期为1uS，电压为4V1电解液为0.ImolL的盐酸溶液，切割出带90度直角的微结构，其L形切缝宽度控制在30um左右，如图8所示。在切割二维图形中，由于电解加工的阳极腐蚀原理，杂散腐蚀不可避免地存在，电解加工在转弯处会出现圆角，很难获得90度直角结构。本文在线切割加工中的转弯处，根据纳秒脉冲电化学反应定域性强的特点，把加工区半径作为线电极轨迹的补偿值，以修正加工轨迹上数据点的坐标，很好地解决了