电解小孔加工机床结构设计【全套含15张CAD图纸】
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工学博士学位论文 微细电解加工系统及其工艺技术研究 RESEARCH ON ELECTROCHEMICAL MICROMACHINING AND ITS TECHNIQUES 李小海 哈尔滨工业大学 2006 年 8 月 国内图书分类号: TG662 国际图书分类号: 621.9.047 工学博士学位论文 微细电解加工系统及其工艺技术研究 博 士 研 究 生 ： 李小海 导 师 ： 赵万生教授 副 导 师 ： 王振龙教授 申请学位级别： 工学博士 学 科 、 专 业 ： 机械制造及其自动化 所 在 单 位： 机电工程学院机械制造及自动化系 答 辩 日 期： 2006 年 8 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TG662 U.D.C: 621.9.047 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering RESEARCH ON ELECTROCHEMICAL MICROMACHINING SYSTEM AND ITS TECHNIQUES Candidate： Li Xiaohai Supervisor： Prof. Zhao Wansheng Associate Supervisor： Prof. Wang Zhenlong Academic Degree Applied for： Doctor of Engineering Speciality： Mechanical Manufacturing and Automation Affiliation： School of Electro-Mechanical Engineering Date of Defence： August, 2006 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘要 摘要摘要 电解加工是金属工件在电解液中发生阳极溶解以达到加工目的的一种加工方法。从加工机理上讲，电解加工是以“离子”方式去除金属材料的一种加工工艺，因此这种微去除方式使得电解加工在微、纳米加工领域具有很大的发展潜力。当今世界各国都十分关注微细电化学加工的研究，目前我国在微细电解加工方面的研究处于起步阶段，如何利用电解“离子”级的蚀除机理，挖掘电解加工的微细加工能力，向精密、微细加工进军是一个需要迫切解决的重要问题。研究和掌握微细电解加工的关键技术，研制开发微细电解加工系统，深入研究微细电解加工工艺，具有重要意义。 在本文中，通过对微细电解加工机理进行分析，根据微细电解加工特点，在精密三轴联动的多功能微细加工平台上搭载了微细电化学加工模块，设计了微细电解加工系统。该系统包括高频窄脉冲电源、微细电解机床本体（也就是整个加工装置的机械部分，包括伺服机构，工作台，在线观测设备，工具电极制作模块等几个部分） 、电解液循环系统和加工状态检测控制系统等。另外，还有精密旋转主轴，主轴带动微细电极旋转，微细电极旋转精度控制在 1m 以内，能够提高加工的稳定性和加工精度。本微细电解加工系统设计之初即定位于加工对象尺寸是属于微细加工范畴内的从几微米级到几百微米级，加工间隙只有保证在 520m 范围内，才能实现微细加工。为了保证在如此小的加工间隙内稳定地进行微细电解加工，机床微进给机构具有很高的伺服进给精度，进给分辨率为 0.1m。为了避免短路和微火花的发生，控制稳定的微小加工间隙，该微细电解加工系统具有高灵敏度的加工状态检测模块和快速动态响应的伺服系统。另外利用微细加工平台多功能微细加工能力，采用微细电火花加工技术在线制作微细电极，提高了在微细电解加工中微细电极的制作和安装精度。 根据微细电解加工的特点，本文研制了微能高频窄脉冲电源，该电源将加工状态（加工电流和加工电压）的检测集成于一体，并具有短路保护电路，为实现加工过程的自动化控制提供了便利条件。在微细电解加工中由于加工电流很小，脉冲电源容易获得较高的频率，最小脉宽可达到 100ns 以下。并针对微细电解加工特点，设计了控制系统，通过加工状态检测模块，实时调整伺服控制系统，使微细电解加工稳定进行。在微细电解加工中，工件与工具阴极之间的定位是保证精度的一个关键环节，设计了接触感知电路- I - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 来确定微细电极和工件与设计基准间的位置关系。 利用精密高速旋转主轴带动在线制作的微细工具电极高速旋转，采用低加工电压、低浓度钝化电解液、快速响应的伺服系统和高频窄脉冲电源，本文进行微细电解加工微孔研究。通过采用以上措施，电解加工能局限在微细电极附近很小的区域内，微细孔的侧向加工间隙能够控制在 10m 左右，实现了最小直径为 30m 微孔加工，因此能获得较高的加工精度。本文还提出了采用削边电极进行大深径比的微小孔加工，削边电极能明显改善电解产物的排出条件，提高加工的稳定性和加工效率。本文还通过工艺试验，研究了各种加工参数对微细电解加工微小孔的加工精度和加工效率的影响规律，优化工艺参数。 最后针对微细成型电解加工的缺点，本文提出了采用旋转的简单圆柱状微细工具电极，通过控制其运动轨迹和加工参数进行微细电解铣削加工微结构。采用简单圆柱状微细电极作阴极，在微电流作用下，利用工具电极没有损耗的特点，使高速旋转的微细工具电极侧壁能够像小铣刀一样加工微结构，进行电解铣削加工，能够获得较好的微细形状特征和较高的加工精度。微细电解铣削加工避免了在加工准备阶段复杂微细电极的制造，简化了工艺流程，而且在加工过程中能改善微小加工间隙中的加工条件，使微细电解加工稳定进行。对影响微细电解铣削加工精度的因素进行研究，如进给速度、加工电压和电解液种类等。本文还将数控展成电解加工技术应用到微细结构加工中，以 UG 软件为开发环境，利用通用的机械加工 CAD/CAM 软件进行微细电解铣削加工 G 代码生成，用数控微细电解加工系统加工较为复杂形状的微结构，如梁宽为 50m 的渐开线微螺旋梁，取得较好的加工效果。 关键词关键词 电解加工；微细加工；高频窄脉冲电源；微孔；微结构 - II - Abstract Abstract Electrochemical machining (ECM) is a course of the dissolution of anodic metal ion by ion to shape workpieces. Consequently ECM should in theory be able to produce nano-precision parts and be a promising micromachining technique for manufacturing micro parts with dimensions in micrometer order or even in nanometer order. Now, some developed countries have paid close attention to the research on micro-ECM, but the development of micro-ECM of our country stand in a preliminary phase. It is an important problem to make full use of the machining mechanism of metal dissolution ion by ion in the process of ECM, explore the capability of micromachining of ECM and find a new technique to realize the precision machining and micromachining. It will be great signification to thoroughly master the key techniques, develop micro-ECM system and investigate the law of micro-ECM. In this paper, the author first analyzes the machining mechanism of micro-ECM and summarizes the charastrics of micro-ECM, and thus the system of micro-ECM has been designed based on the multifunctional micromachining machine tool which possesses three-axis linkage. The micro-ECM system includes a high-frequency short-pulse micro-energy power supply, a set of mechanism equiptment, circulation system of electrolyte and detection system of machining status. The mechanism equipment consists of the servo mechanism, the worktable, the on-line observation device, the fabrication module of micro tool electrode and so on. In addition, there is a precision rotary spindle. The micro electrode rotates along with spindle at high speed, which possesses the rotary error of 1m. The rotation at high speed of the micro electrode is very helpful to improve the machining status and enhance the machining precision. The design of micro-ECM system is based on the micromachining at scale from several m to several hundred m. The machining gap must be controlled in the range from 5m to 20m to realize micromachining, so the micro-ECM system possesses the micro feed resolution of 0.1m and high feed accuracy. In order to guarantee the machining gap and the stable machining, the corresponding servo strategies are prescribed. Moreover, the micro-ECM system has the sensitive - III - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 module of detecting machining status and servo control system with high dynamic response for the sake of avoiding the occurrence of micro spark in between electrodes in the process of micro-ECM. The online fabrication of micro electrode by electrical discharge machining (EDM) on the multifunctional machine tool can be performed, which can advance the fabrication and installation accuracy of micro electrode. According to the characteristics of micro-ECM, a high-frequency short-pulse micro-energy power supply has been designed. This power supply integrates the detection system of machining status detecting the information of machining voltage and machining current, which can help to realize the machining automatization. Owing to the very little machining current, the frequency of pulse power supply can obtain easily higher frequency, and the minimal pulse width of below 100ns can be realized. Moreover, in according to the characteristics of micro-ECM, a control system can be designed, which can adjust the servo control system and guarantee the stable machining. In the process of micro-ECM, the position finding is a key factor for guaranteeing machining accuracy. A contact perception electrocircuit is designed to find the position relation between design reference and workpiece or tool electrode. The author has carried out the experiment of drilling micro holes by micro-ECM. Low machining voltage, low concentration of passivity electrolyte, high-frequency short-pulse power supply, rapid dynamic response servo system and micro tool electrode rotating at high speed have been synthetically adopted to localize the dissolution area during ECM, so the machining gap can be kept at about 10 m, the micro hole with diameter of 30m can be drilled and the better resolution of machined shape is achieved. In addition, the author put forward a way by adopting the cut-edge electrode to drill deep micro-holes. The cut-edge electrode can greatly improve removal condition of electrolysis product and increase the machining efficiency. The research on how machining parameters during micro-ECM influence the machining accuracy has been carried out, and the machining parameters can be optimized. There are many disadvantages in micro-EC sinking, so a new approach of fabricating microstructures by means of electrochemical milling is proposed as a result of no tool wear during micro-ECM. By utilizing side wall of simple micro - IV - Abstract rotating tool electrode like micro mechanical milling and controlling the movement track and machining parameters, microstructures with high precision can be milled by micro-ECM under lower machining current. Moreover, the fabrication of micro-electrode with complex micro-features can be avoided. The micro-EC milling can improve the machining status in the tiny machining gap and thus make machining stable by simple rotary column electrode. The author also investigates the influence factors on the accuracy of micro-EC milling, such as feed speed, machining voltage and category of electrolyte. At last, the author proposes the technique of the NC generating micro-ECM integrating CAD/CAM technology. The G code for machining complex structure can be generated by the universal CAD/CAM of traditional milling based on UG software, and the machining samples with high precision can be obtained, such as the micro bend beam with width of about 50m. Keywords electrochemical machining, micromachining, high-frequency short- pulse power supply, micro-hole, microstructure - V - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 目录目录 摘要摘要 I AbstractIII 第第 1 章章 绪论绪论1 1.1 引言1 1.2 电解加工的新发展 2 1.3 微细加工技术研究、发展及分析5 1.3.1 传统的微细切削技术 6 1.3.2 微细特种加工技术 6 1.4 微细电解加工技术的国内外研究现状与分析 9 1.4.1 国外微细电解研究进展9 1.4.2 国内微细电解加工研究进展14 1.5 课题来源及研究目的和意义16 1.5.1 课题来源16 1.5.2 课题研究的目的和意义16 1.6 研究的主要内容 17 第第 2 章章 微细电解加工中的若干基础问题研究微细电解加工中的若干基础问题研究18 2.1 电解加工原理 18 2.2 微细电解加工的特点 19 2.3 微细探针的制作试验 22 2.3.1 试验方法与成型原理 22 2.3.2 试验结果和分析 23 2.4 超短脉冲微细电解加工机理24 2.5 高频窄脉冲电流电解加工26 2.5.1 高频窄脉冲电流电解加工特性26 2.5.2 高频窄脉冲电流使得加工间隙的缩小和均匀化 27 2.6 微细电解加工中电解液的选择28 2.6.1 不同电解液对微细电解加工的影响28 2.6.2 钝化电解液钝化特性 28 2.7 影响微细电解加工速度的主要因素30 - - VI目录 2.8 影响微细电解加工精度的主要因素32 2.9 影响微细电解加工表面质量的主要因素34 2.10 微细电解加工过程中微火花产生机理36 2.11 对微细电解加工系统提出的要求37 2.12 本章小结38 第第 3 章章 微细电解加工系统设计与实现微细电解加工系统设计与实现39 3.1 微细电解加工系统的设计39 3.1.1 机床的结构布局设计 41 3.1.2 机床主要零部件的设计42 3.2 微细电极制作 45 3.3 微细电解加工系统的电气硬件组成46 3.4 微细电解加工高频窄脉冲电源的设计实现 47 3.4.1 脉冲产生逻辑与功放 48 3.4.2 加工电压调节单元 50 3.4.3 加工状态检测电路与接口电路50 3.4.4 微能高频窄脉冲电源保护电路52 3.4.5 接触感知电路 53 3.5 微细电解加工控制系统 53 3.5.1 微细电解加工控制系统的组成54 3.5.2 伺服系统的实现 55 3.5.3 微细电解加工的伺服进给控制策略57 3.6 本章小结57 第第 4 章章 微细电解钻削微孔加工研究微细电解钻削微孔加工研究59 4.1 微小孔加工方法的分析 59 4.2 利用旋转微细电极微细电解钻削加工微孔 60 4.3 微细电解钻削加工微孔原理61 4.4 微细电解钻削微小孔的伺服进给控制策略 63 4.5 微细电解钻削加工微小孔试验64 4.5.1 阴极和阳极发生的化学反应64 4.5.2 微细电解钻削加工微孔试验实例65 4.6 影响微细电解加工效率的因素66 4.6.1 加工电压对加工效率的影响66 4.6.2 电极转速对加工效率的影响67 - VII - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 4.6.3 加工频率与占空比对加工效率的影响68 4.6.4 添加剂对加工效率的影响68 4.7 电极的方式对加工微孔的影响70 4.7.1 采用非旋转圆柱状电极加工微孔70 4.7.2 采用削边电极加工微孔71 4.8 各种加工参数对加工精度的影响分析74 4.8.1 加工电压对加工间隙的影响74 4.8.2 电解液浓度对加工间隙的影响75 4.8.3 加工速度对加工间隙的影响76 4.8.4 脉冲电源的脉冲频率对加工间隙的影响 77 4.8.5 脉冲电源的占空比对加工间隙的影响78 4.8.6 电极直径对侧面间隙的影响79 4.8.7 一些微细电解钻削加工的微孔样件79 4.9 本章小结80 第第 5 章章 微细电解铣削加工研究微细电解铣削加工研究 81 5.1 微细电解加工微结构加工方式81 5.1.1 微细成型电解加工 81 5.1.2 微细电解铣削加工 82 5.2 微细电解铣削加工试验 85 5.2.1 微细电解铣削加工微细电极的制备85 5.2.2 微细电解铣削加工伺服进给方式85 5.2.3 微细电解铣削加工可行性试验86 5.3 采用微小加工间隙有利于提高表面质量87 5.4 微细电解铣削加工工艺试验89 5.4.1 电极进给速度对侧面加工间隙的影响89 5.4.2 不同电解液对微细电解铣削加工间隙的影响 91 5.4.3 影响微细电解铣削加工的其他因素92 5.4.4 一些微细电解铣削加工微结构样件94 5.5 微细电解铣削加工侧面成型的预测建模95 5.6 基于UG软件CAD/CAM的微细电解铣削加工技术研究 96 5.6.1 采用UG软件CAD/CAM系统生成加工G代码 97 5.6.2 试验示例99 5.7 本章小结100 - - VIII目录 结论结论101 参考文献参考文献103 附录附录112 攻读学位期间发表的学术论文攻读学位期间发表的学术论文 113 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明114 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书 114 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理 114 致谢致谢115 个人简历个人简历116 - IX - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 Content Abstract (In Chinese) I Abstract (In English)III Chapter 1 Introduction 1 1.1 Background 1 1.2 Recent advance of ECM technology2 1.3 Research and development on micromachining 5 1.3.1 Traditional cutting micromachining6 1.3.2 Non-traditional micromachining6 1.4 Latest research and development on micro-ECM9 1.4.1 Oversea latest researches and development on micro-ECM9 1.4.2 Domestic latest researches and development on micro-ECM14 1.5 Purpose and significance of the present research 16 1.5.1 Source of this project16 1.5.2 Purpose and significance of this project 16 1.6 Main contents of the research17 Chapter 2 Study on some basal problems of micro-ECM 18 2.1 Principle of ECM18 2.2 Characteristics of micro-ECM19 2.3 Fabrication experiment of micro probes22 2.3.1 Experimental method and shaping mechanism22 2.3.2 Experimental results and analysis23 2.4 Machining mechanism of micro-ECM using ultra short pulses24 2.5 High-frequency short-pulse micro-ECM 26 2.5.1 Special characteristics of high-frequency short-pulse current 26 2.5.2 Reducing machining gap and homogenizing electrolyte 27 2.6 Electrolyte choice in micro-ECM28 2.6.1 Influence on micro-ECM by using different electrolytes28 2.6.2 Special characteristics of passivation electrolyte28 2.7 Primary factors influencing machining speed30 - - XContent 2.8 Primary factors influencing machining precision32 2.9 Primary factors influencing surface quality34 2.10 Mechanism of micro sparks occurrence 36 2.11 Demands fro micro-ECM system37 2.12 Summary 38 Chapter 3 Design and realization of micro-ECM system 39 3.1 Design of micro-ECM system 39 3.1.1 Design of structural arrangement of the machine tool41 3.1.2 Design of main parts of the machine tool42 3.2 Fabrication of micro electrode for micro-ECM45 3.3 Electric hardware makeup of micro-ECM system46 3.4 Design and realization of high-frequency short-pulse power supply47 3.4.1 Logic producing pulses and power amplitication 48 3.4.2 Regulating machining voltage unit50 3.4.3 Circuit of machining state detection and interface circuit 50 3.4.4 Protection circuit of micro-energy pulsed power supply 52 3.4.5 Contact sensing circuit 53 3.5 Control system of machine tool for micro-ECM 53 3.5.1 Makeup of control system for micro-ECM54 3.5.2 Realization of servo system for micro-ECM 55 3.5.3 Servo control strategy for micro-ECM 57 3.6 Summary 57 Chapter 4 Study on drilling micro holes by micro-ECM59 4.1 Analysis on machining methods of micro holes 59 4.2 Drilling micro holes using rotary micro electrode with micro-ECM60 4.3 Principle of drilling micro holes with micro-ECM61 4.4 Servo control strategy for drilling micro holes63 4.5 Machining experiments of drilling micro holes64 4.5.1 Electrochemical reaction of cathode and anode64 4.5.2 Example of drilling micro holes 65 4.6 Main factors influencing machining efficiency 66 4.6.1 Influence of machining voltage on machining efficiency66 4.6.2 Influence of electrode rotating speed on machining efficiency 67 - XI - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 4.6.3 Influence of frequency and duty ratio on machining efficiency 68 4.6.4 Influence of electrolyte additive on machining efficiency68 4.7 Influence of fashion of micro electrode on drilling micro holes70 4.7.1 Drilling micro holes using no rotating electrode 70 4.7.2 Drilling deep micro holes using rotating edge-cut electrode 71 4.8 Influence of main machining parameters on machining precision74 4.8.1 Influence of machining voltage on machining gap74 4.8.2 Influence of electrolyte concentration on machining gap75 4.8.3 Influence of feed speed on machining gap 76 4.8.4 Influence of machining frequency on machining gap77 4.8.5 Influence of duty ratio on machining gap78 4.8.6 Influence of electrode diameter on machining gap79 4.8.7 Some samples of drilling micro holes with micro-ECM79 4.9 Summary 80 Chapter 5 Study on micro-EC milling81 5.1 Machining methods of machining microstructures with micro-ECM81 5.1.1 Micro-EC sinking by micro contoured electrode81 5.1.2 Micro-EC milling by simple column electrode82 5.2 Machining experiments of micro-EC milling85 5.2.1 Preparation of micro electrode for micro-ECM85 5.2.2 Fashion of servo feed control for micro-EC milling85 5.2.3 Feasibility experiment of micro-EC milling86 5.3 Improve surface quality by reducing the machining gap87 5.4 Process experiments of micro-EC milling89 5.4.1 Influence of feed speed on side machining gap89 5.4.2 Influence of different electrolytes on side machining gap91 5.4.3 Other factors influencing micro-EC milling92 5.4.4 Some samples machined by micro-EC milling94 5.5 Process modeling for predicting the shape in micro-EC milling 95 5.6 Study on technology for micro-EC milling based on CAD/CAM of UG .96 5.6.1 Generation of G codes by using CAD/CAM system of UG97 5.6.2 Sample of machining experiment 99 5.7 Summary 100 - - XIIContent Conclusions101 References 103 Appendix112 Publications in the period of Ph.D. study 113 Statement of copyright114 Letter of authorization 114 Management of secret 114 Acknowlegement115 Resume 116 - XIII - 第 1 章 绪论 第第1章 绪论章 绪论 1.1 引言引言 电解是电化学基础理论中的一个基本概念。所谓电解，是指在一定外加电压下、将直流电流通过电解池、在两极分别发生氧化反应和还原反应的电化学过程。早在1834年，法拉第就发现金属阳极溶解的基本规律，为电解加工奠定了理论基础。在20世纪20年代，人们才提出将金属阳极溶解的原理用于零件制造的构想，电解加工在1921年被Gusseff第一个申请专利，后来发现电解加工在高硬度、高熔点的合金加工中有很好的优势。电解加工ECM (Electrochemical Machining)是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解的原理，对工件进行加工，目的是获得具有一定尺寸精度的零件，是一种对难加工材料、复杂形状的零件进行批量生产的一种高效、高表面质量、经济的加工方法1, 2。在电解加工过程中，工具电极与工件不接触，电解加工具有工具电极无损耗、不会产生变形和应力以及加工质量好、生产效率高等优点，因而在现代工业生产中已成为一种重要的加工技术3。在航空航天领域，在成型加工、电解磨削、去毛刺和大的工件电解铣削等方面取得重大进展，现国内外已广泛应用于叶片、机匣、深细小孔、花键等重要零件的加工。 电解加工经历了20世纪60 年代和70 年代的高速发展后，其速度逐渐减缓。重要原因是加工精度及稳定性未有明显的提高。80 年代出现的脉冲电流电解加工(PECM )，较传统的直流电解加工(DECM )在精度和稳定性上显示了其发展的潜力。虽然脉冲加工的精度较直流电解加工有所提高，特别是整平效果比直流电解加工改善得更为明显，但采用的频率f 较低(工频级)， 脉宽ton 较大(ms 级)，仍然接近于直流，故脉冲效应未充分发挥，效果仍不够理想，加工间隙较大，精度不够高，而加工效率也有所降低。采用周期对刀、周期进给的小间隙加工、大间隙冲刷的模式来达到较高的加工精度，则设备较为复杂。因此，脉冲电流电解加工至今尚未广泛应用于生产当中。 到 20 世纪 90 年代，电解加工又重现生机，不断扩宽电解加工工艺技术新方向。随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元件如MOSFET、IGBT 等的出现， 给出了实现高频(kHz 级)、窄脉冲(s 级) 电流电解加工的现实性。高频、窄脉冲电流电解加工(HPECM)通过多位学者- 1 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 进行大量的基础试验研究， 显示了此项新技术能较大幅度地提高加工精度、改善表面质量，明显强化了集中蚀除能力，减弱了散蚀能力，加工间隙大大降低，加工精度显著提高，使电解加工又重新焕发了生机。尤其随着零件尺寸向小型精密化发展，电解加工技术又有新发展，故小型、精密、光整是电解加工看好的发展方向4-6。微细化是制造业另一个重要发展方向，电解加工是以“离子”状态去除阳极金属材料，尤其高频、窄脉冲电源在电解加工中的使用，将电解加工应用到微细加工领域是当今一个研究热点7-12。 1.2 电解加工的新发展电解加工的新发展 随着整个制造业向精密化、微细化发展，对电解加工提出越来越高的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，新的研究领域不断扩展。目前主要研究方向有高频窄脉冲电流电解加工(s级，甚至ns级) 、数控展成电解加工、电解复合加工技术、精密电解加工、微细电解加工等，使得电解加工又呈现出新的应用前景。 1.高频窄脉冲电流电解加工 随着功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元器件如MOSFET, IGBT等的出现，使高频(kHz级)、窄脉冲(s级)电流电解基础工艺研究取得突破性进展。高频、窄脉冲电流电解加工就是用高频电源的间隙供电来代替传统的直流连续供电使工件阳极在电解液中发生高频断续的电化学阳极溶解。它利用脉间(脉冲间歇的简称)的断电间歇去极化、散热、使间隙的电化学特性、流场、电场恢复起始状态。这种瞬时通电和断电的过程导致了电解加工间隙过程的物理、化学特性的一系列变化，从而改善了电流效率特性，缩小了加工截止间隙，提高了阳极的集中蚀除能力，这就提高了加工精度和表面质量。并可实现 0.05 mm 以下的微小间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量，型腔最高重复精度可达 0.05 mm，最低表面粗糙度可达Ra0.40m，有望将电解加工提高到精密加工的水平，而且可促进加工过程稳定并简化工艺，有利于电解加工的扩大应用13,14。我国在高频、窄脉冲电流电解加工中也取得了很好的进展，如华南理工大学和英国爱丁堡大学合作已研制出MOSFET 高频窄脉冲电源，并开发出 1000A、2000A 的工程化样机15。 2.数控展成电解加工技术 传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度难以保证。尤其对整体叶轮上的扭曲叶片之类通道狭窄的零件表面，由于受工具阴极刚性及加工送进方式的限制，拷贝式电解加工更难以完成其- 2 - 第 1 章 绪论 加工任务。于是出现了简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工数控展成电解加工，数控展成电解加工采用与数控铣削相仿的工作方式，使用简单形状电极通过计算机控制多轴进行多维运动，加工出所需工件形状，如图1-1 a)所示16-20。美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用，在新型航空发动机及航天火箭发动机的研制中发挥了重要作用。美国 GE 公司研制的五轴数控电解加工，以及美、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮，代表了数控电解加工的世界先进水平。我国南京航空航天大学也已研制成功五轴数控展成电解加工机床和多轴联动数控系统。数控电解加工集成了电解加工的无工具损耗、不受材料硬度影响的优点和数控加工的柔性和自动化。由于不需针对每一种新零件制造专用电极，因此可显著缩短生产准备时间。另外，由于实际加工面积大为减小，因此可用小功率电源加工大零件，降低对电源容量的要求，但这是以降低加工速度为代价的。数控展成电解加工是一种新型加工技术，实验室研究和工业实践都已表明数控电解有着一定的发展潜力。如图1-1 b)所示的是南京航空航天大学采用多轴数控加工的整体叶片19。 a) b) 图 1-1 数控展成加工的原理图和加工的整体叶片19Fig.1-1 Schematic diagram of NC ECM and ingetral wheel machined by NC ECM 19简单电极工件3.电解复合加工 采用电解能量和其它加工能量相复合，共同对被加工件进行材料去除的方法称为复合电解加工，如电解机械复合磨削与抛光、电解超声复合加工、电解磁力复合研磨、电解激光复合加工、电解电火花复合加工等等。复合加工充分利用了多种能量的复合作用获得增效，据试验，加工速度比单一的电解能量显著提高，加工表面质量也好，因此复合加工获得了应用和发展21-26。以电化学辅助精密磨削ELID为例，近年来受到人们广为瞩目，与常规磨削不同之处在于采用了金属基磨轮和靠近磨轮处设有一辅助电极，如图 1-2 a)所示。在磨削过程中，充满了电解液的辅助电极和磨轮之间产生电解作用，去除了附着在磨粒上的金属和磨轮基体金属，避免了砂轮堵- 3 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 塞和保持了磨轮的自锐，从而提高磨削效率。脉冲电流也应用到电解磨削加工中，通过调节脉宽、脉间，能明显改善加工表面质量。如图 1-2 b)所示的是日本学者K. Katahira等采用ELID电解磨削的AlN陶瓷样件，获得镜面磨削的效果25。 a) b) 图 1-2 ELID设备和电解磨削的AlN陶瓷样件25Fig.1-2 The setup of ELID and AlN ceramics workpiece ground by ELID25冷却液工件电源磨轮辅助电极电解液4.精密电解加工 随着整个制造业向精密化发展，提高电解加工的加工精度具有重要意义。高速、高压、小间隙电解加工能明显提高加工精度，尤其是高频、窄脉冲电源的出现，加工精度得到进一步的提高，使电解加工向小型精密化方向有很大发展27-29。实现精密加工的手段有很多途径，通过降低电解液浓度能大大降低加工间隙，可以实现精密加工。英国学者A.K.M. Desilva等采用低电解液浓度进行微细精密电解，获得尺寸精度达2m，表面粗糙度为Ra0.01 的加工样件。如图 1-3 a)所示的是采用低浓度电解液加工的电动剃须刀网罩样件，窄缝内加工间隙能控制在 85m29。菲利浦公司、德国Wiba 公司等采用不同类型的脉冲电流和振动进给电解加工设备，加工出精密小型、薄型型腔、刻花纹图案等，如图 1-3 b)所示精密电解加工的样件28。 a) b) 图 1-3 精密电解加工的电动剃须刀网罩和精密小型零件27,28Fig.1-3 Cover of electric shaver and miniature part machined by precision ECM 27, 28 - 4 - 第 1 章 绪论 5.微细电解加工 在电解加工过程中，材料去除是以离子尺度进行，金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电解加工这种微去除方式使得它在微、纳米加工领域有着很大的发展潜能。近些年来，微细电解加工技术成为国内外微细加工领域的研究热点，并在加工尺度和加工精度方面取得了突破性进展30-39。如日本精工株式会社在镍金属表面利用微细电极制作的600m深为 100m微齿轮凹模，如图 1-4 a)所示35；韩国学者在高速转子上加工出数十微米线宽、数微米深的储油槽，如图 1-4 b)所示36。 a) b) 图1-4 微细电解加工的应用实例35, 36Fig.1-4 Application example of micro-ECM 35, 361.3 微细加工技术研究、发展及分析微细加工技术研究、发展及分析 在未来工业生产中，微型化、精确化、智能化装备将发挥越来越重要的作用，如微型飞机、微型卫星、微型机器人等的效能是常规装备所无法替代的。这些微小型装备的制造对现代制造技术提出了新的挑战，因此微、纳米级尺寸的微细加工方法，已经成为上述微系统实用化的关键技术39-43。 微细加工技术是指制造微小尺寸零器件或薄膜图形的方法。目前，微细加工技术被赋予更广泛的内容和更高的要求，加工尺寸已从微米量级、亚微米量级发展到纳米量级。微细加工方法包括传统的切削加工和一些特种加工方法。 常规加工方法，分为微细车削、微细铣削、微细钻削、微细磨削、冲压等；特种加工方法，包括光刻加工、电子束、离子束、激光束微细加工、微细超声加工、微细电火花加工、微细电解加工和微细电铸等。目前MEMS器件大多基于硅平面技术采用硅材料制作而成44，为了实质性地推进MEMS技术的发展， MEMS器件就不能只局限于采用硅材料，而应采用具有性能优异的金属材料。相对于硅材料的微细加工，LIGA（制版、电铸、注塑）可以对许多金属材料进行微细加工，尺寸可小至1m，精度可达- 5 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 亚m级，已使MEMS领域产生重大进展，但LIGA技术所需要的深层X射线辐射源价格昂贵，应用前景受到限制；用深层刻蚀工艺代替同步辐射X射线深层光刻，然后采用电铸工艺的准LIGA技术成为研究的热点，然而此项技术还需要进一步深入研究45-53。最近几年，随着微机电系统(MEMS) 研究和应用的深入，金属和合金的微细加工显得越来越重要。金属材料既具有良好的强度和韧性，又有良好的导电、导热以及磁学性能，在微机电系统中自然也是主要的材料之一，因此在微纳米尺度上的、具有三维加工能力的、能够处理性能优异的金属材料（特别是一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等性能的合金材料）的微细加工问题已经越来越引起人们的关注和广泛研究。 1.3.1 传统的微细切削技术传统的微细切削技术 传统的超精密机械加工技术是利用硬度高于材料的刀具改变材料形状或破坏材料表层，以切屑形式去除来达到所要求的形状。一般认为，切削加工中不可避免地存在切削力，当被加工零件加工到微细尺度时，将产生很大的变形甚至破坏，因此，切削加工无法实现微细加工。但是，经过不断探索和实践，利用微细切削加工方法也加工出了微米级尺寸零件54-64。微细切削主要有微细铣削、微细车削和微细钻削等，现在以微细钻削为例进行分析。微细钻削具有生产率高、不受材料导电性能限制、能获得的深径比大、表面质量和加工精度较高等特点，是一种在经济上、精度及效率上较优越的微小孔加工手段，但是微细钻削加工存在以下问题： 由于钻头直径细小，其制造变得越来越困难。同时，钻头的刚度、强度显著降低，极易受切削力或机床振动等作用而折断。容屑空间小，特别是加工深孔时，切屑难于排出，从而导致钻头的损坏。同时由于加工区散热困难，钻头的温度较高，使用寿命低。在深小孔钻削时，为了获得一定的切削速度，需要采用很高的转速，一般要求在10000150000 r/min，并且要求主轴的回转误差很小(1m)，这是目前的普通钻床所不能达到的，必须用微细加工机床。机械钻削无法加工比刀具还硬的材料54。 1.3.2 微细特种加工技术微细特种加工技术 特种加工是除传统切削加工之外的各种新型加工方法的统称。与切削加工相比，特种加工不是依靠机械能而是通过其它能量方式(如电、化学、- 6 - 第 1 章 绪论 光、声、热等)去除金属材料，而且加工过程中工具与被加工件之间不存在明显的机械切削力，工具的硬度可以低于被加工材料的硬度65。因此，总体而言，采用特种加工方法可以加工任何硬度、韧性、脆性的金属或非金属材料，尤其可以采用某些特种加工方法进行微细加工甚至纳米级加工，如微细电火花加工、微细超声加工、微细激光加工、电子束加工、微细电解加工等。 1. 微细电火花加工 电火花加工是一种直接利用电能进行加工的方法。它通过加工过程中工具和工件之间不断产生脉冲火花放电，靠放电时产生的局部高温把金属蚀除下来。微细电火花加工和其他微细加工方法相比，在微细加工方面有一定优势： 可以加工任何导电材料，不受工件材料的强度和硬度限制。可在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等。加工过程中切削力很小，对工具的强度和刚度要求较低，可加工直径10m 的微孔。存在的缺点是加工表面存在热影响层和微裂纹，工具电极有损耗，进行微细电火花铣削加工时必须考虑微细电极的补偿65-68。 2. 微细超声加工 超声加工利用超声波发生器激励的换能器驱动工具作超声振动，冲击工件表面上的磨料，将加工区域的材料粉碎，随着工具的进给对工件进行加工。微细超声加工有以下特点： 适于加工各种硬脆材料，特别是不导电非金属材料，如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等) 石英、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。可加工异型孔，加工精度达1m，表面粗糙度Ra为0.030.10m。由于去除加工材料是靠磨料瞬时局部撞击作用，故工件表面的宏观切削力很小，切削应力、切削热也很小，且无表面残余应力，不会引起工件的热变形和烧伤，加工出的工件表面质量好。最小孔径达10m，深径比达1020。机床结构简单，成本低。缺点是： 在进行微细超声加工时，工具的制备和安装比较困难，工具易于磨损，这对加工精度有一定的影响。在对某些金属材料加工时，加工速度很低。与常规尺度的超声加工相比，微细超声加工振幅小，功率小，加工速度偏低。鉴于以上缺点，微细超声加工主要用于硬脆的非金属材料加工，如玻璃板上微小孔精密加工以及金刚石模具的变截面圆孔和加工异型孔69。 3.微细激光加工 激光加工是利用激光焦点处的高温，使材料瞬时熔化、气化，熔化和气化物被爆炸性地喷射出来，实现对工件的加工70,71。微细激光加工的特点有： 激光束的功率密度高，达1081010 W/cm2 ，几乎能加工任何材料，包括高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料，如石英、陶瓷、金刚石等。加工能力强、生产率高。激光能聚焦成- 7 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 极细的光束， 可加工直径1m 的微细孔，可进行深径比达50 以上的大深径比加工。激光加工为非接触加工，可加工薄壁、弹性件等低刚度零件，可对空间狭窄的难加工部位进行打孔。与电子束、离子束加工相比设备简单，不需要抽真空装置，故比电子束、离子束加工投资小。加工中不存在工具损耗的问题，不污染材料、工作时噪声小，对环境友好。缺点是被加工工件表面粗糙，有再铸层，而且与电火花、超声加工相比，激光设备价格较昂贵。 4. 电子束加工 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后的高能电子束轰击工件表面，使材料瞬时熔化、汽化而去除材料的一种加工方法。由于电子束可聚焦到很小的光斑，故可用于打微小孔。电子束打孔技术已成功应用于加工涡轮叶片、燃烧室等喷气发动机典型零件上的微小孔。 自20世纪50年代开始对电子束加工进行研究，目前已能加工直径3m 的孔，对微电子学领域里许多零件的打孔特别有利，是微小孔加工工艺中不可缺少的一种加工方法。其加工特点为： 可加工高强度、高硬度、高韧性、高熔点的金属或非金属材料。电子束可以被聚焦得很细，束径可达0.1m(在特定条件下束径0.01m，甚至可达3nm) 。功率密度高，可达106109W/cm2 ，加工时材料为瞬间蒸发，不产生宏观应力和变形。加工能力强，生产率高，在厚度为2.5mm的钢板上，每秒可打50个0.4mm 的孔。可加工异型孔、锥孔和各种曲率的弯孔等。在真空中进行，特别适合于加工易氧化材料和纯度要求极高的半导体材料。缺点是需要整套专用设备和真空系统，价格较贵，目前生产应用有一定局限性72。 5. 微细电解加工 电解加工技术是一种以“离子”状态去除金属材料的加工方法，因此在微细加工领域已引起人们广泛的注意。然而，与缘于电化学阴极沉积成型原理的微细电铸相比，基于电化学阳极溶解原理的电解加工技术目前在微细加工中的初级阶段73-75，与其“离子”方式去除材料的机理优势很不相称，究其原因，主要在于：通常人们认为，由于电解加工的加工间隙大，加工形状难于控制，因而它只能是一种低加工精度的方法，不适于进行微细加工。常规电解加工为了避免钝化作用及提高加工速度，需采用大电流密度进行高速加工，由于加工间隙中电场、流场复杂多变及电解液的杂散腐蚀，加工间隙的稳定性及一致性较差，经典电化学规律变得不明显，使电解加工的精度较难控制；另外为了提高电解液的电导率，常采用具有一定腐蚀性或强腐蚀性的高浓度中性盐电解液，这对设备、环境保护及零件性能均可能造成影响，限制了电解加工的进一步扩大应用。这些原因造成许久以- 8 - 第 1 章 绪论 来人们对电解加工认识和研究不够，在微细加工领域的应用前景更没有得到应有的重视。近年来由于在超短脉冲电解、掩膜电解、精密电解方面的研究突破，以及在电解液、控制加工间隙方面新的研究进展，电解加工在微细加工领域取得了一定的研究进展。在许多场合，微细电解加工有着自身独到的优势，如加工效率高，适合加工的材料范围广，不需考虑工件材料的强度、硬度等机械特性，加工过程中工具无损耗，工件上不产生应力等优点。 综上分析，微细切削技术、微细电火花技术、微细超声加工技术、电子束加工和微细激光技术等都是很好的加工方法，然而这些微细加工方法在各有优点的同时，亦各有一定的局限性。因此探索金属材料微、纳米级微细加工新工艺仍是一个当今科技界紧迫而且很有应用价值的研究课题。与其它微细加工技术相比，微细电解加工具有一定的优势，它是唯一以离子形式去除金属的加工方法，而且不会由于加工过程中所产生的热量而出现熔凝层、热影响区和热应力等加工缺陷，而且在加工中工具电极不存在损耗，在微细加工领域甚至纳米加工领域具有很大的应用前景。因此，微细电解加工有望成为微细加工技术中又一主流新技术，这也是本文要研究的主要内容。 1.4 微细电解加工技术的国内外研究现状与分析微细电解加工技术的国内外研究现状与分析 1.4.1 国外微细电解研究进展国外微细电解研究进展 目前，国外有许多研究机构对电解加工在微细加工领域的应用做了大量的研究工作，已经在多方面取得突破性进展，主要表现在以下几方面： 利用掩膜微细电解加工和电解液射流微细电解成型加工研究利用掩膜微细电解加工和电解液射流微细电解成型加工研究 IBM公司较早就开始进行电化学金属材料去除加工的研究。电化学金属材料去除加工包括有掩膜微细电化学蚀刻加工和无掩膜微细电化学蚀刻加工。在有掩膜电解蚀刻中，常用光刻胶在待加工材料上制成特定图案的遮蔽层，未被保护的材料在电解作用下逐渐腐蚀直到所需要的深度，这样就可以用电解方法有选择性地在金属上去除要加工的金属。图 1-5 a)所示的是采用单侧掩膜加工出的微孔和圆锥体三微结构，所加工的群微孔直径约为55m，孔深度为 20m。掩膜法的优点是可以使用腐蚀性小的中性盐电解质， 如Na SO 、NaCl、NaNO 等，对环境污染小，适用面广，甚至对导电陶瓷及高耐蚀合金也能刻蚀，刻蚀速度快。该方法也存在不足：如金属的阳极溶解各向同性，虽然刻蚀电流分布可通过改变某些外部条件而得243- 9 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 到一定程度的控制，但在膜下不可避免的侧向刻蚀将影响加工精度。76-78 无遮蔽电化学微蚀刻则需要去除过程具有高度的选择性，常常用微细电解液射流来实现这一目的，也就是通过精密微细喷嘴直接把中性盐电解液喷到被加工工件金属表面上，同时在工件和喷嘴之间施加电压，使工件上被电解液喷射的材料部分产生溶解去除而进行加工的方法。由于喷出的电解液射流直径很小，因此具有良好的定域加工能力和较高的加工效率并可以加工多种金属和合金，不会产生加工变质层和毛刺等79。缺点是微小喷嘴制作困难，所以加工尺寸不能太小，无法进行高分辨率的加工。图1-5 b)是采用无掩膜微细电化学蚀刻加工通过直径为200m的小喷嘴喷射5M NaNO3溶液到50m厚不锈钢金属薄片上加工出的通槽组成IBM文字样件的一个示例76。 a) b) 图 1-5 a)掩膜微细电解加工的微孔和微结构b)射流加工通槽组成IBM微字样76Fig1-5 a) Micro-hole and microstructures machined by through-mask micro-ECM b) Letters machined by electrolyte jet 76 采用低浓度、低加工电压的微细电解加工研究采用低浓度、低加工电压的微细电解加工研究 电解加工很难成为微细加工的手段，其主要原因是加工间隙太大，较难控制被加工工件的形状。日本Chikamori较早就进行微细电解加工可行性研究，旨在从减小加工间隙入手来尝试电解微细加工实验，通过采用脉冲电源、低的加工电压和低的电解液浓度，利用特殊制定的伺服进给策略成功地将加工间隙控制在几微米大小。为探索微细电解加工的可行性研制的加工设备，进给机构采用压电陶瓷驱动，微进给分辨率为 0.0156m/step，加工时采用接触感知功能来定位电极与工件之间的位置关系，脉冲电源还有短路检测模块，通过检测加工电压和加工电流的大小，由控制计算机通过特殊设计的伺服进给策略来进行微细电极的进给。加工时，采用静液加工，没有电解液冲液装置，为了更好地排除电解产物，在加工进给时微细工具电极进行几十微米振幅的往复振动，使电解加工顺利进行。图 1-6 a) 在厚为 200m的镍金属片上加工的直径为 170m的微小孔，采用的加工电压为 3.8V， 脉冲电源- 10 - 第 1 章 绪论 的脉间为 200ms，脉宽为 160ms，电解液采用浓度为 14g/l的NaClO 溶液，加工间隙能控制在 10m以下。图 1-6 b)是采用微细电解进行加工的另一个实例，在直径为 500m的镍金属丝上加工出方型柱电极，每一侧加工大约10 分钟，然后工件旋转 90加工第 2 个面，这样重复 4 次就可以加工出方型柱状体。380 印度学者B. Bhattacharyya立足于本国技术水平自行开发了一套微细电化学加工装置来探索加工工艺参数对加工效果的影响，图 1-7 a)是试验装置的实物图，该装置由电解槽、电极进给单元、脉冲电源、加工控制单元、短路检测单元和电解液冲液控制系统等组成。虽然所研制的机床精度不是很高，但能基本上满足微细电解加工的需要。在该装置上采用较低的电解液浓度、较高的加工电压和适中的脉宽与脉间，能够加工出较好形状的微小孔，得到适当的材料去除率，且避免在加工中出现微火花，保证加工的形状精度，例如，在 1.5%NaNO3溶液中、加工电压为 10V、脉冲频率为 50Hz、脉宽为15ms加工参数下，就能获得较快的加工速度和较好的形状精度，图 1-7 b)是a） b) 图 1-6 微细电解加工的微孔和方微细电极80 Fig.1-6 The micro-hole and square micro-electrode machined by micro-ECM 80a) b) 图 1-7 微细电解加工装置和加工的微小孔33 Fig.1-7 Experimental setup of micro-ECM and micro hole machined by micro-ECM 33 - 11 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 在优化加工参数下加工的小孔。试验的结果表明该试验装置基本上能满足微细加工的要求并证实将电解加工应用到微细加工领域是可行的33。 采用复合电解微细加工研究采用复合电解微细加工研究 电解复合加工技术指的是将电解加工和其他加工方法组合使用，相互补充，以达到更好的加工效果。德国R. Frster尝试辅助振动电极成型微细电解加工，利用高速铣削加工出来的微细电解加工所用的成型电极，成型电极采用黄铜材料，辅助振动微细电解加工的微细结构，如图 1-8 a)所示。采用电极振动的方法，在电解机床上使工具电极以 50Hz的恒定频率振动，振幅为 200m，同时将振动进给和脉冲电流相结合，当工具电极与工件接近时，此时加工间隙间的电解液压力最大，电解液的电阻大大降低，加工间隙中温度升高，为脉冲加工区。退离时为脉冲间歇区，正好相反，现代控制技术根据此变化控制加工间隙的变化。用于模具型腔的电解加工中，由于振动冲击及间歇加工、冲刷作用，加工过程稳定性大为提高，进行电解成型加工获得较好的效果，能够改善加工间隙的电解液流动条件，改善电解液的供给和电解产物的排出条件，成型精度大大改善，采用较为复杂形状的电极能加工复杂的具有光滑表面的注塑模型腔，所得的注塑成型模具侧壁偏角为 87.8，侧面间隙为50m左右，具有很好的形状精度，如图 1-8 b)所示。 81a)成型电极 b)电解加工的微注塑模 图 1-8 微成型电极和采用辅助电极振动微细成型电解加工的型腔81Fg.1-8 Micro electrode and micro-ECM machined cavity with vibrating electrode81 微细电解制作微细电极微细电解制作微细电极 微细探针广泛地被应用到微细加工、电化学和细胞生物学等领域，如微细电火花加工和微细超声加工所用的微细工具电极和电化学测试中使用的微细电极等，所以微细电极的制作是重要研究课题82-88。微细电解加工微细电极是一个可行的方法，韩国学者Young-Mo Lim 和Soo Hyn Kim在基于电化学动力学理论基础上，对微细轴直径一致性影响因素进行深入研究。研究结果表明被加工的微细轴直径大小主要- 12 - 第 1 章 绪论 受微细轴几何尺寸和扩散层效应的影响，由于微细轴的几何效应，被加工的微细轴先出现正锥型，在另一方面，由于扩散层效应被加工的微细轴会出现倒锥，所以可以通过控制加工电流和加工电压来控制扩散层效应来保证所加工的微细轴的一致性，得到很好效果。图 1-9 a)是采用该方法加工的微细轴，长为 4mm，直径为 50m具有很大的长径比，直径较为均匀，沿微细电极轴向直径的变化不超过 1m88；图 1-9 b)是韩国学者利用微细电解方法加工的30m碳化钨电极29。 a) b) 图 1-9 采用微细电解方法加工的微细轴29, 88 Fig.1-9 Micro-pin machined by micro-ECM29, 88 纳秒级超短脉冲电流微细电解加工研究纳秒级超短脉冲电流微细电解加工研究 2000 年德国Fritz-Haber 研究所的Rolf Schuster等率先将超短(纳秒)脉冲电流应用到微细电解加工中。由于电流脉冲只持续很短的时间，工件的溶解只发生在非常靠近微细电极表面被极化的双电层很小的区域内，双电层的空间约束控制电解的形状精度与尺寸精度，加工精度极高。使微细电解加工的间隙缩小到 1m以内，能实现亚微米级精度的加工9, 89, 90。图 1-10 a) 是Rolf Schuster等在金属Ni上采用超短脉冲利用成型加工方法一次性加工出的复杂结构，复杂结构包括直线、三维结构、阵列等特征90；图 1-10 b)是用 0.01M HClO4+0.1M CuSO4 电 解 液 ， 直 径 10m 的 铂 丝 加 工 出 的 微 结 构 ， 底 部 平 台 为10m15m15m，上部棱柱为 5m10m12m9；图 1-10 c)是在 0.2M HCl 电解液中，用直径 2m 钨丝电极，3ns 脉宽加工出的微螺旋结构，a) b) c) 图 1-10 超短脉冲微细电化学加工出的微结构零件9, 89, 90Fig1-10 Micro parts machined by ultra-short pulse micro-ECM 9, 89, 90- 13 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 深度为 5m89。Rolf Schuster等研制的超短脉冲微细电解加工装置是将电化学三电极测试系统与超短脉冲发生器、间隙控制调节系统等技术集成为一体。加工中，加工间隙通过实时采样电流，反馈到压电陶瓷微进给机构控制间隙。电化学测试是该项研究的关键技术之一，需要严格控制电极电位，实现起来具有一定的难度，而且加工效率低。采用超短脉冲微细电解加工（皮秒级），虽然其加工精度可以达到 20nm90，精度可与LIGA技术相媲美，但是稳定的超窄脉冲电流较难获得，因此限制了对其研究与应用，因此还有待于进一步研究。 韩国国立汉城大学研究人员，在工具阴极和工件阳极旁边用铂片为平衡电极，以抑制不锈钢在加工表面生成钝化层。电解液为0.1M H2SO4 溶液，采用低浓度酸性电解液有利于在微小加工间隙不生成氢氧化物沉淀。采用超短脉冲电流来抑制电解反应区域。用微细电火花制作盘形电极，盘型电极有利于减小杂散腐蚀，提高成型精度。然后用微细电解加工出了微细群孔、窄槽、微棱柱和微半球等结构。如图1-11所示，被加工的半球直径为60m，材 料 为304不 锈 钢 ， 脉 冲60ns， 脉 间 为1s； 所 加 工 的 棱 柱 尺 寸 为 为20m40m85m，被加工工件具有较好的表面质量91。 另外，利用电解进行物体表面的纳米级尺寸结构的加工也引起人们的关注。德国佛里茨.哈尔贝尔研究所的Rolf Schuster等在 STM的探针尖上加超短电压脉冲，使探针尖端周围微小区域内发生电化学反应，在金Au表面加工出直径为5nm、深为0.31nm纳米坑，表现出很强的微细加工能力92-93。 图 1-11 韩国利用超短脉冲电流和微盘型电极加工的微细结构91Fig.1-11 Micro structures machined by micro-ECM with micro-dish electrode91 1.4.2 国内微细电解加工研究进展国内微细电解加工研究进展 我国近几年也开始对微细电解加工进行研究，并取得可喜进展，但与国外研究水平相比还有一定的差距，仍处于研究起步阶段。目前主要研究- 14 - 第 1 章 绪论 机构有清华大学、南京航空航天大学、厦门大学、哈尔滨工业大学等。 清华大学微细电解加工的研究清华大学微细电解加工的研究 清华大学李勇教授等采用化学气相沉积(CVD)方法给微细电极侧壁进行部分绝缘化处理和使用脉冲电源，来实现微细电解的定域加工。自行研制微细电解加工装置，进行微小孔和微细结构加工的探索。在 10%的NaClO3电解液、脉宽和脉间都为 0.5ms、利用直径为 180m的微细电极在 300m的不锈钢上加工出 220m的微小孔，如图 1-12 a)所示。采用侧壁绝缘的微细电极进行微细电解逐层扫描加工方式进行微结构加工，如图 1-12 b)所示，在 300m不锈钢上加工出宽度最窄为大约 150m的悬臂梁。由于电极侧面进行化学气相沉积(CVD)进行部分绝缘化处理，所以电极本身不能太细，这就会影响微细电解加工微小尺寸的能力95。 a) b) 图 1-12 a)微细电解加工的微孔 b)采用微细电解工艺制作的微结构95Fig.1-12 The micro-hole and microstructure machined by micro-ECM 95 南京航空航天大学微细电化学研究进展南京航空航天大学微细电化学研究进展 南京航空航天大学朱荻教授等采用超短脉冲进行微细电解加工研究，图 1-13 a) 是以微电极直写加工方式在金属镍片上加工的“ECM”字样，线宽 30m。图 1-13 b)所示的是采用该技术加工微十字槽，槽宽 30m，镍片厚 40m，加工中杂散腐蚀得到很好的抑制，得到较好的加工效果96。 a) b) 图 1-13 利用超短脉冲电解加工的微细文字和微十字槽96Fig. 1-13Micro-letters and micro cross groove by micro-ECM96- 15 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 厦门大学约束刻蚀剂层技术厦门大学约束刻蚀剂层技术 厦门大学的田昭武院士等提出的约束刻蚀剂层技术(CELT: Confined Etchant Layer Technique)，是用于三维超微（纳米）图形复制加工的新技术。该方法的基本原理是通过电化学反应或其他湮灭方式来消除自电极向外扩散得较远的刻蚀剂，从而达到约束刻蚀剂层的目的。CELT是一种即与现有的传统铸模工艺和IC以及LIGA工艺不同而又相互补充的新型电化学加工技术。其最大的特点能够在半导体、金属、陶瓷、玻璃等多种材料上实现三维立体微结构的加工与复制，作为现有微细加工方法的补充方法还在进一步发展完善中97, 98。 1.5 课题来源及研究目的和意义课题来源及研究目的和意义 1.5.1 课题来源课题来源 本课题为国防基础科研计划研究项目微细特种加工多功能加工平台研究的一个组成部分，是基于多功能加工平台进行微细电解加工研究。 1.5.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 随着产品的微型化、精确化、轻量化，微细加工是当今制造业最为活跃的研究方向之一，它在许多领域有着重要和广阔的应用前景，在国防工业的作用尤为重要，因此发展微细加工也就迫在眉睫。LIGA技术、微细切削技术、微细电火花技术、微细超声加工技术和微细激光技术等都是很好的加工方法，然而这些微细加工方法在各有优点的同时，亦各有一定的局限性。 微细电解加工的材料去除是以“离子”溶解的形式进行的，金属离子的尺寸在十分之一纳米数量级甚至更小，相对于其它微细加工方法，这种以“离子”方式去除材料的微去除方式使得电解加工技术在微、纳米加工领域存在着极大的研究探索空间，从加工机理上来说更适合 MEMS 器件的微细加工。微细电解加工具有被加工工件表面无变质层、无残余应力、粗糙度小等优点，另外其成本较低，加工效率高，工具无损耗，不需考虑工件材料的强度、硬度等机械特性，绿色加工、污染小，这些特点是其它特种加工方式所不全具备的。尤其是高频、窄脉冲电流在电解加工中的应用，定域加工能力大大增强，为电解加工在微细加工领域的应用提供了可能。因此，这种微去除方式使得电解加工在微细制造领域有潜在的重要应用前景。 - 16 - 第 1 章 绪论 电解加工所表现出来的微细加工能力和具有的独特优点，目前已引起国内外学者的密切关注和广泛研究。近年来，国外发达国家对微细电解加工展开了大量的试验研究，在某些方面已经取得了突破性进展。然而我国目前在微细电解加工研究方面处于初步阶段，与国外研究水平相比有很大差距。因此，如何利用电解加工离子级的蚀除机理，挖掘其微细加工能力，探索微细电解加工工艺，使其成为微细加工主流技术之一，是很有研究前景的课题。 本文所做的工作是研制微细电解加工装置，将高频窄脉冲电源、低浓度的钝化电解液和低加工电压应用到微细电解加工中，探索微细电解加工工艺，使其加工间隙降低到 10m 左右而获得较好的加工精度和较高的加工效率，从而实现微米级尺寸的微细电解加工。为具有导电性的 MEMS 金属器件加工提供了一种清洁、高效、高精度、低成本的新方法，对微细加工工艺的完善及 MEMS 实用化有一定的推动作用。 1.6 研究的主要内容研究的主要内容 (1) 分析微细电解加工的机理和加工特点，提出研究微细电解加工系统的设计要求； (2) 完成微细电解加工系统的总体方案设计，基于多功能加工平台，对微细电解加工系统的各关键组成单元进行设计和研制，研制出具有耐腐蚀、适应电解加工要求的高精度加工装置。该装置应具有很高的定位精度和低速进给的稳定性，并利用该多功能加工平台的综合优势，采用微细电火花加工技术在线制作微细电极，提高加工精度； (3) 设计高频、窄脉冲微能微细电解加工电源，还包括加工状态检测电路、电源保护电路和伺服控制系统设计，实现在加工过程中微小加工间隙的检测与控制，从而有效控制加工精度； (4) 利用研制的微细电解加工系统进行微小孔加工试验，通过工艺试验，探索加工参数、电极形状和电解液种类等对微小孔加工效率、加工精度的影响规律，探索微细电解加工的微细加工能力； (5) 针对成型电极在微细加工中暴露出的缺点，本文提出利用旋转微细电极进行微细电解铣削加工新工艺，通过工艺试验探索各加工因素对微细电解铣削加工的影响规律，并加工出一些具有大纵横比的典型微结构样件。 - 17 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 第第2章 微细电解加工中的若干基础问题研究章 微细电解加工中的若干基础问题研究 微细电解加工(micro Electrochemical Machining，micro-ECM)是指在微细加工范围内(1m1mm)，利用电解加工工艺得到高精度、微小尺寸零件的加工方法。其加工精度必然比常规电解的加工精度要求高。电解加工间隙要维持在很小的范围内（一般几m-0.1mm） ，以求得高的形状精度和微小的加工尺寸10,11。 2.1 电解加工原理电解加工原理 电化学制造技术按原理可分为两类，一类是基于阴极沉积原理的增材制造技术，如精密电铸、刷镀等，另一类是基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工、电解抛光等。这两类技术有一个共同点，无论是材料的减少还是增加，加工过程都是以离子的形式进行的。要实现微细加工，首先要解决其加工单位的微细化问题，既单位加工量尽可能地少。在电解加工过程中，材料的转移是以离子尺度进行，由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm 级)，这在加工原理上解决材料“切削量”的微细化问题。因此，相对于其它“微团”去除材料方式(如微细电火花、微细机械磨削)，这种以“离子”方式去除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微、纳米加工领域存在着极大的研究探索空间9。 图2-1为微细电解加工原理图。电解加工系统是一个由两类导体串联形成的电化学系统，电子得失的电化学反应发生在两类导体界面，即电极的双电层。由于双电层的形成，在界面上就产生一定的电位差，即电极电位，在一定外加电压下，电极电位偏离，使界面发生电化学反应。其导电过程的机理是在外电场作用下，金属导体中的自由电子定向运动，电解液中的正、负阳极 H2M+nieie阴极 图2-1 电解加工原理 Fig.2-1 The principle of electrochemicalmachining - 18 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 离子分别向阴极、阳极移动，在双电层上进行有电子参与的电化学反应，既电极反应，如此而形成完整的导电回路。由于双电层电荷间距为10-10m数量级，双电层场强相当大，使本来不能进行的化学反应变得可以进行。工件作阳极，在其表面的金属原子M失去电子成为金属正离子M+n溶入电解液而逐层地被电解下来，使工件尺寸、形状发生变化，实现加工的目的。 从加工机理上来说是离子去除，因此可达到微细加工的目的。根据法拉第定律，阳极金属溶解的质量（M）和溶解的体积（V）分别为： ItQM= (2-1) ItItV= (2-2) 式中 M阳极溶解的质量； V阳极溶解的体积； Q通过界面的电量； 质量电化当量； I电流强度； t电流通过的时间； 阳极金属的密度； 电化学当量。 由式（2-1）和（2-2）可知，只要控制电流密度大小、电化学反应区域和电流通过的时间，就可以控制工件的去除量和去除速度，实现电化学微细溶解，又由于电解过程中没有宏观作用力产生，不需考虑工件材料的强度、硬度等机械特性，加工表面不产生应力，因而具备实现微细加工的基本条件。电解加工技术具有优良的加工机理，在微细加工领域具有很大的发展潜力，但电解加工的杂散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，加工间隙大，其加工的微细程度目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比，因此需要在加工工艺和装置上不断创新，才能实现微细电解加工。 2.2 微细电解加工的特点微细电解加工的特点 微细电解加工的目的是获得符合形状和精度要求的微小尺寸零件，此外还要求有高的加工效率和好的零件表面质量。目前，虽然有些领域已开始采用电解加工进行微细加工，但是，电化学溶解加工的杂散腐蚀及间隙中电- 19 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 场、流场的多变性严重制约了其加工精度，电解加工还不能称为精密微细加工技术，微细电解成型加工还处于研究起步阶段。近年来，高频、窄脉冲电流电源在电解加工中的使用能导致集中蚀除能力的强化，散蚀能力减弱，使得以离子状态蚀除金属的电解加工在微细加工领域的应用成为可能。 微细电解加工的加工机理与常规电解加工的机理相同，都是在电场作用下阳极工件表面以“离子”方式溶解去除材料以达到加工目的的一种加工工艺。常规电解加工拥有如下特点：加工速度仅与阳极金属的原子量、原子价、通过的加工电流及电流通过的时间有关，与金属的强度、硬度等机械特性无关。在阴极只有氢气产生。因此，在加工过程中，阴极的形状不会发生变化，加工过程中工具电极不损耗，可长期使用，适合于批量加工，可节省制作电极的时间和费用。加工后的表面质量好，既没有残余应力、变形和毛刺，也没有凹坑、再凝固层和翻边。易与机械加工及其他特种加工方法相结合形成复合加工，如电解磨削、电解电火花复合加工、超声电解等。另外，微细电解加工与微细化学去除加工相比，具有加工效率高，可以加工化学性质很稳定的金属材料，如钛、不锈钢等，而且电解液少而且毒性小，处理容易102,103。由于在微细电解加工中被加工的工件尺寸结构微小，因此要达到加工的尺寸精度和表面质量要求，微细电解加工除拥有传统电解加工上述特点外，还应有不同于常规电解的特殊工艺特点和加工要求。和常规电解加工相比，微细电解加工中其加工对象的尺寸通常在 1999m范围内，远小于常规电解加工范围，而且由于其加工尺寸的微小，势必要求具有比常规电解加工更高的加工精度，需要严格控制加工过程中加工间隙的大小，两者在机床结构、进给控制方式、加工电源选择、流场设计、电解液选择、电极设计等各个方面都不大相同。微细电解加工的特点： （1） 微细电极加工困难 微细电解的加工尺寸决定了必须采用微细电极，而且微工具电极的形状精度和表面质量对微细电解加工中工件的精度有直接的影响。因此，在微细电解加工中微电极的制作非常困难。采用微细电火花块反拷加工、微细电火花线电极磨削加工、集中离子束加工等方法能够较好地制作微细电极。在本文中利用多功能微细加工平台的综合加工能力，采用微细电火花加工技术在线制作微细圆柱电极，提高了制作和安装精度，进行微小孔加工和研究通过多轴运动数控系统控制微细圆柱电极的运动轨迹，加工出各种形状的微结构。微细圆柱电极也可以采用电化学方法制作。 微细电极材料应该具有良好的热导性、电导性、抗腐蚀性、可加工性和具有一定的刚性，以防止在加工过程中由于电解液的冲击微细电极发生颤- 20 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 动。适合作工具电极的材料有铂、钨、钼、钛和不锈钢等，选择何种材料应根据其电化学和机械特性，还有所加工工件的材料来决定。为了获得高的精度，减弱杂散腐蚀，有些学者采用PVD或CVD给微细电极表面涂绝缘层，进行区域绝缘处理，如SiC或Si3N4，抑制杂散电流，取得较好效果95。 （2） 对电参数的要求与常规电解加工不同 微细加工材料需要的去除量微小，加工精度要求很高，为了避免大电流密度的杂散腐蚀作用，电解作用须在低电位、微电流下进行2。因此，微细电解加工采用较小的加工电压，通常为 410V。微细电解加工的加工电流更是远远小于常规电解加工的情况。在采用非线性电解液的加工中，越低的电流密度意味着越低的电流效率，也就更容易将微细电解加工间隙控制在更小的范围内进行，有利于加工精度的提高。微细电解加工中采用高频窄脉冲电源可以有效地避免由于加工间隙内电解液成分变化及温度升高等造成溶液电导率增加所带来的加工精度降低问题，而且可以在脉冲间隔时间内冲刷电解产物，补充新鲜电解液，保证微细电解加工的稳定性。此外，由于微细电解加工中加工间隙很小，对脉冲电源输出要求很精确，微小的输出变化将对加工精度和过程稳定性产生很大影响，并且要求脉冲电源能输出较高频率和较窄脉宽的电流，而对电源的输出功率要求很低。 （3）加工间隙很小 在微细电解加工中，被加工工件的尺寸都在0.11mm，为了保证微细电解的加工精度，必须采用小间隙加工。加工间隙只有在 1020m 范围内才能获得较高的加工精度，同时要改善微小加工间隙内电解液的流体动力学条件，建立合理的流场，保证电解产物排除顺利。通过降低加工电压和电解液浓度，高频窄脉冲电流微细电解加工能够将加工间隙控制到几 m 大小。 （4） 微细加工对电解加工设备提出了更高的要求 如机床的高定位精度及低速进给的稳定性、电解液系统的高清洁度及参数的稳定等，这些都需要引起足够重视。 （5） 控制微细电解加工稳定性困难 影响电解加工间隙稳定性的参数很多，控制比较困难，不易达到较高的加工精度和加工稳定性。在微细电解加工过程中，要保证小的加工间隙和加工间隙的稳定性，提高加工精度，必须实现加工过程自动检测与控制，实时补偿加工参数变化对加工精度的影响，从而有效地控制加工精度。 综上所述，微细电极制作的精度、电解液的选择、微小加工间隙内电解液流动状况的改善、实时的伺服控制和稳定的微能高频脉冲电源的实现等是- 21 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 实现微细电解加工的关键。 2.3 微细探针的制作试验微细探针的制作试验 为了认识微细电解加工机理和探索电解加工的微细加工能力，本文首先进行了采用电解方法制作微细探针试验。微细探针已被广泛地应用到微细加工、电化学和细胞生物学等领域，如在医学上探测细胞使用的微细探针，细胞尺寸大约为 2m99，探针的前端圆弧半径应为几百纳米以内，还有隧道扫描显微镜和其他隧道效应显微镜的探针也是采用电化学方法加工的。本文采用高频窄脉冲电源、碱性电解液NaOH、静液加工来进行电解加工微细电极，能够获得高质量表面精度达到镜面效果的微细探针。 2.3.1 试验方法与成型原理试验方法与成型原理 加工装置如图 2-2 所示，包括精密进给装置、电流检测模块和电压电流可调的脉冲电解微能电源。 图 2-2 试验加工装置示意图 Flg.2-2 Sketch map of Experimental setup 电解方法制作微细电极和制作微细探针，选用较低浓度的 NaOH 电解液和较低的脉冲加工电压，这时加工电流密度小，被加工的电极呈正锥型，容易加工出尖部圆弧半径很小的微细探针。试验中，温度在 30下，加工电压为 2V，脉冲频率为 20kHz，脉宽为 25s，NaOH 电解液浓度为35g/L，工件为直径为 0.5mm 的钨棒。 在室温下将被加工的直钨金属棒垂直地插入NaOH电解液中，通过调整进给系统和脉冲电源的电压和电流，调整适当的加工条件，使得阳极钨丝发- 22 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 生溶解反应100： +6eO4HWO8OHW224阴极发生析氢反应： +2OHH2eO2H22微探针微细电解加工成型过程受到几何效应和扩散层效应的影响87。由于微细轴的几何效应，工件尖端电荷高度集中，电极表面的材料优先在曲率大的地方溶解去除，即在凸出的部位优先溶解，所以在钨丝的尖端比钨丝的侧面要优先溶解，被加工的微细轴先出现正锥型探针。因为采用的加工电压较低，溶解的WO42-离子迅速向溶液中扩散开，在电极丝周围不能形成保护层来阻碍OH-到达阳极，所以电极丝端部溶解迅速，最终形成锥状探针。 脉冲电流电解加工的实质是利用有规律的间歇供电进行加工，在脉冲电流加工时阳极发生电化学溶解，从而达到去除电极表面材料和改善电极表面质量的目的。加工时，由于脉冲电流的作用和阶跃变化，使电解液发生振荡而产生压力波，通过压力波的搅拌作用明显改善电解液的流体动力条件，析气、析热得以及时充分地排除。 2.3.2 试验结果和分析试验结果和分析 微细电解加工以“离子”方式蚀除的加工机理决定了微细探针加工的优越性，在低电流密度下，对微细探针表面有抛光作用，电解加工出的微电极和微探针表面光滑，获得很低的粗糙度，达到镜面的效果， Ra0.01m。图2-3所示的是通过调节电流密度微细电解加工制作的直径较均匀的60m微细电极。 微细电火花加工是一个比较好的加工微细轴的方法，但由于微细电火花加工蚀除机理是通过金属的熔化、气化以及介质的汽化都具有明显的爆炸特征，爆炸力将熔化和气化的金属抛入周围的工作液介质中。在电极表面上就形成了蚀除凹坑。由于电火花加工是基于放电时的热过程，因而放电之后 图2-3 微细电解加工的微细电极CCD图片 Fig.2-3 micro electrode and nano-scale probe machined by micro-ECM - 23 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 在电极表面所形成的放电凹坑。因此，即使很小的能量加工也难以获得光滑的表面。图2-4是分别采用微细电解加工的微细电极和微细电火花块拷贝加工的微细电极，从图中可以看出加工表面有很大的差别，微细电解加工的微细电极的表面质量要远远好于微细电火花加工的微电极质量。由于微细电解过程中，阳极金属以离子方式溶入电解液中，采用较低的电解液浓度和较低的加工电压，对微细探针起到电解抛光作用，从而获得光滑的加工表面，被加工的微细探针很光滑，能达到镜面效果。在加工过程中，工具与工件间不存在宏观切削力，而且被加工表面不会产生应力，只要精细地控制电流密度，加工时间和电解部位，就可以实现微细加工，甚至纳米级加工。从图2-4 a)可知，微细电解制作的探针尖是亚微米级，通过微细探针的制作验证了电解加工的微细加工能力及以离子方式蚀除金属加工机理的优越性。因此，采用浓度很低的电解液和很低的加工电压，就能得到扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM的微细探针，也可以得到在医学上作为探测细胞使用的微细探针。 a) 微细电解加工的微细探针 b) 微细电火花加工的微细电极 图 2-4 微细电解加工与电火花加工制作的微细探针表面质量比较 Fig.2-4 Surface contrast between two probes machined by micro-ECM and micro-EDM respectively 2.4 超短脉冲微细电解加工机理超短脉冲微细电解加工机理 超短脉冲电流微细电解加工机理是：在电解加工中，由于金属/溶液界面上存在具有电容特征的双电层，电解液又具有一定的阻抗特性，因此加工间隙可近似等效为RC电路，如图2-5所示。电解液极间阻抗与极间距离成正比，双电层的电容量与极间距离无关。电容的充、放电过程由时间常数 决定，=cd，为电解液的电阻率，c为极间电容大小，d为极间的距离大小。电极底面与工件表面的距离要大于电极侧面到工件表面的距离，所以- 24 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 R nRw。在超短脉冲电流的情况下，工件被加工区域时间常数小，过电位高，电流密度大，工件材料的电化学蚀除量大；而非加工区时间常数大，电容充电还未达到幅值就进入脉冲间歇断电阶段，过电位低，电流密度小，几乎不发生电化学反应。因此，通过控制脉冲宽度，利用超短脉冲能提高定域能力，减小杂散蚀除。脉冲宽度越小，微细电解加工精度就越高9。 图2-5 超短脉冲微细电解加工原理101Fig2-5 Principle of ultra-short pulsed micro-ECM101当极间电压为0时，极间双电层的充电电压c为： tttc00)exp(1 ()(= （2-3） 根据ButlerVolmer方程，在电解加工的加工电流为 )exp()exp(000cdtfifiic= （2-4） 式中 i0交换电流密度； 传递系数； 常数 f大小为 f=F/(RT)，其中F是法拉第常数；R是气体常数；T是绝对温度。 根据法拉定律，电解加工速度与电流密度成正比，从式（2-4）可知，加工速度可以通过对加工电压、脉冲宽度和电解液浓度进行控制，也可以通过极间距离进行控制。加工间隙越小，则加工速度就越高，定域加工能力就越强，于是控制加工间隙的大小是超短脉冲微细电解加工的关键环节91。德国Rolf Schuster采用纳秒级脉宽将加工间隙控制在1m左右，日本的阿部敬行等人采用20s脉宽在钝化电解液中也将微细电解加工间隙控制在5m大小，因此可以将电解反应控制在很小的范围内，获得高的成型精度和微小加工尺寸9,101。 - 25 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 2.5 高频窄脉冲电流电解加工高频窄脉冲电流电解加工 2.5.1 高频窄脉冲电流电解加工特性高频窄脉冲电流电解加工特性 微细电解加工中，高频、窄脉冲电源是最重要的核心技术之一。从加工机理上讲，高频、窄脉冲电源在电解加工过程中会在加工间隙中出现特殊的物理、化学特性，使得高频、窄脉冲电解加工在尺寸精度、形状精度、表面质量、加工效率、加工过程稳定性方面有很大的提高，其原理如图2-6所示。高频窄脉冲电流电解与普通直流电解加工相比，加工间隙电解液的流场大大改善，使得极间加工间隙显著减小，从而极大地改善电化学加工工艺性。通过直流电解和脉冲电流电解加工进行比较，可以发现脉冲电流对小间隙微细电解加工十分有利。如图2-7所示，采用直流电解加工随着电流密度i的上升电流效率逐渐上升，而采用脉冲电流电解加工随着电流密度i的上升电流效率快速上升，脉冲电解的did比直流电解did增大，并且加工效率曲线右移，这样有利于提高微细电解加工的定域加工能力，能获得很好的形状精度2, 105, 106。 图2-6 脉冲电源 图2-7 电流密度与电流效率的关系2Fig.2-6 Pulsed power supply Fig.2-7 Current efficiency vs current density 2在采用直流电解加工中，只能调节电流密度来改善工艺效果，而脉冲电流电解加工中提供了更多的可调参数，不仅可以通过调节电流密度，而且可以调节脉冲的脉宽和占空比来调节工艺效果，使得加工质量有明显改善。在脉冲电流加工中，影响间隙流场特性和电极电化学性质的根本因素是脉冲电流产生压力波对极间电解质的搅拌作用和反向电流对电极的去极化作用。充分利用了反向电流和压力波在微细加工中的有益作用，改善了加工工艺，获- 26 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 得了良好的加工效果。对于高频、窄脉冲电源，其高频脉冲更加充分地拓展了反向电流和压力波等脉冲电源所具有的优点，因此使得加工精度提高。 微细电解加工中，为了获得高的加工精度，降低加工间隙到1020m范围内，这时在加工间隙内电解产物的浓度增加而且电解产物难以排除，因此在加工间隙内的电解产物很容易在工件和电极上沉积，使加工难以进行。同时，由于电解液浓度的变化和温度的变化引起电解液电导率的变化，因此反过来电解加工的成型精度受到影响。为了改善微细电解加工的形状精度，应该采用较小的加工间隙，但狭小的加工间隙的大小受微火花的制约。采用高频、窄脉冲电流电源能很好地解决这些问题。在很短的脉冲加工时间内，生成的电解产物，如电解反应生成的沉淀、析出的氢气和产生的电解热就很少，合理设置脉冲电源的占空比，使这些电解产物在脉冲间歇可以被完全冲去，电解产物就不会在工件和工具电极上产生沉淀，保证加工的一致性，从而获得较好的形状精度、尺寸精度和加工表面质量。 2.5.2 高频窄脉冲电流使得加工间隙的缩小和均匀化高频窄脉冲电流使得加工间隙的缩小和均匀化 图2-8是J. Kozak 从热力学角度对间隙发热过程进行简化的理论计算得出的结果107。它忽略气泡对间隙的影响， 定性地显示了随脉宽的减小相应的最小稳定加工间隙减小和允许的最大蚀除速度提高的规律。 图2-8 不同脉宽条件下蚀除速度与加工间隙关系107Fig.2-8 Relation between feed rate and machining gap at different pulse width 107从图中还可以看出， 脉宽减小的综合效果反映在d/d的显著增大，它直接表明了集中蚀除能力随脉宽减小而加强的规律。选择恰当的脉冲宽度和脉冲间隔，可以让电解液在脉冲间隔内充分冲刷带走加工间隙内的电解产物，保证微细电解加工按一定规律稳定进行。在试验和生产应用中发现高频- 27 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 电流相对于低频电流而言，其加工效果更好，整平效果更明显，其原因是高频脉冲电流在加工中，除了电化学本身的作用外，高频电流作用产生的振荡冲击使电解液的更新加快，改善了极窄小的加工间隙中电解液的充填状态，解决了“小间隙加工工艺”中电解液容易滞流、加工热量不易排出、废渣难于清除的问题，使小间隙加工的优越性得到了更好的发挥，而且可以在脉冲间隔时间内冲刷电解产物，补充新鲜电解液，保证微细电解加工的稳定性107-110。 2.6 微细电解加工中电解液的选择微细电解加工中电解液的选择 2.6.1 不同电解液对微细电解加工的影响不同电解液对微细电解加工的影响 微细电解加工过程中，电解液必须具有较好的集中蚀除能力，弱的散蚀能力，也就是说必须具有较强的定域加工能力。高精度的微细电解加工中，加工间隙应被控制在1020m之间，在如此小的间隙内电解产物排出比较困难，需合理选择电解液。如果采用酸性电解液(如HCl、H2SO4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，但加工中杂散腐蚀比较严重，加工精度低104。NaCl杂散腐蚀严重，也不宜于微细电解加工。而钝化电解液(如NaNO3、NaClO3等)对提高加工精度有利，所以在微细电解加工中一般选用钝化电解液，但阳极工件的不溶性电解产物很容易造成间隙堵塞，阻碍电化学反应的继续进行，甚至导致短路的发生。使微细电极高速旋转，有利于电解产物的排出和新鲜电解液的供给，提高加工精度。高频、窄脉冲电流微能脉冲电源的使用，也大大减轻了电解产物沉积现象。为了尽可能防止微细电解加工过程中电解液产生糊状氢氧化物沉淀而导致加工间隙出现电击穿现象，可加入酸性盐NaHSO4或络合剂Na4P2O7，促进阳极溶解，提高电流效率。另外，在微细电解加工中，电解液的性质，如流速、成分、温度等都会对微细电解加工精度产生影响。 2.6.2 钝化电解液钝化特性钝化电解液钝化特性 常用的电解液基本上可分为两类：一类是钝化电解液，即含氧酸盐；另一类是非钝化电解液，即卤素族盐。常见的钝化电解液是硝酸钠(NaNO3)和氯酸钠(NaClO3)。常见的非钝化电解液，如氯化钠(NaCl)。在钝化电解液- 28 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 中，如NaClO3溶液，金属Fe等在这类电解液中的极化曲线E-i如图2-9所示，当阳极电位处于某范围时，由于金属表面生成一层钝化膜使电流密度降得很低，因此电流效率是随着电流密度的改变而变化的。Fe 在NaCl电解液中则始终处于活化溶解状态，随阳极电位的增加电流密度而增大。 图 2-9 极化曲线 Fig.2-9 Polarization curve 金属Fe在NaClO3和NaCl电解液中的电流效率曲线如图2-10所示。将极化曲线和电流效率曲线联系起来看，正是因为Fe在NaClO3电解液中有钝化现象，当电流处于维钝状态，金属几乎不溶解，因此电流效率很低，接近零，随着电流增大，钝化膜破裂，达到过钝化状态，金属开始溶解，电流效率迅速增长；而Fe在NaCl电解液中由于不钝化，在较大的工艺参数范围内，电流效率均接近100%。用钝化电解液进行电解加工时，加工面进行电解加工实际工作在超钝化区，而非加工面（已加工面）则处于钝化区。如图2-9所示NaClO3的极化曲线的钝化区cd段的电流相当于图2-10电流小于iB的情况，只有当电流大于iB时，金属的阳极溶解才能发生。 图 2-10 电流密度与电流效率之间的关系 图 2-11 电流密度与加工速度之间的关系 Fig.2-10 Current density vs current efficiency Fig.2-11 Current density vs speed - 29 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 由于NaClO3钝化电解液在微细电解加工时会有很好的定域性，所以能产生形状精度较好的加工形状和较光滑的加工表面。这种效果的取得与电解液的钝化效应有关，如NaClO3能有较好地从超钝化区向完全钝化区转变，在离加工电极较远的地方生成氧化膜，阻碍电解反应的进行。在加工时，因为电流密度比较低，采用NaNO3或NaClO3钝化电解液更能体现出其优越性。NaCl电解液的电流效率一般变化很小，接近100%，通常不随电流密度大小的变化而变化，而NaClO3电解液的在电流密度不同时，会出现大幅度变化。从图2-10可知采用NaClO3钝化电解液在很低电流密度i区接近零，就会出现切断电流密度iB，此时金属材料就停止溶解。尤其是采用低浓度的钝化电解液，电流密度随加工间隙的增大降低得越来越显著。这个间隙是与“切断电流”对应的，称溶解速度为零的间隙为“切断间隙” ，如图2-11所示。 “切断间隙”是钝性电解液特有的，因为在NaCl活性电解液中，即使工件与阴极相距很远的部位，溶解速度也不会等于零。在微细电解加工中，通过采用较低浓度的钝化电解液，得到较低的电流密度，所以会有比常规加工更低的，能得到比常规加工更小的加工间隙，提高加工精度。 由于NaClO3或NaNO3钝化电解液在加工过程中由于在杂散电流非加工区工件表面产生氧化层和析氧，所以非线性加工效果明显，散蚀能力大大降低，阳极溶解主要集中在与阴极最为接近的区域内，加工精度明显提高。因此，在微细电解加工过程中，采用中性的钝化的电解液(如NaNO3或NaClO3)能产生较好的加工精度。 2.7 影响微细电解加工速度的主要因素影响微细电解加工速度的主要因素 加工速度的计算公式为： FAIi= （2-5） =EUUiR （2-6） ItwF= （2-7） 式中 金属的溶解速度； - 30 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 电流效率； i电流密度； A加工面积； F法拉第常数； 阳极金属的化合价； 阳极金属的原子量； 阳极金属的密度； 电解液导电率； UR极间欧姆压降； U阴极阳极之间的电压； E阴极阳极电极电位总和； 加工间隙； I电流强度； 阳极溶解的质量； w t加工时间。 从式(2-5) 可看出，影响加工速度的主要因素有电流效率和电流密度。 (1) 电流效率对加工速度的影响 电流效率是电解液的加工性能之一，从式(2-7)可知，它不仅取决于电解液本身(如电解液的浓度和温度)，而且与被加工材料有关，是二者相互匹配的结果。此外，电流效率还与加工电流密度有关。从式(2-5)可以看出，电流效率的增大会引起加工速度的加快。 (2) 电流密度对加工速度的影响 电流密度一方面通过影响电流效率来影响加工速度。如在NaCl 等活性电解液加工的情况下，值基本保持在100%，-i 曲线体现为线形关系，而微细电解加工通常采用的是NaNO3 、NaClO3等钝化性电解液，其-i 曲线体现为非线形关系，当i 的值小到一定程度时，的值降为零， 因此， 加工过程中i 值必须大于切断电流密度iB。另一方面，电流密度直接影响加工速度。从式(2-5)可以看出，i值的增加有利于提高去除速度(阳极金属溶解速度)，但去除速度太快，阳极表面的离子浓度超过饱和极限时，极间电解产物就会在阳极表面形成一层薄膜，会阻止反应的进行。如果电解产物得不到及时清除，加工区就易发生蒸发、沸腾、空穴等异常现象，导致出现结疤、短路等故障而使加工中断。因此，要保证电解液的流量足够大，以带走电解产物和热量。 - 31 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 2.8 影响微细电解加工精度的主要因素影响微细电解加工精度的主要因素 在微细加工领域引入电解加工，其中要解决的一个关键就是减小电解加工间隙，提高加工精度。如果间隙足够小，那么加工的成型精度就高，将电解加工用于微细加工的效果就越好。在微细电解加工中，加工间隙应控制在1020 m 之间。目前，通过降低加工电压和电解液浓度，已成功地将加工间隙控制在10m 以下。 根据法拉第定律和欧姆定律，可推导出 fb)(EUD= （2-8） +=ffbb)()(dEUEUdddd （2-9） 式中 b平衡加工间隙的大小； 电解液电导率； U - E 极间欧姆压降； D占空比系数； i阳极表面电流密度； f加工进给速度。 微细电解加工的极间间隙是直接影响到加工零件的形状和尺寸精度的关键因素，实现小间隙加工是提高加工精度的有效途径。影响间隙大小的因素很多，如加工电压、电流脉宽、工作液、工件材料等。电解加工中，加工间隙的微小变化会在工件表面上产生微观的凸凹不平，这可能超出工件微细加工的范围。由平衡加工间隙式(2-8)可得其全微分式(2-9)，从式(2-9) 可看出，影响加工间隙误差的参数首先是加工间隙自身的大小，其次是加工电压、进给速度、电导率和电流效率。 (1) 电压对加工精度的影响 加工电压是电解加工过程中可调的参数之一，是使电解加工得以进行的原动势能，它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流场，从而确保达到所选用的电流密度。其大小随电极体系分解电压的高低而定，加工电压越高，加工间隙就越大，相应产生的加工误差也就越大，零件的加工精度也就越差。因而，微细电解加工过程中，在确保满足所要求的电流密度时，加工电压尽量取下限。 - 32 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 (2) 进给速度对加工精度的影响 增大进给速度有利于减小加工间隙，从而提高加工精度，但进给速度过快，又容易造成短路而烧伤工件表面。因而，在微细加工中，可以采用宏微进给机构(如：加工时利用压电陶瓷驱动器实现纳米级微量进给，加工到最大伸长量时用步进电机快速送进的机构)，以实现小间隙加工、大间隙冲刷的脉冲供电加工32。 (3) 电导率对加工精度的影响 电导率属于电解液的固有性能，从式(2-6)和式(2-8)可看出，电导率直接影响加工间隙和电流密度等工艺参数，并最终影响加工精度和加工效率。影响的主要因素有电解液的成分、浓度和温度。试验表明，在低浓度范围内，浓度改变引起电导率变化的幅度大，而高浓度的电解液又不利于微小间隙的形成。因而，为保证加工精度，要对浓度进行严格的控制。相对而言，温度对电导率的影响要小得多。 此外，电解液流速是影响加工精度的一个重要因素。由于工件尺寸小、刚度低，如果流速太高，则可能会破坏工件。因此，微细电解加工常在静液或相当于静液的电解槽中进行，加工产物很难及时得到排除，间隙中所流过的介质为气液二相流，这对电解液的电导率和密度也有很大影响。解决办法是能够使系统对流速进行合理选择和控制，本文采用微细电极高速旋转，有利于微小加工间隙流场的改善，对深微小孔加工采用旋转的削边电极。 (4) 脉冲频率对加工精度的影响 在高精度的微细电解加工中，加工间隙应被控制在几微米左右，在如此小的间隙内电解产物排出比较困难，需合理选择电解液。采用低浓度的酸性电解液(如HCl、H2SO4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，但加工中杂散腐蚀比较严重，加工精度低。为了解决排出电解产物和提高加工精度的矛盾，出现了超短脉冲电流电解加工技术。当脉冲电源的频率提高到兆赫量级(MHz)，脉冲宽度减小到纳秒量级时，可以显著地减小电解加工的杂散腐蚀，提高定域蚀除能力。因此，将超短脉冲电流和酸性电解液相结合，可以将加工精度提高到微米、亚微米级。更高频、超短脉冲微细电解加工技术无论是从理论上还是已进行的研究均表明，电解加工精度随脉冲宽度的减小而提高。尤其是对微细电解加工来说由于工作电流小，有可能得到更高的频率，因而可以获得更高的加工精度。图2-12 a)为德国R.Schuster 等在金属Ni上采用不同脉宽的超短脉冲在0.2M的HCl电解液中加工微槽。从图中可以看出，随脉冲宽度的减小，电解加工精度明显提高。R.Schuster等应用的脉冲频率最高达到200 MHz，脉宽最小达到500ps，在0.1M HCl溶液中，加工的三角曲率半径只有40nm，如图2-12 b)所示89。通过进一步减小脉宽，能获- 33 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 得更高的加工精度。从而显示出超短脉冲电流的微细加工能力和高加工精度效果。 a) b) 图 2-12超短脉冲电流加工的不同宽度窄槽和微结构89Fig.2-12 The grooves and microstructure machined by ultra-short current 89 2.9 影响微细电解加工表面质量的主要因素影响微细电解加工表面质量的主要因素 电解加工表面质量又称电解加工零件表面的完整性，包括加工后表面及表面层的几何、物理、化学性能的变化。电解加工是基于电化学阳极溶解原理，因此其加工表面质量是由各种因素综合作用的结果。其主要影响因素有: (1) 工件材料 要想在工件上获得均匀、光滑的表面，就要求工件均匀溶解，因此，在满足要求时尽量选用金相组织细微均匀的材料作为工件。 (2) 电解液的参数 电解液的成分、温度、浓度、PH值、流场和流速对微细电解加工的表面质量有明显影响。 微细电解加工中，常采用钝化性电解液，以利于阳极表面生成可溶性覆盖膜而产生不完全钝化，便可获得均匀、光滑的表面。由于在加工区电解液的温度上升很快，甚至达到沸腾状态。所以，应尽量选用热容大的电解液以减少温升，防止沸腾，这样有利于实现小间隙加工。浓度也是电解液的一个重要特性，通过降低电解液的浓度，工具阴极和工件阳极之间的间隙可小至数微米。当降低电解液浓度时，效率曲线将会右移，切断间隙将减小，微细电极的尺寸很小，加工电流微弱，电解反应只局限于微细电极周围很小的区域范围，杂散腐蚀现象大大减弱，从而获得所需的形状和尺寸。此外，电解液的PH值对加工表面质量也有一定的影响。PH值过高，阳极表面的氧化膜难以溶解，可能引起被加工表面结疤甚至产生火花、短路。PH值过低，则不易产生氢氧化物沉淀，不易于电解液的净化和加工的正常进行。所以，应适当调节PH值，以确保工件阳极能很好地溶解而不至于损坏工具阴极。电解液的流场和流速也对加工- 34 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 表面产生显著影响，本文采用微细电极高速旋转，利用电解液的粘性，带动电极周围的电解液高速流动，电解产物很容易从微小加工间隙排除，阳极表面不产生沉淀，减少微火花的出现，从而获得较好的加工表面111。 (3) 脉冲特性 脉冲电流电解加工改善表面质量主要体现在选择性腐蚀的减弱甚至消除和表面粗糙度的降低上。用脉冲电流进行电解加工，可利用脉间的断电间隙去极化、散热，使间隙的化学特性、流场、电场恢复至起始状态。此外，通过提高频率、缩短脉宽和减少占空比可提高阳极溶解的集中蚀除能力，降低散蚀能力，改善极间间隙的大小和分布状况，从而达到改善阳极工件表面质量、提高加工精度和加工效率的目的。 (4) 采用小电流密度有利于改善表面加工质量 微细电解加工间隙的微小变化，会引起加工电流密度的变化，于是在工件的被加工表面上会产生微观的凸、凹不平。因此，在微细电解加工中，必须保证加工间隙微观上的一致性，即加工间隙具有对工件被加工表面上的微观凸、凹不平进行自我整平的能力，这样才能获得较为光滑的被加工表面。要使加工间隙具有自我整平的能力，必须增强阳极溶解去除量的变化的显著性，即增强阳极溶解去除量的相对变化对工件表面微观凸、凹不平引起加工间隙变化的敏感性，电流密度的微小不同，引起的去除量不同要明显。由式（2-1）和式（2-2）得： idiiAiAdIdItItdIwdw=)( （2-10） idiIdItItdIVdV= （2-11） 式中 A微细电解加工面积； i电流密度。 要使idi 大，i必须小。由此可知，要提高加工间隙的一致性和较好的被加工表面质量，微细电解加工的电流密度要小。因此，在微细电解加工中应选择低的加工电压和低浓度钝化电解液。采用低浓度钝化电解液的微细电解加工过程中，电流密度随着微细电极空间距离的增加下降的很快，因此采用低浓度钝化电解液能使电解加工的微细加工能力大大增强，获得较高的加工精度。 综合以上影响微细电解加工加工速度、精度、表面质量及加工效率的因- 35 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 素可知，要使微细电解加工得以进行，必须具备的条件有：加工电流密度要小； 加工电压要低；电解液的浓度要低；电解液的流动速度和压力要低； 工件材料的金相组织细微均匀； 采用高频、窄脉冲电流电源；应该保证电解液系统的高清洁度及参数的稳定等。这样可以将电化学反应集中局限在电极周围很小的区域内，提高电解加工的定域蚀除能力，实现微细电解加工。 2.10 微细电解加工过程中微火花产生机理微细电解加工过程中微火花产生机理 微细电解的加工精度包括尺寸精度、形状精度、加工表面粗糙度和表面的完整性。在微细高频、窄脉冲电流电解加工过程中，加工的最小间隙处在一定的工艺条件下会发生微火花放电，尤其在较高的加工电压和较低浓度电解液的微细电解加工条件下，在微小加工间隙内更容易发生微火花。微细电火花的出现会引起工件材料不受限制地被蚀除，破坏被加工工件的加工精度、表面质量和完整性。对导电液中放电的机理有不同的假说，普遍认为电解过程中阴极析氢后，在微小加工间隙内氢气如果排出不畅，氢气积聚在狭小加工间隙之间，在阴、阳极间搭成连续的气泡桥，加工过程中产生的焦耳热使形成的气泡桥延展，当电场强度超过气泡桥耐压强度时就发生击穿放电。首先是阴极释放出电子，电子向阳极加速运动发生电子碰撞，产生更多的电子和离子，出现雪崩效应，这就形成等离子通道，就产生所能见到的微火花。加工过程中产生的焦耳热、阳极表面产生的氢氧化物沉淀、流场的畸变、氢气的排除不畅和高的极间电压是引起不利于微细电解加工的微火花的主要原因112。另外，如果加工电压很低或电解液浓度过低，电解加工中电流密度很小，工件表面产生钝化膜，当加工间隙过小时，工件表面钝化膜被加工电压击穿，也会产生微火花。 一般微火花的出现是短路发生的先兆，微火花和短路的出现会降低被加工工件的加工精度和表面质量，而且会破坏微细工具电极。为了克服上述缺点，微细电解加工过程中，必须选择合适的加工条件，保证微细电极进给速度小于材料蚀除速度；设计快速伺服响应系统；同时改善流场设计，选择适当的脉冲参数，抑制氢氧化物沉淀生成，加强微小加工间隙内新鲜电解液的供给和电解产物排除条件，尤其是析出的氢气排出。 - 36 - 第 2 章 微细电解加工中的若干基础问题研究 2.11 对微细电解加工系统提出的要求对微细电解加工系统提出的要求 电解进行微细加工时材料蚀除量很小，对加工的尺寸精度和形状精度有更高的要求，因此对杂散腐蚀控制提出更高的要求。为了保证被加工工件的形状精度，就必须减小加工间隙和保证加工间隙的一致性。为满足加工过程中有微小的加工间隙，在微细电解加工中应采用低浓度的钝化电解液和低的加工电压，且必须采用高频、窄脉冲微能电源。微小加工间隙增大了加工过程的不稳定，使得微细电解加工变得非常困难。因此对微细电解加工系统要求如下： (1) 随着电解加工应用于微细加工的尝试，对其电源的频率、脉宽和加工电压等输出特性提出了特殊的要求。一方面由于加工工件的微小化，使微细电解加工电源的功率范围较普通电解加工电源小很多，因此加工电源将进一步小型化；另一方面由于微细电解加工在加工精度和加工表面质量方面较普通的电解加工有更高的要求，为了保证较高的加工精度和表面质量，微细电解加工电源应具有更宽的频率调节范围、更精确的可调电压以及方便地产生不同脉宽和占空比的脉冲波形。 (2) 为保证加工尺寸精度和表面质量的要求，微细电解加工的加工间隙应控制在1020m以下，因此要求进给分辨率应该很小，控制在0.1m或更小的范围内。 (3) 为了改善加工性能，减少在加工过程中不稳定因素，微细电解加工装置采用高速旋转主轴的结构带动微细工具电极的旋转，这样在加工过程中不仅有利于改善加工间隙中电解产物排除条件及电解液循环更新过程，而且微细电极带动加工钝化电解液在很小的加工间隙内快速流动，高速冲刷被加工表面，防止电解产物在阳极表面的沉积。另外，微细电极高速旋转也能保证较高的加工精度。因此要求微细电解加工系统的主轴的回转精度达到极高的水准，一般应小于1m。另外，从试验结果验证，微细电极直径越小，加工分辨率就越高，从而能够得到形状精度较好的工件，因此微细电解加工时，应采用直径很小的微细电极。因此，所用的微细电极要求能够在线制作，避免二次装卡，提高加工精度。 (4) 由于微细电解加工的加工间隙很小，极易造成短路，因此其进给伺服控制系统应有足够高的灵敏度，在短路时通过短路检测模块和伺服控制系- 37 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 统能快速地回退电极，消除短路，保护电极不受损坏。为了能加工复杂的微结构，应建立较为完善的数控系统，能实现多轴联动，提高加工能力。 2.12 本章小结本章小结 本章基于电解加工是以“离子”方式去除材料的加工机理，通过加工纳米级微细探针对电解加工的微细加工能力进行验证和加强对加工机理的认识，证实了只要控制好电解加工的电流密度和定域范围就能够实现微细电解加工。对微细电解加工中影响加工精度、加工质量和加工效率的因素进行分析。高频、窄脉冲电源是实现微细电解的前提条件，对高频脉冲电源在电解加工中表现出的理化特性进行探讨，高频窄脉冲电源有利于缩小加工间隙和使加工间隙均匀化。降低加工间隙是实现微细电解加工的前提，但是也增加了微火花出现的几率，本章分析了微火花产生机理和提出了解决方法。最后根据微细电解加工的特点，对实现微细电解加工提出要求。 - 38 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 第第3章 微细电解加工系统设计与实现章 微细电解加工系统设计与实现 常规的电解加工机床附属设备多，设备组成复杂，占地面积较大，机床需要有足够的刚性和防腐蚀能力，成本较高，设备一次投资大1。本文在深入分析微细电解加工的特点，结合目前国内外已有的小型电解加工系统及相关技术特点，设计了一套微细电解加工系统来实现微细电解加工。微细加工任务不是由某一项技术独自完成的，将几种微细加工工艺集成到一台设备上，不但可以充分利用高精度的机械本体、节约设备费用和空间，而且可以将多种微细特种加工工艺相结合，增加设备的加工范围和能力、获得更好的加工效果。因此，研制多功能微细加工平台，将多种加工能力集于一身，能够进行微细电火花加工、微细超声加工和微细电解加工及复合加工等。在精密三坐标多功能微细加工平台上搭载了微细电化学加工功能模块，使多功能微细加工平台具有微细电解加工功能。基于多功能微细加工平台综合微细加工能力，利用微细电火花加工技术在线制作微细电解加工用的微细电极。 3.1 微细电解加工系统的设计微细电解加工系统的设计 微细电解加工系统与常规的电解加工系统结构组成基本相同，一般包括高频窄脉冲电源、微细电解机床本体（也就是整个加工装置的机械部分，包括伺服机构，工作台，工具电极以及加工工件等几个部分） 、电解液循环系统和检测控制系统等。本微细电解加工系统设计之初即定位于加工对象尺寸是属于微细加工范畴内的从几微米级到几百微米级，如微细电解钻削加工微细小孔和微细电解铣削加工微结构，加工时电解液采用弱压慢速冲液方式，工具电极是直径为几十微米的由精密主轴带动的微细旋转电极，电解液压力的作用反力非常小，可以忽略不计。因此设计微细电解加工机床和普通电解加工机床有很大区别，机床的刚性没有特殊要求。在高频、窄脉冲电流微细电解加工中，加工间隙通常远低于正常电解0.10.7mm范围内的加工间隙，仅仅为几微米到几十微米，而且间隙的状态比较复杂，往往一方面会由于间隙过大而降低加工效率、表面质量和加工精度等；而另一方面会由于加工间隙过小，容易出现火花放电、甚至短路从而使工具电极产生损耗，甚至烧伤工件。为了保证在如此小的加工间隙内稳定进行加工，机床进给系统的精度必须比常规电解机床的更高，所以要求机床在设计和部件选择上要注意- 39 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 减小运动误差。微细电解加工过程中，正确选择加工规准是避免间隙过大、微火花放电和短路的前提和基础，但是由于加工过程中间隙的复杂性，还是有这些现象发生。因此，必须对加工状态实时检测，进行伺服控制。为了避免短路和微火花，控制较小的稳定的加工间隙，要求伺服机构要有很高的伺服进给精度和进给分辨率，同时，还要求伺服机构具有足够高的动态响应。 为实现微细电解加工，对微细电解加工系统要求进行分析后得出机床应具有如下功能： （1）微进给能力，有高分辨率； （2）三轴联动数控系统；（3）主轴回转功能，回转精度小于1m； （3）短路检测功能； （4）在线显微观测； （5）机床关键部件要耐腐蚀。图3-1是设计的微细电解加工系统的总体结构组成。 系统总体设计 高速旋转主轴 伺服进给机构 微细工具电极制作模块 CCD 显微镜 系统控制电路 高频、窄脉冲微能脉冲电源 直流伺服电机驱动控制电路 加工过程检测电路 接触感知电路 机械部分 电气部分 电解液循环系统 图3-1 微细电解加工系统总体设计结构 Fig.3-1 The structure of overall design of micro-ECM system 微细电解加工系统被研制，它是基于多功能微细加工平台上搭载微细电解加工系统，其主要包括机械主体和电气控制两大部分，是集伺服进给机构、工作台、高速旋转主轴、高频窄脉冲微能电源、显微观测系统、加工状态检测电路、电解液循环系统和控制系统于一身的微细电解加工系统。另外，还有微细电极制作模块，是利用多功能微细加工平台综合加工优势，采用微细电火花加工技术在线制作微细电极。图3-2是本文设计的微细电解加工系统示意图。 - 40 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 图 3-2 微细电解加工装置原理图 Fig.3-2 The principle map of micro-ECM experimental setup 3.1.1 机床的结构布局设计机床的结构布局设计 对于微细电解加工机床设计来说，机床布局的选择是个非常重要的问题，这将影响到机床将来的刚度、精度，关系到机床将来的操作维修是否方便，而且还影响以后的部件设计方案。本文设计的机床布局如图3-3所示。 在设计机床的运动功能时，考虑到微细加工时工件必须安装在工作台上，工作台与电解液箱联为一体，重量较大，而工具装在主轴上，主轴部件重量较小，因此采用如下运动方案，即主轴既做回转运动又做X、Y、Z方 O X Y Z 图 3-3 微细多功能平台的布局设计效果图及坐标系 Fig.3-3 The solid figure of designed result of the multifunction machine and coordinate - 41 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 向的进给运动，工件不运动。主轴为立式，主轴装于Z坐标溜板上；Z坐标溜板叠放在Y坐标溜板上；Y坐标溜板叠放在X坐标溜板上；X坐标溜板的底部固定在基座上；安装工件的工作台也固定在基座上。Z轴和旋转主轴为物理上同一轴，轴线重合，在机床调试时，应注意Z坐标溜板和旋转主轴与水平面间垂直度的调整，Z轴与水平面的垂直度能保证在0.002mm/100mm。 3.1.2 机床主要零部件的设计机床主要零部件的设计 三坐标移动工作台三坐标移动工作台 三坐标移动工作台的作用是驱动主轴相对于工件作X、Y、Z三个方向的移动，在每个方向上有足够的移动范围，能够在正常加工时进行稳定的微量进给；而当发生短路或微火花产生时，快速响应回退。因此，要求进给机构行程大、响应快、分辨率高。为了充分发挥微细电解的加工能力，使其具有更宽广的应用领域，考虑结构因素、控制因素、以及成本因素，本设计在三个移动坐标轴上都采用了直流伺服电动机-精密滚珠丝杠进给机构。采用直流伺服电机具有响应速度快和控制精度高等特点。在运动导轨上嵌有光栅尺作为位置反馈，每个移动坐标轴通过高分辨率的光栅尺构成了闭环控制系统，以消除由于非线性、反回程和弹性变形等带来的误差。三轴联动，可实现三维加工。这是一个较为理想的加工方式，高精密光栅尺配合构成闭环控制系统，因此在进给过程中可以不断地修正各种干扰所造成的机构微位移偏差，微位移的精度只受检测和控制精度的影响。 本系统所采用的直流伺服电极带动精密滚珠丝杠作为实现三维运动的基本组成部分。伺服机构采用的是德国PI公司生产的直线移动控制工作台，型号为M-511.DD，该移动工作台采用直流伺服电机直接驱动，其主要性能指标如表3-1所示： 表 3-1 伺服机构性能指标 Table 3-1 Performance index of servo mechanics 型号 行程范围 (mm)分辨率 （m） 重复精度(m) 导轨直线度（m/mm）导轨平行度 （m/mm） 最大运行速度 (mm/s) M-511.DD 102 0.1 0.1 1/100 1/100 50 M-511.DD 直线移动工作台具有如下特点： (1)高精度导轨制造和装配工艺 提供小至0.05m的最小伸长量和- 42 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 0.1m的可重复性以及极佳的直线度/平面度(可小于1m/100mm)，低速性能好，调速范围宽； (2)ActiveDriveTM 控制技术 高速高精度PWM伺服放大技术，在提供最佳的动态性能的同时，可提高PWM能量转换效率、增强产品可靠性、降低维护成本和减少控制噪声；最高速度超过125mm/s； (3)非接触限位开关和原点传感器 可集成高精度非接触直接传感限位开关，增强系统的易用性； (4)直接位移测量技术 可集成直线光栅编码测量系统，对平台的实际位置进行高精度非接触测量，以消除由非线性、空程、弹性变形带来的位移误差； (5)先进的多轴联动技术 可与其他直线移动或旋转工作台组合，构成多维运动系统。 安装工件的固定工作台安装工件的固定工作台 在微细电解加工时，由于工作台浸泡在强腐蚀性的电解液里，所以，还要求工作台具有抗腐蚀性，抗酸抗碱，不生锈，绝缘性能好，耐磨性好，使用寿命长。由于微细加工对内外产生的振动极其敏感，这就要求工作台有较强的吸振能力，花岗岩具有较好的吸振性能。花岗岩还具有导热系数和热膨胀系数小，对温度不敏感，较好的抗腐蚀能力，所以基于花岗岩材料的工作台能够保证长期的稳定性，无收缩，低热膨胀率，适合于微细加工。另外，花岗岩成本低，加工方便，易获得高精度。综合以上因素，花岗岩适合于作微细电化学加工设备的工作台，所以为本机床设计了花岗岩材料的工作台113, 114。 根据功能要求和花岗岩的力学及工艺特性，设计出了如图3-4所示的工作台。为了装卡工件，工作台上需要开两条T型槽，为了增大抗弯强度，这里改用了燕尾槽。为了给运动部件留出足够的空间，开了一个很大的矩形通孔。由于工作台面的最后一道工序是手工研磨，能达到双零级精度，切削图 3-4 微细电解加工装置的工作台 Fig.3-4 The worktable of the setup for micro-ECM - 43 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 力不大，而且该结构近似于拱形，所以工作台仍具有足够的抗弯刚度。 主轴及主轴支承部件主轴及主轴支承部件 常规电解中，工具电极只做单自由度的进给运动，加工过程中不断产生的电解产物通过循环泵送过来的具有一定压力的流动电解液冲刷带走，加工间隙内的电解液得到更新补充。而在微细电解中，如电解微细深孔时，加工间隙较常规电解小得多，电解液冲刷效果远不如常规电解，加工反应产物不能完全被电解液带走，滞留在加工间隙内的沉淀产物会造成工件表面各处溶解不一致，丧失加工精度，而气体产物的积累容易造成气泡击穿放电，严重时甚至造成短路，加工过程的稳定性很难保证，同时加工速度也大为降低。 如何在不降低加工速度的前提下，稳定有效地将微细电解进行下去，本文采用旋转主轴方案。主轴部件的作用是带动微细电极或工件作高精度的回转。本系统在设计的过程中采用了日本NSK公司生产的旋转主轴，其性能稳定，该机床主轴采用了高精度滚动轴承支承，径向跳动在1m以内，如图3-5所示。加工的微细程度主要取决于主轴的回转精度，而当主轴本身的形状精度一定时，主轴的回转精度取决于其支承方式和支承零部件的精度。该主轴由直流电动机驱动，可实现平滑的无级调速，其转速范围是1 00025 000rpm，可实现高速回转。一方面，高速旋转的电极有利于带动加工间隙内电解液流动，可以加快外部新鲜电解液向加工间隙内扩散补充。另一方面，高速旋转微细电极有利于加工的稳定性，提高加工精度。而且，旋转轴的设计可以拓展加工对象的范围，对加工复杂形状的微结构实现微细电解铣削加工是一个非常关键因素。高速旋转主轴带动工具电极作高速旋转，在加工区内产生强烈的搅拌作用，有利于电解产物的排出，改善加工区域流场分布，提高加工区内微流场的稳定性。主轴部件的作用是带动微细电极或工件作高精度的回转。在微细电解加工中，工具电极通过不锈钢夹头装卡在旋转主轴上，所以需要将电源的一极被接到旋转电极上，这一功能要用导电滑环电极 夹头 滚动体 主轴外壳电机外壳 电机转子电源线 主轴 图 3-5 微细电解加工装置中所采用的主轴部件 Fig.3-5 The spindle kit of the setup for micro-ECM - 44 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 来实现。电刷采用紫铜材料，对称布置，有利于增加电刷与旋转轴的接触面积，保证可靠引电。此外，维持电刷和旋转轴可靠接触而加的弹簧会产生径向负荷，对称的布置可以使其相互抵消，保证系统的精度不受影响。 电解液循环系统电解液循环系统 循环系统是微细电解加工系统重要组成部分，这是因为微细电解加工中对电解液的成分的稳定有较高要求。例如在过程中如使用NaClO3，随着加工的进行电解液中的Cl离子不断增加，电解液有一定的消耗，而且Cl离子增加后会使杂散腐蚀作用增加，影响微细电解加工的精度。本系统设计的循环系统，通过控制系统来控制电解液系统的启停、流速进行微弱压力冲液，循环流动，能够很好地保持电解液成分和 PH值的稳定性。采用两个小喷嘴对称地对加工区微弱压力缓慢冲液和使加工电极高速旋转，能很好地改善流场。通过过滤装置，电解液进行净化，除去电解产物和其他杂质，保持电解液高清洁度和加工稳定性，并注意防腐设计。加工温度对电解液的导电率有显著的影响，从而使加工电流密度发生变化，影响加工精度，通过温控系统保证加工温度在合理的范围内。如图3-6所示为电解液循环系统示意图。 电解加工区域温度调节浓度调节PH值调节压力表压力调节阀过滤器电解液泵储液槽溢流阀 图 3-6 电解液循环系统 Fig.3-6 The circulation system of electrolyte 另外，在微细电解加工装置上附加一个最大放大倍数为260倍高精度显示的CCD用于加工状态的实时监控，如微细电极制作时观测电极的尺寸和形状，在电解加工时观察气泡逸出情况及是否在加工过程中出现微火花等。 3.2 微细电极制作微细电极制作 微细电解加工使用的微细电极在线制作方法主要有块反拷加工和线电极- 45 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 电火花磨削(WEDG)两种方式，如图3-7所示。 a)块状电极法 b)线电极磨削法 图 3-7 在多功能微细加工机床上利用微细电火花加工微细轴制作电极 Fig.3-7 On-line fabrication of micro-electrrode on multifunction tool 精密微细电解加工需要高形状精度的微米级的工具电极。图3-8所示的是采用微细电火花加工制作的微细电极。该微细电极制作模块可以制作10m以下的微细电极。本试验中所采用的工具电极直径一般在几十m 以下，如此微小的电极定位、装夹和加工都比较困难。利用多功能微细加工平台的优势进行微细电火花加工微细工具电极，将工具电极的制作和工件的加工统一在同一多功能微细加工平台上进行，工具和工件安装后不必拆卸，可以减少误差的产生，有效提高微细电解的制作与安装精度。尤其电极在主轴带动下高速旋转微细电火花加工在线制作能够纠正电极偏心带来的旋转误差，使旋转误差能够控制在1m。 图 3-8 微细电火花加工的微细电极 Fig.3-8 Micro electrode machined by micro-EDM for micro-ECM 3.3 微细电解加工系统的电气硬件组成微细电解加工系统的电气硬件组成 微细电解加工系统要求实时控制性好，对加工电流突变能快速响应，控制执行机构相应动作，且稳定性好、抗干扰能力强。本文微细电解加工系统的电气硬件组成如图3-9。 - 46 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 图 3-9 微细电解加工系统电气控制系统硬件组成 Fig.3-9 The buildup of electric control hardware for micro-ECM 本系统包括工控机、微能高频脉冲电源、PI公司的多轴运动控制卡C-842、霍尔电流传感器和由光栅尺与直流伺服电机组成的闭环运动执行机构等。工控机为上位机除了用于数据处理及生成数控加工程序，而且是伺服控制的中枢，根据光栅尺和电流传感器的实时反馈信号，伺服进给控制程序及时输出相应的控制指令，控制各直流伺服电极的运动以及加工电源的通断。PIC单片机作为下位机具有与上位机的通讯、间隙状态的检测与识别、主振级脉冲时序逻辑控制、A/D转换控制等任务，主要用于实现上述各功能模块的协调工作与控制。设计中利用霍尔电流传感器CHB-25NP/SP5对微细电解加工过程的电流进行采样，采用C-842运动控制卡作为运动控制硬件。 3.4 微细电解加工高频窄脉冲电源的设计实现微细电解加工高频窄脉冲电源的设计实现 在微细电解加工中，高频、窄脉冲电源是最重要的核心技术之一。随着电解加工应用于微细加工的尝试，对其电源的频率、脉宽和加工电压等输出特性提出了特殊的要求。由于微细电解加工间隙很小，对电源输出要求很精确，微小的输出变化将对加工精度稳定性产生很大的影响。一方面由于加工工件的微小化，使微细电解加工电源的功率范围较普通电解加工电源小很多，因此加工电源将进一步小型化；另一方面由于微细电解加工在加工精度和加工表面质量方面较普通的电解加工有更高的要求，为了保证较高的加工精度和表面质量，微细电解加工电源应具有更宽的频率调节范围、更精确的可调电压以及方便地产生不同脉宽和占空比的脉冲波形。 - 47 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 图3-10是本文所设计的微细电解加工脉冲电源结构组成及原理图。该微能脉冲电源包括以下几个主要部分：整流电路、滤波电路、脉冲电源主电路、电源保护电路、泄放电路、脉冲产生逻辑电路、加工状态检测电路、A/D转换电路、微处理器主控电路、晶体管控制电路、驱动及放大电路、电气隔离电路等，驱动电路要与信号源电气隔离。从功能上可以分为三个模块：脉冲产生逻辑与功放、加工电压调节单元和加工状态检测与接口电路。 图 3-10 微细电解加工脉冲电源结构组成及原理图 Fig.3-10 The principle and the structure of pulse power supply for micro-ECM 3.4.1 脉冲产生逻辑与功放脉冲产生逻辑与功放 根据微细电解加工的特点，本文设计一套微细电解加工脉冲电源。所设计的脉冲电源将脉冲信号发生、功率放大与加工状态(加工电流和加工电压)的检测集成于一体，为实现加工过程的自动化控制提供了便利条件。 该脉冲产生逻辑与功放模块包括以下几部分：主振级、驱动级、功放级。主振级由Scenix单片机作脉冲发生器，该单片机的速度特别快，外接50M晶振，根据加工情况脉宽和脉间大小可通过上位机数控系统参数设置可调。Scenix单片机发出的脉冲信号通过74F07芯片送到驱动级。 为了获得高频、窄脉宽波形，还要求栅极驱动电路具有足够的驱动速度- 48 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 和驱动能力，因此驱动电路需满足： （1）驱动电路本身具有较高的工作频率，而且输出脉冲具有陡的前沿和后沿。在微细加工脉冲电源中，驱动电路的最高工作频率可达到1MHz以上。 （2）具有较大的瞬时驱动电流，以便有效减少开通时间。同时，关断期间具有足够的泄流能力以缩短关断时间。 （3）要有合适的栅源驱动电压，低的驱动电压虽然会缩短充电时间，但电压过低则会使漏源压降较大，引起功率管功耗增大。一般工作在高频状态下，驱动电压为12V比较合适。 所以驱动级选用MOSFET的专用驱动模块TPS2812驱动MOSFET场效应管，TPS2812能很好地改善输入波形且能提供较大的瞬间电流，因此用TPS2812来驱动MOSFET场效应管；MOSFET管的输入、输出电容使得其开通、关断期间存在明显的电容充放电过程，从而对高频、窄脉宽波形的实现有直接影响。因此，在微能脉冲电源应用中应该选择输入、输出电容小的MOSFET，这样可以实现高频开关，选择了输入、输出电容较小的美国IR公司的MOSFET场效应管IRF730进行电流放大作功放级，上升tr和下降时间tf分别只有15ns和14ns，利用IRF730高速开启关断给微细电解加工提供高频、窄脉宽电流。TPS2812所需的+12V直流电压和74F07芯片与Scenix单片机所需的+5V直流电压分别由220V交流电经变压、整流、滤波得到直流电压经三端稳压块7812得到+12V，再通过三端稳压块7805得+5V供电。该模块与电流检测模块一起构成完整的脉冲电源系统。 在本文设计的脉冲电源系统中，微处理器PIC单片机完成一个多任务的分时处理系统，它兼有与上位机的通讯、间隙状态的检测与识别、主振级脉冲时序逻辑控制等任务，主要用于实现上述各功能模块的协调工作与控制。这些任务的实现占用了微处理器PIC大量的系统资源和运算时间，因此不宜再增添新的任务来实现脉宽与脉间的时序逻辑控制。所以控制脉冲发生器另选用带可擦写存储器的高速8位SX28AC单片机，它的微处理器具有高速的计算、高效的数据处理和柔性输入输出控制能力。采用外接50MB晶振，能处理5000万条/s单周期指令。隔离电路是为了消除数字电路与模拟电路之间的干扰，使整个电路的性能更加稳定可靠。本文研制的高频、窄脉冲电源能够灵活地通过工控机来调节脉冲参数对微细电解加工过程进行控制，能根据加工的状态和加工是否完成能灵活地控制电源的关断，用控制“微电量”来控制材料去除量的措施，实现定量加工。 - 49 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 3.4.2 加工电压调节单元加工电压调节单元 在加工时，由于不同的加工材料、不同的加工尺寸和不同的加工精度要求等，所需的加工电压也不相同，这就要求有工作电压调节单元能进行连续调压，来满足各种不同加工要求的需要。本电源采用一个连续可调的自耦变压器接220V单相交流电进行调压输出低压交流电，再经过全桥整流和滤波后就可得到不同的工作电压。微细电解脉冲电源的工作电压范围是010V，其间加工电压连续可调。通过加工电压调节单元输出的直流加工电压直接加在MOSFET管IRF730上，加工电流微小，不需要加限流电阻，可通过调整自耦变压器精确控制加工电压。在加工过程中，采用Tektronix 200M数字示波器实时在线观察电解加工正、负极之间的加工电压波形，来检测微细电解加工脉冲电源的脉冲频率、脉宽和脉间大小、脉冲电压幅值大小和加工是否正常进行。 对微细电解加工来说由于工作电流很小，容易获得很高的频率，因而可以获得更高的加工精度。所设计的脉冲电源能稳定输出最小脉宽为100ns，电压和电流输出范围分别为010V和01A，经试验证明该电源能很好地满足微细电解加工的需要。 3.4.3 加工状态检测电路与接口电路加工状态检测电路与接口电路 本文设计的加工状态检测电路是由霍尔电流传感器、隔离电路、采样保持和A/D转换等几部分组成。其具体构成如图3-11所示。 图3-11 加工状态检测电路构成 Fig.3-11 The detection circuit of machining state of pulse power supply 在微细电解加工中，要求能够比较灵敏地反映间隙平均电流的变化(具- 50 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 体的灵敏度要求与伺服系统的灵敏度有关)，当间隙中出现不正常的微火花或者短路时，间隙平均电压相对于正常加工时的取样间隙电压会发生变化，检测电路要及时的反映出这个变化。所设计的脉冲电源将信号发生、功率放大与加工状态(加工电流和加工电压) 的检测集成于一体，为实现加工过程的自动化控制提供了便利条件。在微细电解加工过程中，加工间隙的状态可通过短路检测模块进行实时检测。短路检测电路对电解加工时的电信号进行实时检测，将采集到的电压和电流经 A/D转换后送入上位机。在短路检测模块中，有一个电流传感器。电流传感器的作用是将电解加工中的电流按照一定的比例转变为小电流，传感器内部的隔离设计可以将输出小电流信号和加工回路的大电流信号完全电气隔离，避免加工回路的电流信号对A/D转换和PC机工作产生干扰。把电流转换成电压的传感器种类很多，本文采用森社公司生产的CHB-25NP/SP5霍尔电流传感器，因霍尓传感器具有响应速度快、灵敏度高、可以检测高频脉冲电流等特点，本电路采用霍尓传感器直接检测加工间隙的加工电流的方法进行快速保护。CHB-25NP/SP5具体性能指标如表3-2所示。 表3-2 CHB-25NP/SP5性能指标 Table 3-2 Performance index of CHB-25NP/SP5 额定 电流 负载阻抗输出 电流 频率 范围 精确度工作 温度 工作 电压 线性度 1A 20025mA 100kHz 0.1% 0+701215V DC 0.1% 使用高频、窄脉冲电源进行微细电解加工时，若采用普通互感器，响应时间为ms级，采集到的电流波形严重失真，影响到测得电流值的真实性。 在加工状态检测电路中，感应电流通过一个采样电阻，电流大小就会以电压的形式被采样，然后再经过放大环节放大，最后通过A/D 转换之后输入计算机进行处理。采用12Bit高速A/D转换芯片，A/D转换时间为9s，实时性很强，可以满足对微细电化学加工中的电流和电压信号的实时检测的要求，为对加工过程的可靠控制提供了有效的保证。当工具电极与被加工工件接触或距离只有几微米时，加工电流骤升，因此通过电流传感器的感应电流也骤升，感应电流通过采样电阻，于是采样电阻的电压就增大，然后PIC单片机与控制计算机通讯，因此控制计算机就能够检测是否发生短路。控制计算机根据采样电阻的电压值来判断是否发生短路进行伺服进给或回退。 接口电路的设计是为了实现上下位机能进行通讯。本文设计的微细电解- 51 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 加工用的高频、窄脉冲电源采用串口通过自定义串行通讯协议来进行上下位机的通讯。一方面，上位机把将要设置的参数（频率、脉宽、伺服方式和根据加工状态关闭或开启脉冲电源命令等等）通过串口传给下位机PIC单片机；另一方面，下位机将采集到采样电阻的电压通过PIC单片机将A/D的数字信号通过串口传给上位机，控制计算机通过判断来实现伺服控制动作。 3.4.4 微能高频窄脉冲电源保护电路微能高频窄脉冲电源保护电路 快速短路保护系统是由微细电解加工工艺引发出来的，有其特殊性，主要是由于加工间隙小，容易发生短路，所以应更注意脉冲电源的保护，它一般包括短路信息检测和快速切断两个部分。微细电解加工高频、窄脉冲电源的保护电路如图3-12所示。 图3-12 脉冲电源保护电路 Fig.3-12 The protection circuit of pulse power supply 本电源保护电路采用电压保护的方式，由R1 、R2 组成电压采样电路。其中VRRRV212Samp+=，式中：V Samp为极间采样电压， R1 、R2 为分压电阻；V 为极间电压。在加工状态检测模块中，有一保护电路，当短路时，从采样电阻取得的电压高于设置的参考电压，电位比较器的输出端口由高电平变低电平，Scenix 单片机就停止发脉冲信号，起到保护作用。由于保护电路不用通过上位机来判断短路是否发生就可以迅速关断电源，保护响应速度快。采样电压VSamp经高速线性光耦(图中未画出)隔离后进入比较器与设定的参考电压Vref作比较，若VSamp Vref ，比较器输出电平反转，当Scenix单片机检测到比较器的反转后即发出指令切断脉冲电源，保护电路的电子元器件免受损伤和防止电弧烧伤工件。 - 52 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 本文根据微细电解加工的特点，设计的快速短路保护电路稳定可靠，能够在短路出现后几s内切断高频脉冲加工电源。工艺试验证明使用该保护电路能有效地防止工具电极和工件的烧伤，从而有效地保护了脉冲电源、工具电极和工件。 3.4.5 接触感知电路接触感知电路 在微细电解加工中工件与工具电极之间的定位是保证精度的一个关键环节。接触感知电路的主要功能就是用于加工前的辅助定位，能够确定工件与工具电极的位置关系，也能够确定加工基准和加工工件位置的找正，通过x，y，z微位移工作台的伺服进给，工件上多个加工参数之间的位置关系也可以保证。另外，微细电解加工中出现的微火花使微电极损耗，可以通过接触感知功能补偿电极损耗掉的长度，来保证加工精度。因此，设计可靠的接触感知电路是实用化微细电解加工装置脉冲电源的关键技术之一。为此本文设计了如图3-13所示的接触感知电路。加工间隙的接触感知电压经过滤波和衰减后，在两个二极管的作用下，输出电压被钳位在012V之间，然后引入到比较器的反相输入端，比较器的另一同相输入端连接一个电位器，将12V分压后作为比较器的基准值。当间隙感知电压突然变低时，比较器的输出管脚输出高电平，指示感知动作已经完成。图中二极管D的作用是将接触感知电路与主放电回路隔离开来，R为感知限流电阻，电阻值较大，所以感知电流就很小，感知操作不会对加工工件有影响。 图 3-13 接触感知电路 Fig. 3-13 Contact sensing circuit 3.5 微细电解加工控制系统微细电解加工控制系统 微细电解加工控制系统从功能上看与常规电解加工相差不大，但是为了将电解加工应用到微细加工领域，实现高精度、高效率的微细电解加工，控- 53 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 制系统对微能高频窄脉冲电源控制、伺服控制系统、加工状态检测系统等内容提出了更高的要求。 3.5.1 微细电解加工控制系统的组成微细电解加工控制系统的组成 微细电解加工系统从功能模块上可以分为以下几个部分，机床本体部分，脉冲电源，加工间隙检测环节，工作液循环系统以及加工控制系统等。图3-14是本文所研制的微细电解加工控制系统的组成结构图。 伺服控制电源控制电解液控制伺服进给机构微能脉冲电源电解液循环回路微细电解加工控制系统加工电流、电压检测环节Micro-ECM加工伺服控制参数电源控制参数电解液控制参数工业控制计算机温度控制温控仪接触感知控制接触感知控制参数接触感知电路 图3-14 微细电解加工控制系统的组成结构框图 Fig.3-14 Block diagram of micro-ECM control system 电解加工控制系统是整个加工系统的核心部分，它对整个电解加工过程及加工系统各个环节进行协调控制，以完成对工件进行微细加工的目的。控制部分是整个加工系统的控制中枢，加工系统的各项动作都由它来指挥完成。微细电解加工控制系统包括加工电源、伺服控制电路、加工过程检测、确定电极位置的接触感知模块、电解液温度和pH值控制模块和电解液循环控制系统。控制系统主要完成以下功能：轨迹控制功能和加工过程控制功能。轨迹控制功能主要是完成加工工件的轨迹生成以及完成数控插补运算（包括正向插补和反向插补两个方面） 。对加工过程进行控制的目的主要是为了实现稳定加工，并尽可能提高加工过程的自动化程度。 其中微细电解加工伺服控制系统的性能是整个加工系统性能优劣的一项- 54 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 重要指标，直接影响加工过程中的加工间隙状态，对加工过程的稳定性和加工质量均有很大影响。为了实现稳定加工，必须要求伺服控制系统能够实时准确地识别加工过程中的加工状态，然后根据加工状态采取相应的伺服控制动作。为了改善微细电解加工中被加工工件的形状精度，加工间隙应该尽量小，然而减小加工间隙又受到微火花和短路的限制。因此，微细电解加工是一个复杂多变的过程，这就要求伺服系统能够实时地检测加工状态，通过伺服控制系统实时稳定地调节加工间隙，才能实现高精度的微细电解加工。因此，除了要求伺服机构具有高定位精度和进给分辨率外，还应要求伺服机构具有高的运动精度和具有足够高的动态响应。同时通过控制系统根据加工的需要实时调节脉冲电流电源的开启，能大大减小杂散腐蚀，加工精度也能大大提高。 3.5.2 伺服系统的实现伺服系统的实现 由于电解加工是一种复制式加工方式，加工工件的形状精度主要取决于工具电极的制作精度以及伺服机构的运动精度。加工间隙是微细电解加工的核心工艺要素。它是决定加工精度的主要因素，直接影响加工效率、表面质量、形状精度等，也是选择加工参数的主要依据。在微细电解加工过程中，由于加工间隙处于电场流场的作用下，而且空间极窄，又是时间、空间的变化参数，因此加工间隙的大小很难控制。微细电解加工中加工间隙很小，需要实时监控加工间隙，防止加工间隙过小而导致两极相接触发生短路。在电解加工中，至今尚无法直接测量出加工间隙的大小，实际加工多采用实时测量与加工间隙相关的加工过程电参数来间接反映加工间隙的变化。因此，微细电解加工伺服控制系统的任务就是根据检测到的间隙变化反馈电信号，来相应调整加工间隙，维持小的加工间隙，使加工稳定进行。 根据微细电解加工对伺服控制系统的要求，本文设计了伺服控制系统。机床的运动控制系统采用了德国PI公司的精密三坐标直线平移台，各轴均为光栅位置检测、全闭环直流伺服驱动。电气部分采用PC机控制下的基于ISA槽的运动控制卡C-842为核心的控制系统，伺服控制卡C-842通过15针的接口与直线平移台M-511.DD相连接。具体如图3-15所示。 - 55 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 Fig.3-15 Servo hardware structure of the micro-ECM tool 图 3-15 微细电解加工机床的实现伺服机构结构 基于ISA总线的C-842型多轴控制卡是此运动控制系统的核心，C-842卡内部采用了MC1401A(或MC1401A-P)专用运动控制芯片，最多可控制4轴，具有很强的运算处理能力，并且还提供了计算机高级语言接口函数，使用 户 能 很 方 便 地 编 制 出 控 制 系 统 应 用 程 序 。PI公 司 只 提 供 了MS Windows95/98/NT上的C-842控制卡驱动，本文基于Linux平台另外编写驱动程序，通过Linux实时性改造，开发了实时微细电解数控系统，配合伺服运动控制卡和霍尔电流传感器、A/D快速转换、快速响应的直流伺服电机及驱动器、精密光栅等进行电信号和位置信号的实时检测与控制。 高精度的伺服进给对伺服进给控制精度、执行单元的驱动精度、反馈环节的检测精度提出了很高的要求。直线平移台采用直线伺服电机能实现高速、高加速度的移动。直线移动平台内采用PWM驱动器驱动直流伺服电机，直流电机带动精密滚珠丝杠实现微细电极的X、Y、Z轴方向的运动。工控机通过加工状态检测模块检测加工状态，加工电压和加工电流等电信号的变化反映加工的状态，能够判断是否出现微火花或短路，工控机识别后通过C-842控制卡控制伺服机构对加工间隙进行快速的调整，通过精密光栅尺来形成全闭环系统，对加工轨迹实时控制。位置伺服控制系统的另外一个关键环节就是位置检测模块，本加工装置的位置检测模块是通过光栅尺将工作台的位移变化反馈给微处理器进行比较处理，工控机能够实现实时监控和显示加工位置。位置检测模块的检测精度直接影响到位置控制精度，由于微细加工的需要，本文采用的光栅尺分辨率为100nm，能极大地提高了位置的检测精度，并保证最终的位置控制精度。 - 56 - 第 3 章 微细电解加工系统设计与实现 3.5.3 微细电解加工的伺服进给控制策略微细电解加工的伺服进给控制策略 针对微细电解加工的特点，设计微细电解加工伺服控制系统时应满足以下要求：结构简单，具有一定的速度调节范围，具有良好的可靠性和稳定性，抗干扰能力强，实时控制性好，对过程电信号突变能快速响应，控制执行机构作相应动作，调节速度快，精度高。 在微细电解加工中，对加工状态的检测不仅是为了控制间隙的大小，最主要的是防止出现微火花和短路。良好的伺服进给控制策略是实现稳定的微细电解加工的前提条件。微细电解加工过程伺服控制模型如图3-16所示。 图 3-16 微细电解加工过程控制模型 Fig.3-16 Servo control model of micro-ECM 从图中可以看出控制微细电解加工过程是以加工间隙为最终控制参数的全闭环系统。检测到加工间隙的电信号（加工电流和加工电压）Sgap与设定的参考值Sref进行比较，然后通过伺服控制策略输出参数对伺服机构进行控制，使加工间隙始终控制在合适的范围内，使加工在保证精度的前提下稳定进行。由于在加工过程电信号的变化在一定程度上反映了加工间隙的状况，可以采用检测加工电流和电压的间接测量法，实时精确监测电参数的变化，以便及时发现加工短路和微火花的征兆，迅速采取措施，防止间隙过小而产生微火花和短路。当短路发生时，加工电流骤升，并且加工间隙两端的压降减小，通过与参考电流和参考电压的比较，伺服系统做出相应的动作。当出现微火花和短路时，工具电极被迅速抬起，以消除不良加工状态。不同的加工要求和加工对象，采用的不同的伺服控制策略，使该伺服控制系统满足不同的加工需要。 3.6 本章小结本章小结 本章在分析微细电解加工特点的基础上，基于多功能微细加工平台，设计了一套微细电解加工装置。其中机械部分包括伺服微进给机构、耐腐- 57 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 蚀的花岗岩固定工作台、高速旋转主轴、微细工具电极制作模块和CCD显微镜在线观测设备等。电气部分包括伺服核心控制系统、高频窄脉冲微能电源、直流伺服电机驱动控制电路、加工过程监测电路和接触感知电路等。其中伺服进给机构采用分辨率为0.1m的三轴联动数控移动工作台。主轴采用NSK公司生产的高精度旋转主轴，径向跳动度小于1m，转速范围100025000rpm，可实现无级调速。所设计的脉冲电源能稳定输出的最小脉宽为100ns、电压为010V和电流为01A，该电源将加工状态（加工电流和加工电压）的检测集成于一体，并具有短路保护电路，为实现加工过程的自动化控制提供了便利条件，并针对微细电解加工特点，设计了控制系统，能实时调整伺服控制系统，使微细电解加工稳定进行。 - 58 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 第第4章 微细电解钻削微孔加工研究章 微细电解钻削微孔加工研究 4.1 微小孔加工方法的分析微小孔加工方法的分析 随着科学技术和工业生产的发展，微小孔的应用日趋广泛，出现了越来越多带有微小孔的零件。据统计，孔加工约占机械加工总量的1/3，占机械加工时间的1/4。在孔加工中尤其以微小孔的加工最为困难。这些微小孔不仅孔径小而且深径比也较大，同时这些零件的材料有许多是高硬度高强度的耐热钢、不锈钢、硬质合金、陶瓷、金刚石等难加工材料。因此，人们对微小孔加工技术不断探索，摸索出很多种微小孔加工方法。加工小孔和微小孔的加工方法及特点如下表所示。 表 4-1 几种常用小孔特种加工方法对照表 Tab. 4-1 Comparison among kinds of non-traditional machining small hole 加工方法 加工 材料 最小加工 孔径 最高加工 速度 设备 造价 工具损耗 微细电火花 导电 0.005mm 0.8mm/min 较贵 有 高速电火花 导电 0.3 mm 60 mm/min 较贵 有 电解(STEM) 导电 0.75mm 7.5 mm/min 较低 无 电解(ESD法) 导电 0.025mm 一般 无 超声加工 硬脆 0.005 mm 0.02 mm/min一般 有 激光(准分子) 不限 0.0015mm 昂贵 无 电子束 不限 0.003 mm 0.5 mm/min 昂贵 无 各种加工方法各有优、缺点，采用电火花加工，加工效率低，工具电极有损耗，加工表面质量差。激光加工效率高，但精度低，加工表面质量差。另外，这两种加工方法由于是材料热熔化过程，都存在着再铸层和微裂纹，加工的微小孔周围有翻边。电子束加工需要真空环境，设备成本高，使用受到很多限制。超声加工工具有损耗，精度较低，加工效率较低，应用也受到限制。 与其他加工方法相比，电解加工具有工具电极无损耗、生产效率高、加工表面质量好、与加工材料硬度无关，不产生残余应力和毛刺等。电解加工微小孔以工件作阳极，采用管状或棒状电极作阴极，阴极外截面形状与加工- 59 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 孔截面形状相似。加工圆孔时，阴极还应该以一定速度旋转，以提高孔的形状精度。电解加工微小孔的特点如下：能加工任何导电金属材料，不受材料强度、硬度、韧性、熔点、导热性等的限制。生产效率高(与电火花加工相比) ，表面粗糙度值低， Ra可达0.20.8m。加工表面无残余应力和变形，孔口没有毛刺和飞边115-121。目前采用电解方法加工微小孔，如成型管方法(STEM)、毛细管法(CD)、电液法(ESD)等，采用管状阴极进行加工。由于加工孔径较普通电解加工孔大大减小，阴极尺寸和加工间隙也相应大大减小。当孔径小到一定程度时（通常为0.1mm以下），采用中空管状电极实现电极内部高速冲液的手段难以实现，原因在于：1）尺寸如此小的毛细管电极通常难以制备；2）电极越细，将电解液通过管电极内部输送至加工间隙所需的压力越大，很难实现38。因此，本文采用高速旋转的微细圆柱状电极或削边圆柱状电极在低加工电压、低浓度钝化电解液和高频、窄脉冲电流下进行微细电解微小孔钻削。 4.2 利用旋转微细电极微细电解钻削加工微孔利用旋转微细电极微细电解钻削加工微孔 由于微孔电解的加工间隙很小，电解液需要保持高的压力才能彻底冲走间隙内的电解产物，这给加工过程稳定性带来很多问题。加工间隙内阴极处积累的气体产物、因温升而沸腾的电解液、阳极处的沉淀性氢氧化物，这些都可能导致加工区内电场和流场的畸变，带来间隙内微火花的出现和短路的危险，降低加工的可控性、稳定性及工件表面质量。 利用精密高速旋转主轴带动在线制作的微细工具电极高速旋转，采用低加工电压、低浓度钝化电解液、快速响应的伺服系统和高频、窄脉冲电源，电解反应能局限在微细电极附近很小的区域内，微细孔的侧向加工间隙能够控制在10m左右，因此就能获得较高的加工精度。微细电解钻削加工微细孔看似简单，其实在电解过程中并不是微细电极的直接“反拷”加工，由于杂散电流的存在，就不可避免存在一定的误差。为了抑制杂散电流，虽然有些学者用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)对工具电极侧壁进行涂层以防止杂散腐蚀从而解决电解加工中的定域问题，并且起到一定效果95，但PVD和CVD电极表面涂层都是在高温、真空中进行，设备昂贵，涂层成本高，且被涂层的工件的尺寸也受到限制，因此微小尺寸的微细电极无法进行侧壁部分绝缘。利用自行研制的多功能微细加工平台的微细电火花技术在线制作微细电极，可大大提高微细电解加工中微细电极的制作、安装精度，- 60 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 且最小能得到10m以下的微细电极。钨具有很好的热传导性、电传导性和抗腐蚀能力，微细电解加工的工具电极材料选用钨金属。工件材料应选用金相组织细微均匀的材料，以获得均匀、光滑的被加工微细孔侧壁表面。 采用传统的强迫冲液来进行电解产物的排除和电解液的更新在微细电解加工中是不可行的，强迫冲液会使微细电极产生振动，从而影响加工精度和稳定性，因此在微细电解加工中采用微弱压冲液或在静液中加工。在本微细电解加工装置中，其排出电解产物和电解液的更新是通过微细电极的高速旋转来实现的。通过微细电极的高速旋转，能使电解液在微小加工间隙内以很快的流速流动，能大大改善电解产物排除的条件及电解液循环更新过程。由于微细电极的高速旋转，电极表面的扩散层厚度大大减小，使浓度梯度变大，双电层结构发生畸变，极大影响了微小加工间隙内电化学步骤的液相传质过程，促进微小加工间隙内电解反应的进行。直径为几十微米的工具电极在低浓度的钝化电解液和低加工电压下通过使用高频、窄脉冲电源在微小的加工间隙内能得到较大的电流密度，使在加工间隙内的被加工表面处于超钝化区而使加工能够顺利地进行。由于加工中采用低浓度的钝化电解液，离微细电极较远的非加工表面由于钝化层的保护不被蚀除或微量蚀除，电解加工仅局限于微小加工间隙超钝化区范围内，因而得到较好的形状精度。在多功能加工平台上设计了微细电解高频、窄脉冲微能电源，通过脉冲电源的短路检测模块的霍尔传感器检测回路电流值来控制加工间隙的大小。 因此，本文在微细电解加工微细孔时，采用高速旋转的微细电极，加强电解液流动性和对电解产物的冲刷作用，一方面有利于电解液的更新，另一方面也有利于及时排出加工过程中的产物及热量，使微细电解加工过程稳定性大为提高；试验中采用较高的进给速度、更小的加工间隙进行加工，有效提高加工精度、效率及表面质量；选用低浓度的非线性电解液，如NaClO3 和NaNO3，降低杂散腐蚀；采用高频、窄脉冲电源，通过合理调整脉宽和脉间，使得极间电解液在脉冲间歇时极易得到更新和恢复，电化学加工产物和热量也会得到及时的排除，有利于提高加工的稳定性。 4.3 微细电解钻削加工微孔原理微细电解钻削加工微孔原理 利用旋转电极微细电解钻削加工小孔时，电极的高速旋转使得加工间隙的电解液流动条件保持不变，在加工间隙内微细电极周围的电解液分布均匀，对微孔而言微孔四周流场相同，加工的微孔具有较好的圆度。采用侧壁- 61 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 未绝缘高速旋转的微细圆柱状电极进行电解加工微小孔。图4-1是微细电解加工微小孔的原理图。 图 4-1 用微细电解方法加工小孔示意图 Fig.4-1 The principle of drilling micro holes by micro-ECM 采用此未绝缘的圆柱状微细电极进行电解加工微细孔时，随着加工深度的增加，微细孔的侧壁会一直进行腐蚀。在被加工孔侧壁的不同位置处（u孔侧壁上方入口处，d-孔侧壁下方底部）金属去除速度分别为u和d，从式（2-3）可知： uuuu/ )(EUD= (4-1) dddd/ )(EUD= (4-2) 式中 u 孔侧壁入口处电流效率； d 孔侧壁底部电流效率； Eu孔侧壁入口处电极电位差； Ed孔侧壁底部电极电位差； u孔侧壁入口处侧向加工间隙； d孔侧壁底部侧向加工间隙。 由于，所以 uEUdEUduudduduqP= (4-3) 式中 P去除速度比； q间隙距离比。 对于活性大但杂散腐蚀严重的NaCl电解液，在式（4-3）中，ud，孔侧壁不同位置处的去除速度比约等于间隙距离比，由简单推导可知孔侧壁侧向加工间隙2bbs2h+（b是底端面平衡间隙，h是加工深度） ，孔侧壁- 62 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 呈抛物线形，加工深度越大，加工精度越差。而对于低浓度的NaNO3等钝化电解液，随着加工深度的增加，在微细孔侧壁上对应孔侧壁入口处的电流密度小于孔侧壁底部的电流密度，对应孔侧壁入口处的u也就随之大大减小，ud，由式（4-3）知duud，在孔侧壁入口处的去除速度大大减小，最后在孔侧壁入口处由于电流密度较小出现钝化，侧壁的电解加工很慢甚至停止蚀除，于是加工精度不会随加工深度的增加而恶化出现明显的喇叭口形状。另外，阴极析出氢气，引起加工间隙导电率下降，加工间隙变小。因此，在低加工电压、低浓度钝化电解液和高频窄脉冲电流作用下能很好地控制被加工孔的形状精度。 4.4 微细电解钻削微小孔的伺服进给控制策略微细电解钻削微小孔的伺服进给控制策略 微细电解钻削微小孔看似一个简单的加工过程，但实际上也必须考虑过程控制、间隙控制和工艺方法。微细电解加工过程中加工精度和加工间隙的大小密切相关，加工间隙值稳定维持在比较小的水平，有利于获得好的加工质量，这就要求伺服进给系统能很好地控制加工间隙的大小。目前直接检测加工间隙的大小非常困难，由于加工过程电信号的变化在一定程度上反映了间隙的状况，可以采用加工电流和电压的间接测量法，实时检测到电参数的变化，以便及时发现短路征兆，迅速响应采取相应措施防止短路122-124。 微细电解钻削微孔伺服控制策略如图4-2所示。首先通过接触感知功能，进行电极定位，电极回退设定初始加工间隙。然后，启动电解液系统，加工参数设置，启动脉冲电源，开始进给加工，工具电极向工件进给，当加工间隙很小，小到几m时或接触短路时，加工电流突然跳变激增，而且当极间短路时，电极间的电压降降低。进行加工电压和加工电流的采样，通过采样得到的电压和电流值判断此时的加工状态，如果加工电流大于短路电流，或者加工电压小于给定的加工电压阈值，则表示即将发生微火花或短路，通过脉冲电源的保护电路，迅速关闭加工电源，工具电极快速回退；反之则判断是不是小于断路电流，如果不是，工具电极继续以正常加工的速度进给，反之则工具电极加速进给。经过微细小孔加工试验，采用这种控制策略能使加工间隙控制在10m左右，能有效抑制微火花和短路的发生。当然，该系统也可以像常规电解那样匀速进给，速度预先设定，通过短路检测模块保护微细电极。 - 63 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 开始接触感知电极定位设置初始加工间隙的大小启动电解液系统设置加工电流阈值 Ib，加工电压阈值 Ub和断路电流 Io启动电解脉冲电源，进给加工加工电压和加工电流采样电极进给加工完成否？关闭脉冲电源，电极大位移回退YNYNIIo？电极快速进给YNY关闭脉冲电源，电极快速归回原位结束UIb？N 图4-2 伺服控制流程图 Fig.4-2The flow chart of servo control 4.5 微细电解钻削加工微小孔试验微细电解钻削加工微小孔试验 为了验证微细电解钻削加工微孔的可行性，采用NaClO3溶液为电解液，高频窄脉冲电源，在304不锈钢（1Cr18Ni9Ti）钢片上加工微孔。 4.5.1 阴极和阳极发生的化学反应阴极和阳极发生的化学反应 微细电解加工中，选用工件材料为1Cr18Ni9Ti，该材料的主要成分是Fe、Cr、Ni，这三种成分的质量分数约占整个金属91%以上，而在所用的以- 64 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 NaClO3 为主要成分的电解液中，主要存在Na+、ClO3、H+、OH四种离子。在1Cr18Ni9Ti NaClO3 体系中进行微细电解加工，在电解加工中，金属阳极首先发生活化溶解，即金属原子失去电子，形成离子进入溶液中，与H2O 结合形成水化离子，即 Fe Fe2+ + 2e Fe2+ + H2O Fe(H2O)2+Cr Cr2+ + 2e Cr2+ + H2O Cr(H2O)2+Ni Ni2+ + 2e Ni2+ + H2O Ni(H2O)2+随后，溶解于溶液中的这些离子又与OH离子化合，生成相应的氢氧化物沉淀，此时电极上的反应如下 Fe2+ + 2OH Fe(HO)2 Cr2+ + 2OH Cr(HO)2 Ni2+ + 2OH Ni(HO)2 生成的氢氧化物沉淀有些会与空气中的的氧气进一步发生反应，例如Fe(OH)2 会被氧化生成Fe(OH)32Fe(OH)2+ O2 + 2H+ 2Fe(OH)3而阳极表面的金属离子还能和O2结合，生成难溶性的低价金属氧化物，此时有如下的反应 Fe2+ + O2 FeO Cr2+ + O2 CrO Ni2+ + O2 NiO 而在阴极上，一般同时进行H+离子的还原反应 2H+ + 2e H2 O2 + 4H+ + 4e 2H2O O2 + 2H2O + 4e 4HO4.5.2 微细电解钻削加工微孔试验实例微细电解钻削加工微孔试验实例 加工条件：加工电压4V，浓度为30g/L NaClO3电解液，脉冲频率20kHz，脉宽25s，电极直径35m，电极转速3000r/min，电极进给速度60m/min，工具电极为钨电极。被加工出的微孔如图4-3所示。所加工的微孔直径约为65m，微孔圆度可控制在1m以内，加工间隙可控制在10m左右，侧壁陡峭，加工表面光滑，无飞边、毛刺。通过试验证明通过控制一定的加工条件，可以实现微细电解钻削加工微孔。 - 65 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 图 4-3 微细电解铣削加工微细小孔 Fig.4-3 Drilling microhole by micro-ECM4.6 影响微细电解加工效率的因素影响微细电解加工效率的因素 4.6.1 加工电压对加工效率的影响加工电压对加工效率的影响 加工速度能够反映加工效率，即电解加工阳极金属材料的去除率。在高频窄脉冲电流下，对金属去除率影响最大的因素是加工电压和电解液的浓度。从图4-4中可以看到随着加工电压和电解液浓度的增加，加工速度也增加。 050100150200250456789加工电压(V)加工速度(m/min)30g/L40g/L50g/L 图4-4 加工电压与加工速度之间的关系 Fig.4-4 Relation between machining voltage and machining rate 根据法拉第定律，电解加工的阳极金属去除率与加工电压成正比，但是从图4-4中可以看到在电解液NaClO3浓度为30g/L时，稳定加工速度随加工电压增加而变化， 加工速度在加工电压56V范围内比在加工电压78V范围内增加的缓慢，这是因为在低浓度钝化电解液下，加工电压低时，加工间隙- 66 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 小，一般在1030m范围内，这时电极间的极化电压不是常数，而且在钝化电解液中电流效率也随着加工电流的变化而变化，因此材料去除率不会随加工电压成正比地增加。在微细电解加工过程中，通过提高加工电压和电解液的浓度，可以提高加工速度，但此时的加工间隙也增大，所以为了兼顾加工速度和加工精度，要选择合理的加工电压和电解液浓度。 加工电压的选择要与电极的进给速度有很好的匹配，选择低加工电压时，材料蚀除率小，如果电极的进给速度过大，就会使电极与工件频繁接触，就会出现微火花和短路，破坏工件的形状精度和尺寸精度。因此，选择合适的加工速度，使电极进给速度与材料蚀除速度相一致，这样可以获得较小的加工间隙和较好的加工表面质量。如果加工电压较高，就会在加工间隙内产生大量的氢气，在狭小的加工间隙内，氢气的分布不均匀，会影响电极周围电解液的电导率的不均匀，从而影响阳极溶解的不一致，而且加工电压过高时，加工电压也容易击穿氢气泡，引起微火花的发生。 4.6.2 电极转速对加工效率的影响电极转速对加工效率的影响 在微细电解加工过程中，加工间隙微小，电解液的冲刷效果远不如常规电解。常规电解是通过循环泵送过来的具有一定压力的流动电解液带走加工间隙的电解产物，加工间隙内的电解液得到更新补充，而微细电解中因小的加工间隙不能采用此方式。电极的高速旋转有利于加工的稳定进行，抑制微火花的出现。选择工件厚度为100m不锈钢片，电解液为30g/L的NaClO3，加工电压为5.5V，电极转速与加工效率的关系如图4-5所示。 0204060800200040006000电极转速(r/min)加工速度(m/min) 图4-5 电极转速对加工速度的关系 Fig.4-5 Relation between rotate speed and machining rate 通过微细电极的高速旋转，能够在加工区产生强烈的搅拌作用，越高的电极加工转速越有利于电解产物的排除，使微小加工间隙内电解液流场稳- 67 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 定，电极间产生的氢气泡能够迅速排出，新鲜的的电解液供应充分。从图中可以看出，电极转速从1000r/min增加到3000r/min，加工速度从60m/min增加到75m/min，而电极转速从3000r/min增加到5000r/min，加工速度没有明显的增加，这表明高电极转速下转速的变化对加工区流场的影响已经减弱，提高转速对提高加工速度意义不大。但是电极转速的选择不是随意的，因为当选择转速太高时由于离心力作用将导致电极发生抖动，从而影响加工精度，加工间隙变大，而且严重时甚至可能使微细电极遭到破坏，所以不易采用通过高转速来提高加工效率，在本文中一般选择微细电极旋转速度3000r/min为宜。 4.6.3 加工频率与占空比对加工效率的影响加工频率与占空比对加工效率的影响 在高频窄脉冲电流电解加工过程中，脉冲电源的频率和占空比对加工速度大小的影响曲线见图4-6。加工条件为：加工电压为5.5V，电解液为30g/L的NaClO3溶液，工件为100m的不锈钢片，电极为直径约30m的微细钨电极。 02040608010000.8占空比加工速度(m/min)50kHz25kHz10kHz 图4-6 脉冲电源的频率和占空比对加工速度的关系 Fig.4-6 Relation between machining frequency and machining rate 从图中可以看出，随着频率的增加，加工速度也随之增加。通过试验发现，在频率1050kHz范围内，频率对加工速度的影响不是很显著，而占空比对加工速度影响比较明显，因为占空比越大，平均电流就越大，所以加工速度就越高。 4.6.4 添加剂对加工效率的影响添加剂对加工效率的影响 在加工过程中，会在微细电极上形成氢氧化物沉淀，这会影响加工间隙- 68 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 的电场和流场，甚至会引起微火花出现。在电解液中加入少量的NaHSO4，NaHSO4是一种酸性盐，能中和电解加工中生成的氢氧化物，所以能明显抑制沉淀物的生成，并能提高加工稳定性和加工效率。图4-7所示的是在单一的30g/L NaClO3溶液中和在30g/L NaClO3+2g/L NaHSO4溶液中电解钻削加工微孔后的电极照片，通过对比，可以看到前者电极有明显的沉淀物生成，而后者电极上几乎没有沉淀物生成。然后对二者的加工效率进行比较，如图4-8所示，在较低的加工电压下，添加NaHSO4可以明显提高加工速度，加工稳定性好，很少出现微火花和短路现象，并且由于添加剂的作用，提高了加工速度，加工间隙也相应减小，所以微细电解加工的成型精度也明显改善，但是在较高加工电压下，二者加工效率的区别不是很明显，这是因为此时影响加工效率的主要因素是加工电压，当提高加工电压时，会导致加工间隙增大，加工间隙的增大有利于电解液的更新，不溶性电解产物和气泡都可以顺利地从加工间隙排出，间隙内加工状态恶化几率不大，提高加工效率和稳定性的作用不如在低电压时那么明显。 0501001502004.5V5.5V6.5V7.5加工电压(V)加工速度(m/min)柱形图 1柱形图 230g/L NaClO3溶液 30g/L NaClO3+2g/L NaHSO4溶液 a) 无添加剂 b) 有添加剂 图 4-7 有无添加剂情况下对工具电极生成沉淀的 CCD 对比照片 Fig.4-7 CCD contrast photo about deposit on tool electrode 图4-8 有无添加剂情况下加工电压与加工效率的关系 Fig.4-8 Relation between machining voltage and machining efficiency - 69 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 4.7 电极的方式对加工微孔的影响电极的方式对加工微孔的影响 4.7.1 采用非旋转圆柱状电极加工微孔采用非旋转圆柱状电极加工微孔 采用非旋转的电极加工微孔时，大量不溶性电解产物迅速产生，容易使电解液通道阻塞，造成电解液供应不足，或者电解液分布不匀，影响加工精度。由于电解液不流动，电解液不容易得到迅速更新，新鲜的电解液很难进入微小加工间隙，很容易形成离子堆积，浓差极化严重，电解产物也不容易及时排除，随着电解加工速度降低，影响加工成型精度和加工表面质量，加工过程中生成的氢气在微小加工间隙不易排出，很可能被加工电压激穿而造成微火花和短路的发生，使工件材料去除不受控制，并导致加工稳定性下降。另外，由于工具电极不旋转，会使在电解加工间隙中产生的焦尔热不易排出且引起加工间隙内电解液的电导率发生变化，从而使加工间隙加工电流分布不均匀，因此得不到较好的成型精度，破坏微小孔的形状精度。这是由于采用非旋转的微细圆柱状电极加工微细孔时，产物主要为电极表面上析出的气体。气体从加工间隙内的排出只依靠于气泡自身的上浮及电解液循环缓慢流动造成的电解液对流对其的影响，而孔底部加工区的电解液对流就更加困难。由于加工间隙很小，一旦加工到达一定深度，新鲜电解液很难补充进去，这种电解液更新效果不明显。既无法快速排出电解产物，又无法快速补充新鲜电解液，所以微火花极容易出现，所以不旋转的圆柱状电极加工稳定性最差。 在浓度为30g/L 的NaClO3、加工电压为7.5V、工具电极不旋转时加工的微小孔，如图 4-9 所示。在加工过程中，在加工间隙内电解析出氢气，因为加工间隙过小，所以在微小加工间隙内的氢气难以排出，被加工电压击穿，微火花出现，被加工的微小孔侧壁金属材料因微火花的出现蚀除过程不能被很好地控制，去除本不应去掉的金属材料，因此所加工孔的圆度会遭到破坏，从SEM图片上就可以看到被加工的微小孔不但没有很好的圆度，微孔四周是不规则的边缘，而且孔的侧面加工间隙增加，微小孔的四周产生不均匀的蚀除而产生不规则的圆周侧壁，微孔的侧壁表面不平整光滑，微孔周围非加工表面有点蚀现象。因此，在微细电解钻削加工微小孔时，微小加工间隙中的电解液的流场必须改善才能将微细电解加工进行下去。利用旋转的微细圆柱状电极有利于将聚集气泡的电解产物及时散开，使得加工区内流场- 70 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 沿周向分布均匀一致，使得沿周向各处的电流密度分布均匀一致，材料去除速度也均匀，从而加工出圆度很好的微小孔。 图4-9 工具电极不旋转时所加工的边缘不规则的微孔 Fig.4-9 Micro hole machined by micro-ECM with tool electrode which doesnt rotate 4.7.2 采用削边电极加工微孔采用削边电极加工微孔 对于电解加工微孔来说，其加工精度除了尺寸精度外，还包括孔的圆度、加工重复精度等。孔的圆度和孔的加工重复精度则与加工间隙分布和流场分布是否均匀稳定密切相关。微细电解钻削加工微小孔的精度和尺寸与微细电极的形状和尺寸有着决定性的关系。 在微细电解加工中，阴极电极的形状设计至关重要。在完全相同的工艺参数下，阴极形状设计的差异，会带来工件加工形状尺寸、加工精度和稳定性的截然不同。在微细电解加工中常常通过微细电极形状设计来改善电解液流场的方式来提高加工的精度。 当微细电解加工小孔的深径比较大时，可以采用对圆柱状电极进行削边的办法。用这种方法既可以保持较高的加工精度，也能得到较高的加工效率。在实践中可以将电极单边削去四分之一到三分之一之间，这样既不过分削弱轴的刚度，又造成足够的排出电解产物的空间。用这种削边电极加工微小孔时，电极随主轴旋转，电解产物的排出得到显著改善。图 4-10 是对电极进行削边的原理示图。 在加工深径比较大的微小孔时，加工效率显著提高。由于电极被削边，加大了狭小加工间隙的容纳电解产物的空间， 这样可以加强热对流作用，抑制加工区内的温升，防止间隙内局部过热产生的蒸汽气穴被击穿而影响了加工精度和加工稳定性。另外，还可以加强物质迁移，改善流场，使得加工间隙内的电解液始终保持新鲜的状态，维持间隙内电导率在加工过程中保持不变，而且能够减小电流效率和电流密度关系的不稳定性。电解液能较容易- 71 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 图 4-10 削边电极示意图 Fig. 4-10 Diagrammatic sketch of edge-cut electrode 地流入微小孔深处，加强了电解液的循环更新过程和电解产物的排出，尤其是产生的氢气，由削边电极产生的加大的空间气体逸出更容易。采用削边电极进行微细电解加工不仅能改善加工间隙的电解液流场状况，而且能明显地提高电解的成型精度。 如图4-11所示，该微小孔是采用直径约为60m钨削边工具电极，电解液采用浓度为15g/L的NaNO3溶液，加工电压为6V，脉宽与脉间都为40s，在厚度为750m不锈钢上加工的，加工出的微小孔内孔表面质量好，加工效率很高。微细电解加工微小孔过程中，侧向间隙一般只有10m左右，如果增加电解产物的排出空间，就能减小微火花和短路出现的概率，必定有利于加工的稳定，提高了加工速度和形状精度，尤其是在深小孔加工中，能大大降低孔的锥度。在电解加工中，由于电极削边给电解液的流动提供空间，不仅有利于电解产物的排出，同时对冷却也是非常有利的，所以有利于提高加工的稳定性。 图 4-11 采用削边电极微细电解加工的微孔 Fig.4-11 micro hole machined by micro-EC drilling with rotating edge-cut electrode - 72 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 旋转的削边电极和旋转的圆柱状电极在相同加工条件下分别加工微小孔。可以明显看出，旋转的圆柱状工具电极加工的微小孔其圆度大大高于非旋转圆柱状电极加工的微小孔，而旋转的圆柱状工具电极加工的微小孔其圆度和旋转的削边电极加工的微小孔其圆度差不多，但旋转的削边电极加工的微小孔其侧面加工间隙更小。这是因为旋转的电极有助于将聚集的气泡等电解产物及时分散开，使得加工区内流场沿周向各处的电流密度分布均匀一致，材料去除速度也均匀，从而加工出圆度很好的微孔。非旋转的圆柱状电极因在狭小加工间隙内的电解产物和电解热难以排除，容易出现微火花，微火花的出现会去除不应去除的金属，破坏微小孔的形状精度，所以难得到高质量的孔。而旋转的削边电极加工微小孔时会使得加工区流场更加充分均匀，也能使电解产物排出更加容易，所以电极的旋转能够获得较好的孔圆度。 为了研究不同电极对加工效率和加工稳定性的影响，采用不同的工艺参数进行了削边电极和圆柱状电极的对比试验。电解液采用浓度为30g/L的氯酸钠溶液，工件采用厚度为500m的不锈钢1Cr18Ni9Ti，试验前阳极不锈钢表面经砂纸打磨抛光，旋转速度设置为3000r/min。加工过程中电极始终保持高速旋转，以保证加工孔的圆度，同时带动电解产物快速离开加工区域。加工结果如图4-12所示。加工较大深径比的微孔，削边的圆柱状电极由于排除电解产物性能良好，加工效率比圆柱状电极明显地提高。因此，在进行较大深径比的微小孔加工时，可采用对电极进行削边的方法大大提高加工效率，而且采用削边电极加工深孔时，能提高加工的稳定性，很少出现微火花，提高了深微孔的成型精度和孔表面的完整性。 0501001502005678加工电压(V)加工速度（m/min）圆柱电极削边电极 图 4-12 采用不同形状的电极加工大深径比的微孔加工电压与加工速度之间的关系 Fig.4-12 Relation between voltage and machining speed using different shape electrodes - 73 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 4.8 各种加工参数对加工精度的影响分析各种加工参数对加工精度的影响分析 直接影响加工精度的核心工艺参数是加工间隙，间隙大小对工件材料的去除有着非常大的影响。如间隙足够小，那么加工的成型精度就高，将电解加工用于微细加工的效果就越好，因此微细加工的可能性就越大，而且加工间隙还直接影响加工效率和表面质量。要实现微细加工，就必须减小并有效地控制加工间隙。由式(2-8)可知影响加工间隙大小的因素；式（2-9）是式（2-8）的全微分，反映了影响加工间隙变化的因素，其中加工间隙本身的大小是影响加工间隙变化的重要因素。在微细电解加工过程中，加工间隙的变化会引起被加工表面微观的凸凹不平，为了保证加工间隙的一致性，在微细电解加工过程中应保证加工工艺参数不变。 为了得到较小的加工间隙，达到微细加工的目的，本文在数控多功能微细加工平台上利用高频、窄脉冲电源和直径为50m的钨电极，在厚度为100m的不锈钢薄片上进行单因素影响微细电解钻削微小孔工艺试验，来研究加工参数对加工间隙的影响规律，优化工艺参数。微小孔的直径测量采用小孔测量数显显微镜，分辨精度达0.001mm，当电解加工微小孔时，工具电极的前端面加工间隙难以测量，这里采用侧面加工间隙来反映加工间隙的大小，侧面加工间隙的大小为被加工的微小孔直径减去电极直径再减半。如图4-13所示的是加工速度和加工电压对微孔电解钻削影响的对比试验实例。 图4-13 加工速度和加工电压对微细电解钻削微孔的工艺对比试验实例 Fig.4-13 Influence of machining speed and machining voltage on drilling micro holes 4.8.1 加工电压对加工间隙的影响加工电压对加工间隙的影响 加工电压是电解加工过程中可调的参数之一，是使电解加工得以进行的原动势能，它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流场，从而确保达到所选用的电流密度。在微细电解加工中，一般多采用较低的加工电压，通常为410V 范围内，电压的选择取决于工件材料和所用的- 74 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 电解液。该组试验采用30g/l的NaClO3溶液、脉冲电源频率为20kHz和占空比为0.5，微细电极进给速度为60m/min，由图4-14可知，加工电压越高，加工间隙就越大，相应产生的加工误差也就越大，加工精度也就越差。 010203040051015加工电压(V)加工间隙(m) 图 4-14 加工电压与加工间隙的关系 Fig.4-14 Relation between machining voltage and machining gap 因而，微细电解加工过程中，在确保满足所要求的电流密度时，加工电压尽量取下限。另外，加工电压与加工间隙不呈线性关系，这是因为在微小加工间隙下，极化电压并不是一个常数，加工电压在46V之间加工间隙增幅不大，而在610V之间加工间隙增长幅度很大。另外，加工电压越大，间隙的热损加大，加工间隙内温度容易升高，稳定性变差。 4.8.2 电解液浓度对加工间隙的影响电解液浓度对加工间隙的影响 电导率是电解液的固有性能，影响电导率的主要因素有电解液的成分、浓度和温度。电导率直接影响加工间隙和电流密度等工艺参数并最终影响加工精度和加工效率。采用加工电压为6V、脉冲电源频率为20kHz和占空比为0.5，微细电极进给速度为60m/min，研究不同浓度的NaClO3溶液对加工间隙的影响。试验结果如图4-15所示。 0102030405060020406080电解液浓度(g/L)加工间隙(m) 图 4-15 电解液浓度与加工间隙的关系 Fig.4-15 Relation between concentration and machining gap - 75 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 试验表明，微细电解加工时电解液在低浓度范围内，浓度的改变会引起电导率很大变化。在较低浓度钝化电解液中，电流密度随着与微细电极距离的加大而迅速降低，这样有利于增强定域加工能力，容易实现微细加工，通过降低电解液浓度，在低加工电压下加工间隙可小至十几微米甚至数微米。由图4-14中可知，随着电解液浓度的增加，加工间隙增大，因此高的电解液浓度不利于微小加工间隙的形成。但是，钝化电解液浓度也不能无限的减小，由于浓度的减小使电流效率和电导率下降，从而使电流密度减小，这就会使加工速度以接近二次方下降，导致生产率降低，极间欧姆压降也会增大，从而造成极间热损加大，并且微火花和短路出现几率加大。因此，为了保证加工精度，要对浓度进行严格的控制。 4.8.3 加工速度对加工间隙的影响加工速度对加工间隙的影响 微细电极进给速度也是影响加工间隙的重要因素。采用40g/l的NaClO3溶液、加工电压为6V、脉冲电源频率为20kHz和占空比为0.5，研究不同加工速度对加工间隙的影响规律。如图4-16所示。 0510152025050100150进给速度(m/min)加工间隙(m) 图 4-16 进给速度和加工间隙的关系 Fig.4-16 Relation between feed rate and machining gap 由公式(2-8)可知平衡加工间隙与阴极进给速度呈反比，加工速度随平衡间隙的减小而增加。在采用较小的底面间隙进行加工时，应选择较高的加工速度，这样就能减少加工时间。而由法拉第电解定律可知，加工时间的减少会导致所溶解金属总量的减少。由于阴极工具的连续进给，金属蚀除量的减少不会发生在阳极底面加工区域，而是发生在侧面的非加工区。因此，减小电解加工的底面间隙可以减小侧面间隙，最终提高定域蚀除能力。 - 76 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 4.8.4 脉冲电源的脉冲频率对加工间隙的影响脉冲电源的脉冲频率对加工间隙的影响 脉冲电流电解加工改善表面质量主要体现在选择性腐蚀的减弱甚至消除和表面粗糙度值的降低上。用脉冲电流进行电解加工，可利用脉间的断电间隙去极化、散热，使间隙的化学特性、流场、电场恢复至起始状态。此外，通过提高频率、缩短脉宽和减少占空比可提高阳极溶解的集中蚀除能力，降低散蚀能力，改善极间间隙的大小，从而达到改善阳极工件表面质量、提高加工精度和加工效率的目的。 脉冲电流电源的频率和脉宽对加工间隙的大小有很大的影响，由于高频、窄脉冲电源的使用，电解反应是分时进行的，在很短脉冲时间内产生很少的电解产物，在脉间时间内极容易恢复，因此能大大减少加工间隙，减少加工间隙电解热的生成。采用40g/l的NaClO3溶液、加工电压为6V、占空比为0.5，加工速度为60m/min工艺试验条件，研究不同频率和脉宽对加工间隙的影响。由图4-17可知，频率越高、脉宽越小时，一个脉冲时间内用于电解加工的时间越少，电流密度就越低，工件的单位蚀除量就越小，加工间隙就越小，提高了阳极溶解的集中蚀除能力，从而改善阳极工件表面质量，提高加工精度。 051015202502040加工频率(kHz)加工间隙(m)60 图 4-17 加工频率与加工间隙的关系 Fig.4-17 Relation between frequency and machining gap 通过高频、窄脉冲电源的使用，在脉冲电流关断时将会出现瞬时的反向电流，它起到了去极化的作用，加速了上一脉冲周期中阳极表面钝化物的活化过程，提高了阳极表面的活化程度，使下一周期进入钝化的时间延迟，这就导致阳极超电位的上升期推迟出现，可以使电流效率曲线进一步右移，切断电流密度iB加大，因此脉冲电源的使用能大大减小加工间隙，在提高尺寸精度、成型精度和表面质量方面取得很大的突破。另外，通过脉冲电源的使用能大大减轻电解产物在加工过程中沉积在工具电极和被加工工件表面上，- 77 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 而确保微细电解加工顺利进行。 4.8.5 脉冲电源的占空比对加工间隙的影响脉冲电源的占空比对加工间隙的影响 采用高频窄脉冲电源，可以使脉冲峰值电流较大，合理利用合适的占空比，采用微小间隙加工，能够使加工表面大大改善，而且在脉间内恢复电解液。因此，占空比也是影响加工间隙大小的重要因素。占空比D的大小由下式给出： TtDon= （4-4） 式中 ton脉冲时间； T 脉冲周期。 采用30g/l的NaClO3溶液、加工电压为5V、频率为30kHz，加工速度为60m/min的工艺试验条件，工艺结果如图4-18所示。 051015202500.8占空比加工间隙(m) 图4-18 占空比与加工间隙之间的关系 Fig.4-18 Relation between duty ratio and machining gap 频率一定的情况下，占空比越大，说明在一个脉冲周期内加工时间就越长，那么平均加工电流就越大，材料蚀除率就越高。但是此时杂散电流也加大，电解加工的定域加工能力减弱，加工间隙也加大，电解加工的形状精度受到影响。当占空比很高时，脉间就会很小，电解产物的排除时间就很少，电解液在脉间就很难恢复，在加工间隙内积聚的电解产物就会在电极和工件上沉积而引起微火花的出现，而且在微小加工间隙内的沉淀会引起工件表面各处溶解不一致，丧失加工精度，因此难以获得小的加工间隙和高的成型精度。当采用直流电解加工微小孔时，因为没有脉间间歇，虽然平均电流高，加工速度提高，但是电解液很容易沸腾，而且电解产物不能很好地排除，电解产物很容易沉淀在电极和工件表面，很容易发生微火花，使加工很不稳- 78 - 第 4 章 微细电解钻削微孔加工研究 定，并且加工间隙增大，加工精度明显下降。同时，如果占空比太小，又会影响加工效率。因为占空比太小，则脉间间隔长，虽然有利于加工间隙电解液的恢复，但加工效率太低，电解加工成本增加。权衡加工精度和加工效率的关系应选择适当的占空比，这样在脉间时间内，能很好地排除电解产物，避免或大大减轻了电极和工件上电解产物沉积问题，而且能很好地控制极间温度，可以保证微细电解加工按一定规律稳定进行。 4.8.6 电极直径对侧面间隙的影响电极直径对侧面间隙的影响 在 加 工 电 压 为4.5V、 浓 度 为30g/L的NaClO3溶 液 、 进 给 速 度 为50m/min、加工频率为20kHz、脉宽为20s的加工参数组合下，研究微细电极直径对侧面加工间隙的影响，试验结果如图4-19所示。从图可知，随着电极直径的缩小，侧面间隙随着减小。这是因为电极尺寸越小，加工面积就越小，加工电流小，电解蚀除材料少，所以加工间隙就越小。微细电极的直径越小，加工间隙就越小，电解液的钝化效应也就越明显，电流密度随空间距离的变化很大，离电极稍远的加工区域电流密度下降得很快，低于切断电流而不被蚀除，电解加工仅局限于微细电极周围很小的范围内，所以其阳极溶解的定域加工性能也就越强。因此，在微细电解钻削微孔时，采用直径小的微细电极加工，可以减小侧面间隙，从而获得较好的形状精度和更小的加工尺寸。 0510152010203040电极直径（m）侧面加工间隙(m) 图4-19 微工具电极直径与加工间隙的关系 Fig.4-19 Relation between the diameter of tool electrode and machining gap 4.8.7 一些微细电解钻削加工的微孔样件一些微细电解钻削加工的微孔样件 通过一系列工艺试验，研究加工参数对加工效率和加工精度的影响，优化工艺参数，加工出较好精度的微孔。 图4-20 a)就是利用微细电解加工方法加工出来的微小孔扫描电镜照- 79 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 片，该微小孔是采用直径为约40 m钨微细工具电极，电解液采用浓度为10g/l的NaNO3溶液，加工电压为5 V，脉宽与脉间都为38 s，加工速度为60 m/min，在厚度为300 m不锈钢薄片上加工直径约为70 m的微小孔，微小孔内表面光滑，无飞边毛刺，锥角很小，而且加工效率很高。被加工孔直径约为75m。 图4-20 b)所示的微孔加工条件为NaClO3 (25g/L)电解液；加工电压5.0 V；频率和脉宽：100kHz和5s；工件材料为50m厚不锈钢（304） ；工具电极为直径为12m钨电极；加工速度为60m/min。被加工孔直径约为30m，微孔的圆度能够控制在1m以内。 图4-20 c) 所示的微孔加工条件是加工电压为4.5V，浓度为30g/L的NaClO3，脉冲频率为20kHz，脉宽为20s，工件材料为厚度为100m不锈钢，电极直径为20m钨电极，进给速度为70m/min。被加工孔直径约为43m。 a) b) c) 图4-20 采用微细电解加工的方法加工的微小孔 Fig.4-20 Micro holes machined by micro-EC drilling 4.9 本章小结本章小结 基于所研制的微细电解加工系统基础上，进行微细电解钻削小孔试验。通过工艺试验，研究了加工电压、电解液浓度、脉冲频率和占空比、电极尺寸、进给速度等对加工间隙及加工效率的影响，优化工艺参数。还研究了在加工中电极的进给方式对加工稳定性带来的影响，不旋转的电极容易产生微火花和短路，电解产物排除不畅，电解液难以更新，加工难以进行，旋转的电极能够克服以上弊端。削边电极有利于加强电解产物的排除，提高加工效率和加工稳定性，有利于深微孔的加工。另外，通过在电解液中添加NaHSO4，有利于减少氢氧化物沉淀，提高加工速度。 - 80 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 第第5章 微细电解铣削加工研究章 微细电解铣削加工研究 传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难，加工精度很难保证，于是在20世纪80年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工数控展成电解加工的思想开始形成，它以控制软件的编制代替复杂的成型阴极的设计、制造，以阴极相对工件的展成运动来加工复杂型面。采用简单形状的电极，进行电解加工，可以减小加工过程中释放的热和气体以及流场对电解加工的影响。随着高频、窄脉冲电流电源在微细电解加工中的使用，电解加工的加工精度也有很大的提高；同时精密机械和计算机数控技术的发展，对机构运动和加工参数进行精确控制的技术也越来越高。因而采用简单柱状微细工具电极，通过控制其运动轨迹和加工参数，完全能够实现对工件进行微细电解加工。基于上述工艺与技术，采用简单圆柱状微细电极作阴极，在微电流作用下，利用工具电极没有损耗的特点，使高速旋转的微细工具电极侧壁能够像小铣刀一样加工微细结构，进行电解铣削，能够获得较好的微细形状特征和较高的加工精度。 5.1 微细电解加工微结构加工方式微细电解加工微结构加工方式 微细电解加工微结构有两种方式：一种是采用成型电极加工(Micro-EC Sinking)；另一种是微细电解铣削加工(Micro-EC Milling)。 5.1.1 微细成型电解加工微细成型电解加工 传统的电解加工是利用成型电极对工件进行“拷贝”加工，如图5-1所示。微细成型加工是采用带有微特征结构的成型电极直接向阳极工件以恒定的速度进给，当阴极成型工具电极沿进给方向回退时，会把复杂的微特征形状“拷贝”到阳极工件表面上，完成复杂成型加工。 图 5-1 用成型电极进行微细电解加工 Fig.5-1 Micro-EC sinking by micro contoured electrode - 81 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 微细成型电解加工会受到多种加工条件的制约，所以加工只能是阴极和阳极在形状上的一种近似，形状不可能很一致，这种形状上的差异是微细电解成型“拷贝”加工的关键，它使得拷贝式加工的复制精度、重复精度都不太高。因此，微细成型电解加工暴露出如下缺点： （1）微细成型电极阴极设计、制造周期长，复杂成型电极制作困难，制造成本很大一部分将被复杂的电极设计制作所占据。 （2）微细成型电解加工只有将加工间隙降低到1050m才可能实现精确复制，在这么微小加工间隙内电解液流动困难，必须考虑流场的合理设计以实现在微小加工间隙内的冲液，但这是很难实现的，加工过程中产生的电解热难以排除，很易发生短路和微火花，破坏微细工具电极的精度。 （3）成型加工过程中受微细工具电极的微细形状特征的尺寸限制和电场定域性的制约，对复制精度有很大的影响，复制精度不高。 因此，虽然目前有些领域已开始采用电解加工进行微细加工，如微细孔、微轴、微细探针的电解加工，但是微细成型电解加工还很难成为精密的微细加工技术。 5.1.2 微细电解铣削加工微细电解铣削加工 电解铣削加工是利用简单形状的工具电极，在数控系统控制下，按照一定轨迹做类似于机械铣削的运动，利用电化学反应阳极溶解来蚀除金属材料，完成一定形状的加工。数控电解加工采用简单形状的工具电极（如圆柱状电极、球状电极等） ，结合数控加工的柔性，进行三维运动，即可以加工出所需的三维形状的微结构。在数控电解加工前，通过仿真模拟手段，可以获得不同形状的电极形状、电场分布、电解液流动、进给速度、间隙分布以及金属去除率等之间的关系规律。在此基础上，结合所需的工件形状，选择合适的电极形状和运动控制，可以优化工具电极的运动轨迹，提高加工质量。实践表明，在分析数控电解加工成型规律的基础上，进行轨迹计算和数控编程，可以明显提高数控电解的加工精度。因此可以大大缩短生产准备时间，具有一定应用潜力。 基于上述工艺与技术，采用简单圆柱状微细电极作阴极，在微电流作用下，利用工具电极没有损耗的特点，使高速旋转的微细工具电极侧壁能够像小铣刀一样加工微细结构，进行电解铣削，图5-2所示的是微细电解铣削加- 82 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 工示意图。微细电解铣削加工能够克服由于加工空间狭小，电解液不流畅而使电解产物难以排除的问题，减小加工过程中释放的热和气体及流场对电解加工的影响，不易出现微火花和短路，加工稳定性好。微细电极的高速旋转使得微小加工间隙内电解液流动条件稳定不变，被加工工件形状的一致性容易保证，能获得较高的加工精度。因此，微细电解铣削加工方式所具有的独特优势，使该工艺有可能成为加工高精度的三维微结构的重要工艺方法。 图5-2 用简单圆柱电极进行微细电解铣削展成加工 Fig.5-2 Micro-EC milling by simple column electrode 电解铣削加工在微细加工领域更能体现出它的优势，尤其是对于具有微小特征的微结构加工，通过加工简单形状微细电极的办法使工具制作问题简单化。微细电解铣削加工技术的出现给传统电解成型加工带来的变化是十分巨大的，对产品的制造工艺流程将产生重要影响。表5-1以对比的方式描述了传统微细成型电解加工和微细电解铣削加工制造微结构的工艺流程，可以看出微细电解铣削加工能够简化工艺流程。 表5-1 微细成型电解加工和微细电解铣削加工工艺流程比较 Table 5-1 Process flow comparison between micro EC sinking and micro EC milling - 83 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 微细电解铣削加工具有如下独特优点： （1）减少微细电解加工的加工间隙，提高微细电解加工的形状精度、尺寸精度和微细加工的能力。 （2）加工复杂结构可以采用简单电极，电极制作简单、成本低，适合于单件小批量生产。 （3）采用精密微进给装置，可以同时控制多轴，通过简单电极加工自由曲面，可以获得较高的纵横比结构，增强了加工能力。 （4）采用旋转的简单微细圆柱状电极类似圆柱铣刀侧铣方式进行微细电解铣削加工，能够克服由于加工空间狭小，电解液不流畅而使电解产物难以排除的问题，减小加工过程中释放的热和气体及流场对电解加工的影响，不易出现微火花和短路，加工稳定性好。微小加工间隙内电解液流动条件稳定不变，被加工工件形状的一致性容易保证。 （5）微细电解铣削与机械铣削加工方式相似，因此复杂结构可以采用 UG 软件按机械铣削方式自动编程。微细电解铣削加工技术的出现，使得现代飞速发展的 CAD/CAM、柔性制造、网络制造等多种新技术能更好地融入到微细电解加工当中。 在数控微细电解铣削加工中，电极的几何形状和结构显著地影响着电场分布、间隙分布和电解效率，在数控微细电解铣削试验中本文采用了圆柱状电极的侧面进行微细铣削加工，相对于采用电极端面加工来说，加工面积较大，加工速度快，而且具有较好的加工柔性。选用高频、窄脉冲电源，极大地改善加工间隙中的物理、化学特性。通过合理调整脉宽和脉间，使得极间电解液在脉冲间歇时极易得到更新和恢复，电化学加工产物和热量也会得到及时的排除。这样，电化学加工的尺寸精度、形状精度、表面质量都有很大的提高。通过采用高频、窄脉冲电流电源，利用高速旋转的简单形状微细电极与数控技术相结合，避免了微细成型电解出现的不利于微细加工的缺点，使加工间隙大大减小，能够控制在1020m之间，成型精度大大提高。脉冲微细电解铣削加工和普通脉冲电解加工一样，工件和工具电极分别接脉冲电源的正、负极，脉冲电源的脉冲宽度是s级甚至ns级，采用脉冲电流能大大增强微细电解的定域加工蚀除能力。简单微细通用电极的使用，能够大大提高成型精度、尺寸精度和简化电极制作。 微细电解铣削加工由于采用高速旋转的微细圆柱状电极作为加工工具，大大改善微小加工间隙内电解液流场，使加工区域流场稳定性好，能很好地保持在狭小加工间隙内加工条件的一致性。因此，在很小的加工间隙内容易- 84 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 保证加工间隙内电解液的电导率、温度等加工条件的一致性，所以对阳极溶解一致性蚀除效果好，提高了加工精度。当然这种加工存在加工效率低的缺点，因为采用微细电极，一个连续成型的电解加工过程被一个离散的成型加工过程所代替，加工面积很小，这就难以获得较大的电流，根据法拉第定律可知，阳极溶解的质量与电流大小成正比，所以加工效率会较低。但在微细加工中，加工效率并不是主要的，而获得较好的加工精度才是重要的。同时由于微细电解铣削加工继承了电解加工的许多优点，如无宏观切削力，可以加工高硬度、高强度的材料、可以把电极做的很小，这些特点使得微细电解铣削进入更精、更小、更准的加工领域成为可能。 5.2 微细电解铣削加工试验微细电解铣削加工试验 5.2.1 微细电解铣削加工微细电极的制备微细电解铣削加工微细电极的制备 微细电极要求能够耐腐蚀，可以长期浸泡在电解液中不发生变化。由于加工间隙很小，容易发生短路或出现微火花，所以电极还需要能够承受一定的短路电流和较好的抗火花性能。因此，选用金属钨作为工具电极材料。微细电极的制作精度决定微细电解铣削的成型精度。微细电解铣削加工所用的微细电极是在多功能微细加工平台上采用微细电火花加工技术加工成阶梯状，以获得较小直径的电极和较好的强度。为了减少杂散腐蚀，提高加工精度，微细电极最前端参与加工最细的那段电极长度与加工深度相比要长得多，防止电极较粗段的端面影响被加工工件的加工精度。在微细电解加工微型腔时，为了提高加工的成型精度，对加工的微细电极进行修型，故电极在磨细完成后应磨去端部的虚尖，获得高精度圆柱状电极。 5.2.2 微细电解铣削加工伺服进给方式微细电解铣削加工伺服进给方式 在微细电解铣削加工中，为了保证加工间隙的一致性，伺服进给流程图如图5-3所示。在微细电解铣削加工中，为了保证加工间隙的一致性，除了要保证加工参数在加工过程中保持不变，而且加工速度也要采用匀速加工。因此在微细电解铣削加工中，数控系统的伺服方式和加工微孔的伺服方式不相同，数控系统为微细电解加工提供了一种数值可调的恒速进给方式，如果加工中发生微火花或短路，数控系统自动降低进给速度，然后在匀速进给加- 85 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 工。这种运动进给方案我们称之为匀速欠进给，在开始加工设定进给速度时，不宜采用较高的进给速度，保证进给速度小于电解蚀除速度。 开始设定加工速度 、加工电流阈值It和加工电压阈值Ut间隙状态监测IUt？加工完成否？进给加工电极快速回退调整加工速度 ，启动电源关闭脉冲电源否否否是是是关闭脉冲电源结束 图5-3 电极伺服进给控制流程图 Fig.5-3 Servo control flow chart of electrode feed 5.2.3 微细电解铣削加工可行性试验微细电解铣削加工可行性试验 加工微小沟槽的试验，验证微细电解加工系统进行微细电解铣削加工的可行性。 （1） 试验参数 工件：抛光后的800m厚的304不锈钢；工具：25m的钨电极；电极的旋转速度：3000r/min；进给速度：向下钻入工件时速度为100m/min，划槽时速度为70m/min；加工电参数：电压5.5V，脉冲间隔20s，脉冲频率25kHz；电解液：浓度为30g/L的NaClO3溶液。 （2） 加工结果 如图5-4所示，所加工的样件窄梁高度为150m，宽度为约60m，梁的宽度一致性好，非加工表面几乎没有杂散腐蚀，验证了微细电解铣削加工的可行性。由于旋转的微细电极带动电解液在电极周围很小范围内匀速流动，所以在微小加工间隙内电解液流场稳定不变，被加工工- 86 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 件形状的一致性容易保证，较好的加工效果验证了微细电解铣削的可行性。 图 5-4 微细电解铣削加工的微沟槽 Fig.5-4 Micro groove machined by micro-EC milling5.3 采用微小加工间隙有利于提高表面质量采用微小加工间隙有利于提高表面质量 要真正实现微细电解加工，不仅需要能控制局部有选择地电解蚀除，以获得所需的形状和尺寸，还必须使被电解的表面有很好的自我整平能力，获得较好的表面粗糙度。为此应采用合适的电解液，这里选择低浓度的非线性钝化电解液、合适的电解加工参数和低电流密度，电解液的流动速度要小，冲液压力要小，电解加工工作在合理的阳极极化曲线区域段，工件的金相组织要细微均匀。 在微细电解加工中，加工间隙是影响加工精度的重要因素，通过降低加工电压、用很小脉冲宽度、降低电解液浓度来缩小加工间隙、提高尺寸精度和形状精度，而且采用微小加工间隙也有利于被加工表面整平。 下面以平面阴极加工平面为例来分析，如图5-5所示。 图 5-5 余量不均匀时电解加工示意图 Fig.5-5 Sketch map of ECM when there are scraggly allowances in machining gap 在工件表面低凹处和突出处不同点的加工速度： - 87 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 =Ca；+=Ca （5-1） 式中 C电化学加工因子； 加工间隙； 低凹处加工速度； a a突出处加工速度； 为低凹处和突出处之间高度差。 两处蚀除速度之比为 +=+=1aa (5-2) 如果加工间隙小，则/的比值增大，突出部位的去除速度将大大高于低凹处，提高了整平效果。由此可见，加工间隙愈小，愈能提高表面质量。对微细电解铣削加工中侧面加工间隙的分析也可得出相同结论。可见，采用小间隙加工，对提高成型精度、表面质量和加工效率都是有利的。但间隙愈小，对液流的阻力愈大，电流密度大，间隙内电解液温升快、温度高，电解液的压力需很高，间隙过小容易引起微火花和短路。通过使用高频窄脉冲电源、微细电极的高速旋转和灵敏的伺服控制系统，能够克服这些弊端。采用电解加工的微细结构光滑、无内应力、无裂纹，比电火花加工和激光加工的工艺效果更好。因此，缩小加工间隙，可以提高不同余量处的溶解速度差，使得余量大的位置溶解更快，余量小的地方溶解更慢，提高整平效果，获得较好的被加工表面质量。 如图5-6所示的是微细电解铣削加工样件的SEM图片，该样件是采用浓度为30g/l的NaClO3溶液、工件材料为300m厚的不锈钢1Cr18Ni9Ti、加工电压为5.5V、脉冲频率为20kHz和脉宽为25s、加工速度为70m/min的加工条件下微细电解铣削加工出来的。加工间隙能够控制在10m左右，从图中可以看到加工的侧壁具有光滑的表面，整平效果良好，加工表面质量好于微细电火花加工的表面质量。电解铣削加工过程中，加工路径只加工一次，当微细电极按原路径返回时，脉冲电源关闭，避免侧壁的二次加工。微结构被加工侧壁是利用微细电极的侧壁一次走刀加工而成，不需要采用分层加工，加工表面完整性好，侧壁的垂直度与工件厚度无关，而且杂散腐蚀作用相对较弱，因此侧壁不存在二次加工而造成侧壁加工垂直度差的缺点。从图中可以- 88 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 看出被加工工件无明显的杂散腐蚀，侧壁陡直光滑，无毛刺，加工的三叶型孔不同的叶槽宽度一致、均匀，重复性好。 图 5-6 微细电解铣削加工的三叶型孔 Fig.5-6 The three-leaf shaped hole machined by micro-EC milling 5.4 微细电解铣削加工工艺试验微细电解铣削加工工艺试验 在其它条件相同的情况下，加工间隙直接影响加工过程中的电流密度的大小，间隙越小，电流密度越高，加工效率也越高，因此，微细电解铣削加工过程中应尽可能应用较小的加工间隙。 但加工间隙也不能过小，否则不但会容易引起短路和烧伤，而且加工过程中产生的热量和产物也不易排除，都会给加工过程带来不利的影响，从而影响加工精度和加工的表面质量。而且工件成型是由侧面间隙决定的，而侧面间隙会受到多种因素的影响。在精度要求较高的微细电解加工场合，这些变化所带来的影响在制定工具走刀轨迹时需要加以考虑。 5.4.1 电极进给速度对侧面加工间隙的影响电极进给速度对侧面加工间隙的影响 进给速度是单位时间内刀具相对于工件的移动距离，在数控电解加工过程中，对于某种材料而言，如果加工速度太大，相对每一点的电解加工时间少，凸起部位溶解较少，加工后零件表面粗糙度达不到预期要求；如果加工速度太小，不仅加工效率低，而且还会在不该加工的表面和已加工的表面发生杂散腐蚀，从而影响形状精度。因此，电极进给速度必须和工件材料的电化学反应过程相匹配。 电极进给速度太快，电化学反应还来不及完成，容易发生短路；电极进给速度太慢，又会造成加工线宽过大，因此根据加工过- 89 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 程中具体情况，通过工艺试验摸索，找到合适的进给速度。 工艺试验是用圆柱状微细电极的侧壁在不锈钢上加工深为200m的微细窄槽。加工条件采用频率为20kHz，脉宽为20s，浓度为40g/L的NaClO3电解液，电极旋转速度为3000r/min，电极直径为25m。 微细电解铣削槽时侧面加工间隙大小s： 2TWs）（DD= （5-3） 式中 DW微槽的宽度； DT工具电极的直径。 所加工的沟槽的宽度可通过测量数显显微镜来测量，测量精度误差为1m。电极的侧面加工间隙与电极进给速度和加工电压之间的关系如图5-7所示。 01020304030507090进给速度(m/min)侧 面 加 工 间 隙 (m)5V6V7V 图5-7 微细电解铣削加工时侧面加工间隙与电极进给速度和加工电压关系 Fig.5-7 Relation between profile machining gap and feed speed in micro-EC milling 研究在确保加工精度的前提下如何尽可能提高加工效率很有实际意义，进给速度的快慢直接影响到加工效率的高低，因此有必要研究不同加工条件下由于进给速度的不同而带来的加工精度的变化。在微细电解铣削加工中，是依靠微细旋转圆柱状电极的侧壁进行加工的，由式（2-3）可知，在相同的加工电压下，工具进给速度的增加导致微细电极侧面加工间隙相应地减小，侧面加工区域的杂散腐蚀大大减小，定域加工能力大大加强，因此加工精度提高，生产率也得到提高。从图可以看到，随着工具进给速度的提高所加工槽的侧面加工间隙减小，比如在6V加工电压下，进给速度从30m/min提高到90m/min，相应的加工侧面间隙从25m降低到13m。因此提高进给速度带来的小间隙加工对于提高加工精度和提高加工效率的作用是显而易见的。 - 90 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 加工电压是影响微细电解铣削加工侧面加工间隙的另一个关键因素，随着加工电压的增加侧面加工间隙增大。从图5-7可知，采用低的加工电压有利于降低微细电解铣削的侧面加工间隙。由于在微小加工间隙(1020m)范围内，极化电压并非常数，而是由电流密度大小和流场流动状况决定的一个函数，因此参与溶解作用的极间欧姆压降并非随加工电压的增加而线性增加，因此通过工艺试验探索加工电压对微细电解铣削微槽的侧面加工间隙的变化规律，对提高加工精度具有很重要意义。 5.4.2 不同电解液对微细电解铣削加工间隙的影响不同电解液对微细电解铣削加工间隙的影响 电解液参数包括电解液的成份、浓度、温度和流速等。 一般微细加工应选用低浓度的非线性电解液，如NaClO3 和NaNO3。非线性电解液具有较高的加工精度，且杂散腐蚀小，有利于微细加工。 电解液的浓度会对电流密度产生影响，微细加工选用低浓度电解液，一般应在5%以下为宜。电解液的温度影响电解液的电导率，微细加工过程也不宜采用较高的温度，通常选择室温下的温度是比较合适的。 电解液应该具有一定的流速进行更新，一方面有利于电解液的成分的稳定，另一方面也有利于及时排出加工过程中的产物及电解产生的热量。 在电极旋转速度为3000r/min，进给速度为60m/min的情况下，脉冲频率为20kHz，脉宽为20s，加工温度控制在2530之间，电解液分别采用30g/L的NaNO3溶液和30g/L的NaClO3溶液，工件采用300m厚的材质均匀的不锈钢片(1Cr18Ni9Ti)，在不同电解液情况下微细电解侧面加工间隙的大小与加工电压的关系曲线如图5-8所示。 01020304050605678加工电压(V)侧面加工间隙(m)NaNO3NaClO3 图 5-8 微细电解铣削微槽时侧面加工间隙与加工电压关系 Fig.5-8 Relation between profile machining gap and voltage in different electrolyte - 91 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 NaNO3和NaClO3都是钝化电解液，二者的极化曲线相似，在加工中都会在侧壁形成钝化膜，使得侧壁上的杂散腐蚀大大减弱，加工时定域性好。从图5-8中可知，在试验中选用相同加工电压和使用相同浓度电解液，在NaNO3溶液中，侧面加工间隙的大小与加工电压呈近似的线性增加；而在NaClO3中，在加工电压56V之间侧面加工间隙随加工电压增加而增长很慢，在加工电压78V之间侧面加工间隙随加工电压增加而增长很快。利用在NaNO3溶液中比在NaClO3溶液中进行微细电解铣削得到的侧面加工间隙大，因此采用NaClO3电解液定域加工性能要好于NaNO3。这是因为这两种电解液加工不锈钢工件是的(i)曲线明显不同，如图5-9所示。从图中可以看出，相同的加工电压下，不同电解液中，3NaNO要明显大于3NaClO，所以电解蚀除的材料就多。因此，在微细电解铣削加工中在NaNO3电解液中侧面加工间隙大于在NaClO3电解液中的侧面加工间隙。采用NaNO3进行微细电解加工应选用更低浓度的电解液。在微细电解加工中，)NaClO(3did明显大于)NaNO(3did， NaClO3溶液在此区间内电流效率随电流密度增大而上升的速度更快，所以加工时定域性更好，形状精度更高。 010203040102030405060708090i/(A/cm2)/(%)30g/L的NaNO3 30g/L的NaClO3图 5-9 不锈钢在不同电解液中的 -i 曲线 Fig.5-9 Relation between and i during machining stainless steel in different electrolyte 5.4.3 影响微细电解铣削加工的其他因素影响微细电解铣削加工的其他因素 在数控微细电解加工中，电极的尺寸显著地影响着电场分布、间隙分布和电解效率，因为采用圆柱状微细电极的侧壁电解蚀除阳极表面，工具电极直径只在1050m范围内，在低浓度钝化电解液和低加工电压下，工件表面- 92 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 溶解只局限于微小加工间隙内靠近微细电极很近处溶解加工，由于钝化电解液的-i曲线非线性特性，工件表面稍远离工具电极的地方溶解速度急剧降低，当距离超过切断间隙后，溶解完全停止。这是因为只有离微细电极很近的加工区，电流密度足够大，能够蚀除金属，而远离微细电极的非加工区的电流密度小，不能或只能微量蚀除金属，显著增强电解加工的定域蚀除能力。因此，微细电极直径越小，加工间隙就越小，加工精度就越高。 采用高频、窄脉冲电源，使间隙流场改善，加工间隙得以更加缩小，使电流密度提高。另外，由于电流脉冲只持续很短的时间，而且采用微细工具电极、低浓度的钝化电解液和低的加工电压，所以工件的溶解只发生在非常靠近微细电极表面很小的区域内，远离微细工具电极的被加工表面因钝化层的保护不被蚀除，所以能得到高的加工精度。加工频率越高，越有利于微小加工间隙内电场、流场的改善，加工精度就越高。 加工过程中，电解液必须具有足够的流速，以便及时将氢气、金属氢氧化物等电解产物和微小加工区的热量带走。通过改变电极转速可以改善电解液流动状况，转速越快，电流密度就越大，阳极溶解速度就越快。由于微细电极的高速旋转，电解液在微细电极周围均匀分布，微小加工区内电解液流动稳定，有助于提高加工的稳定性，使被加工工件能具有较好的成型精度和加工表面。而如果采用成型电解加工带有微细特征的微结构，就很难规划电解液流场，电解液流动的不均匀性就会造成电解液涡流，涡流区内电解液流动缓慢，因此电解液得不到迅速的更新，就容易出现离子堆积，浓差极化严重，加工速度就会降低，影响加工成型精度和加工的表面质量，甚至出现微火花和短路，使加工难以进行。采用微细圆柱状电极的高速旋转，会使狭小加工间隙内电解液顺畅流动，加工中形成稳定的流场，使电解液不会产生涡流区，因此能够获得较好的加工效果。由于电解液是有粘性的，旋转的电极和电解液之间有摩擦力的作用而能带动电解液在微小加工间隙内流动，流动的电解液有助于将电解产物顺利地排除。高的电极转速更有利于电解产物的排除，但是电极转速的选择是有限制的，因为当选择转速太高时由于离心力作用将导致电极发生抖动，从而影响加工精度，因此不易采用通过高转速来提高加工效率，本文选择微细电极旋转速度为3000 r/min为宜。 另外，电解液的温度对加工过程也有显著影响。电解液的温度影响电解液的电导率，在一定范围内，一定浓度的电解液，温度越高，溶液中离子运动速度越大，则其电导率也越高，电流密度越大，阳极溶解能力就越强，杂散腐蚀加剧，就会对加工精度带来一定影响。在一般情况下，温度- 93 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 每升高10，电解质溶液的电导率大约增加10%20%。微细电解加工过程不宜采用较高温度，以防止电解液挥发，因此电解液温度一般都控制在2530之间。 5.4.4 一些微细电解铣削加工微结构样件一些微细电解铣削加工微结构样件 1微方柱阵列加工 采用微细电解铣削加工方法制作的微方柱阵列。试验参数：工件材料为304不锈钢；工具为25m的钨电极；电极的旋转速度为3000r/min；进给速度为向下钻入工件时速度为90m/min，划槽时速度为70m/min；加工深度150m；加工电参数：电压5.5V，脉冲时间20s，脉冲周期40s。电解液：浓度30g/L的NaClO3溶液。微细电解铣削微方柱阵列时，因为杂散腐蚀和电流的尖角效应的存在，所以很容易把方柱的尖角加工成“圆弧”。通过降低电压和电解液浓度，降低了杂散腐蚀，采用旋转微细电极铣削加工微方柱阵列，加工出了较好效果的方柱棱角，如图5-10所示。 图5-10 微细电解铣削加工微方柱阵列 Fig 5-10 Micro array square column machined by micro EC milling 2其它微结构的加工样件 图5-11所示的是采用微细电解铣削加工的微结构图 5-11 微细电解铣削加工的微细结构 Fig.5-11 Micro structures machined by micro EC milling - 94 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 样件，其中沟槽的最窄加工线宽约为40m。 5.5 微细电解铣削加工侧面成型的预测建模微细电解铣削加工侧面成型的预测建模 在微细电解铣削加工过程中，由于微细电极高速旋转，在狭小加工间隙内电极间的电解液高速流动，所以加工间隙内的电解液的电导率在加工过程中不会改变。工件材料采用匀质的金属材料。由于加工产生的电解产物相对整个电解液来说微乎其微，且电解液是循环流动的，所以电解产物不会影响电解液的性质。在高频、窄脉冲电流电解铣削加工中，加工间隙内的电场是准静态的，为了预测使用圆柱状微细电极侧面加工的微细结构的形状，可以建立一个数学模型来描述用简单圆柱状工具电极加工工件侧面成型，在工件上建立一个坐标OXYZ，如图5-12所示。 设在在某一时刻被加工工件形成的侧面有一个点O，可以用下式来表达：。 ),(tzxyy =根据法拉第定律和欧姆定律，在工件侧面给定的点O：的成型加工速度可以由下式描述： ),(tzxyy =221+=zyxyJty (5-4) 在加工开始时，即t=0时，被加工侧面初始空间可以表示为： ),(0zxyy = (5-5) 设是微细电解铣削加工中电解液中的电势，它是一个位置的函数，即 = (x, y, z)。根据Laplace公式确定加工间隙电解液不同位置的电位，利用欧姆定律和法拉第定律确定加工间隙内电解液中的电流密度，假设在微细电xy=y(x,z,t)fyz图 5-12 脉冲微细电解铣削加工侧面成型预测建模示意图 Fig.5-12 Scheme for modeling pulse micro-EC milling process - 95 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 解铣削加工中生成的气体和电解热不影响电解液的电导率，侧面成型的边界条件和微小加工间隙的电流密度能够得到： 0222222=+zyx (5-6) yenJ= (5-7) 式中 J电流密度； e电解液的电导率。 在普通电解中，在阳极和阴极表面的边界条件是：阳极电势为=V，阴极=0，V是阴极和阳极所加的电压。在微细电解加工过程中，电极极化超电压是一个重要影响因素，通常根据不同极化的原因，将极化分为浓差极化、电化学极化和电阻极化几种类型。电极极化所引起的总极化电压是以上各类超电压之和。当微细电解加工中，加工间隙小于0.1mm，极化过电压不是一个常数，而是一个关于电流密度的函数，对微细电解加工的表面形成会有很大的影响，所以在微细电解加工中阴极和阳极电势的边界条件也变成如下所示：阴极为=f(J，t)，阳极为=V-g(J, t)，其中f(J，t)和g(J, t)是在微细电解加工中关于阴极和阳极的极化过电压函数，它的大小是由两个电极间的浓差极化过电压和电化学极化过电压的总和决定的124，125。 式(5-4)(5-7)给出了工件和电极的相对运动关系。这些偏微分方程通过采用有限差分法能够解出。选定一个足够小的时间片段t，可以认为在这个时间片段内的电场和电流密度在侧面加工微小加工区域内是不变的，解决这个已知的界面成型后，利用迭代法，解决下一个时间段t+t的成型边界确定，从而整个边界的成型就能够被预测出来。所建立的数学模型为将来进一步进行微细电解铣削成型仿真奠定了基础。 5.6 基于基于 UG 软件软件 CAD/CAM 的微细电解铣削加工技术研究的微细电解铣削加工技术研究 随着设计制造业的发展，带有细微特征的微结构的需求更多。伴随着高速铣削技术的快速发展，微细铣削在微细加工领域也必将占有一席之地。但由于微细铣刀在制作上比较困难，造价很高，微细铣刀直径最小只能达到0.1mm。即使可以做得更小，但微小的切削量将导致切削条件恶- 96 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 化，引起刀具剧烈损耗，而且加工时将产生残余应力。因此，在实际工作中受到局限。另外，这些被加工的工件大多采用耐热、耐磨、高硬度、高强度的材料，使这些材料的切削性能差，而且高速铣削还存在刀头干涉的问题，而微细电解铣削则有它的优越性。 微细电解铣削加工其原理是利用简单电极，在数控系统控制下沿着预定的轨迹运动，实现实体成型的目的。微细电火花加工存在工具电极损耗，因此在加工过程中必须通过离散Z轴的方式进行一定策略的分层，并进行工具电极补偿，在不同的层面上进行平面加工才能实现微结构的加工，而且在微细电火花加工中电极相对损耗严重，加工一个工件可能需要更换微细电极，增加了加工费用。微细电解加工工具电极不存在工具电极的损耗，可以利用旋转的微细简单电极的侧壁电解蚀除金属材料。通过微细电极旋转，电解液很容易进入加工区，加工稳定，加工效率高，而且在加工过程中不用考虑电极补偿问题，不用更换电极，简化了工艺过程，降低了加工成本。因此，电解铣削加工在小型、微型加工中的优势是高速铣削所不能比拟的，进行三维数控微细电解铣削加工具有重要意义和良好的应用前景。下面是研究基于UG软件通用CAD/CAM的微细电解展成加工技术。 5.6.1 采用采用 UG 软件软件 CAD/CAM 系统生成加工系统生成加工 G 代码代码 随着计算机技术高速发展，涌现出了很多三维造型与设计的CAD软件，如UG、Pro-E、I-DEAS、masterCAM、MDT、Solidworks等等。UG无疑是其中最为优秀的代表之一。在CAD/CAM/CAE一体化设计方面，UG软件中各种先进的技术解决方案已经逐渐成为了业界所公认的领先技术，本文所进行的微细电解铣削加工微结构的CAD/CAM设计也是基于UG平台进行操作的。 微细电解铣削与机械铣削加工方式相似，因此复杂结构可以采用UG软件按机械铣削方式自动编程。将CAD/CAM 技术和微细电解加工技术有效地结合起来，充分利用两者的优点，实现了复杂形状、微小零件及表面的微细加工。采用低加工电压、低浓度钝化电解液和高频窄脉冲电源，加工间隙能够控制在1020m范围以内，电解加工可以成为微细加工的手段。电解加工过程中，作为工具电极的阴极金属没有损耗，不用像微细电火花铣削加工那样考虑电极损耗补偿策略，所以直接可以利用商用的CAD/CAM软件，按照机械铣削的方式进行微细电解铣削。 - 97 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 在图5-13所示的流程图中，可通过UG软件CAD/CAM强大的功能设计各种微结构零件和通过数控接口生成数控加工NC代码，并输入到数控微细电解铣削加工CNC系统完成加工。根据需要首先在CAD模块中对工件进行实体建模，完成工件的形状设计，这样可以充分利用模块中所提供的功能。并用CAE模块进行分析，满足要求后进入CAM模块。在进入CAM模块之前，首先对加工环境进行设置。UG加工环境设置中可选择的加工方法很多，但由于其主要是为机械加工用的，没有专门为电解铣削加工提供相应的处理模块，但其操作过程与机械铣削方式下的操作过程相似，按照传统机械铣削的加工生成NC数控G代码。 利用UG软件CAD/CAM生成的NC文件转化为数控微细电解铣削加工CNC系统能够完全兼容的NC文件，因此在UG的NC文件输出后还要进行一道后置处理操作。后置处理操作与UG无关，主要是进行一些代码图 5-13 微结构的 CAD/CAM 设计过程 Fig. 5-13 Process of microstructure CAD/CAM - 98 - 第 5 章 微细电解铣削加工研究 的转换与删除操作。这是由于UG主要是针对机械铣削加工的，在生成的NC文件中有一些电解加工机床中用不上的指令，如机床主轴转速设置命令S以及切削进给速度指令F等等。这些指令微细电解加工机床不能识别，因此对生成的G代码进行改造，删除没有用的信息，获得使数控微细电解加工系统能够兼容的G加工代码，故需要进行后置处理这一步。 由于微细电解加工时存在加工间隙，数控电解加工的成型精度是由侧面间隙决定的，而侧面间隙会受到进给速度等因素的影响，所以加工间隙的大小变化所带来的影响在制定工具运动轨迹时需加以考虑，以获得高的加工精度。在完成以上的设置与操作后，就可以将得到的NC文件直接输入到本文开发的微细电解加工装置数控系统中，运行NC文件，控制微细电极沿X、Y、Z三个轴向联动，进行微结构的铣削加工，实现微结构零件的加工。应该注意的是CAD/CAM 实体模型精度也会对加工结果产生一定的影响，同时，在由CAD/CAM 实体模型转换数控NC 代码过程中，也会产生误差，这就需要在建模过程中加以修正和完善。 电解铣削加工技术的出现，给电解加工微结构提供了一个新的加工方法，使得现代飞速发展的CAD/CAM、柔性制造、网络制造等多种新技术能更好地融入到微细电解加工当中。同时，由于电解加工属于非接触性加工，电极与工件之间没有宏观作用力，不受加工材料硬度限制，没有工具电极损耗，工具电极制作简单和加工精度高，这些都是机械铣削加工所无法比拟的，并且采用三轴或多轴能够加工更加复杂的微结构。数控微细电解铣削加工工艺使得加工过程的监控更容易，使电解加工重复性更强、质量更容易保证，我们相信随着研究的不断深入其应用价值将会更加广阔。 5.6.2 试验示例试验示例 如图5-14所示，采用UG软件通用CAD/CAM生成的G代码加工的微螺旋梁。加工条件如下：电解液为NaNO3 (10g/l)；脉冲频率为13 kHz；脉宽为 38s；工件为300m厚不锈钢和钨微细电极；加工速度为70 m/min。所加工的螺旋微梁宽度为50m左右，被加工的侧壁表面光滑，具有大的纵宽比和高的形状精度。首先采用UG软件来设计出微螺旋梁实体模型，再由UG软件生成数控加工NC代码，控制数控微细电解加工系统三坐标微进给机构实现微细加工过程。虽然所加工的渐开线螺旋微梁工件结构很简单，但也是需要很多次的直线和圆弧插补才能够实现，靠手工编程是很难实现的，所以- 99 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 依靠UG软件的CAD/CAM系统自动生成G代码。所获得的较好的工艺效果说明该数控微细电解加工系统具有较好的数控加工能力。 因此，将CAD/CAM 技术和微细电解加工技术有效地结合起来，充分利用两者的优点，能够实现复杂形状、微小零件的微细加工。该技术具有较好特点及优点。比如，它与传统机械微加工相比，加工效率高，加工成本低，加工精度高，不受材料硬度限制，不产生加工应力，简单工具电极制作方便等。通过对微细电解铣削CAD/CAM技术进行更深入的研究，利用多轴联动微进给机构，对三维微结构进行微细电解铣削加工的研究也在进行中。 图5-14 通过UG生成G代码微细电解铣削加工的螺旋微梁 Fig.5-14 Micro helix beam machined according to G code UG software generating 5.7 本章小结本章小结 随着高频、窄脉冲电流电源在微细电解加工中的使用和计算机数控技术的发展，采用简单圆柱状微细工具电极，通过控制其运动轨迹和加工参数，本章提出了微细电解铣削加工技术。通过加工试验，获得了较高的成型加工精度，并对影响微细电解铣削加工精度的因素进行研究，如进给速度、加工电压和电解液的种类等。微细电解铣削加工是利用简单圆柱状电极的侧面像微铣刀一样进行加工，为了预测工件成型，建立了预测工件成型的数学模型，所建立的数学模型为将来进一步进行微细电解铣削成型仿真奠定了基础。最后以UG软件为开发环境，利用通用的机械加工CAD/CAM软件进行微细电解铣削加工G代码生成，用数控微细电解加工系统加工较为复杂形状的微结构，取得较好效果，为具有导电性金属MEMS器件微结构加工开辟一种清洁、高效、高精度、低成本的新方法。 - 100 - 结论 结论结论 在电解加工过程中，材料的去除是以离子尺度进行，因此微细电解加工技术在微、纳米加工领域具有很大的发展潜能，有望成为一种主要的微细加工手段之一。本文通过对微细电解的特点进行总结，认识微细电解加工的机理，并在此基础上本文研制了微细电解加工系统。立足于微米级尺寸的加工，进行微细电解加工微小孔和微细电解铣削加工微结构方面的研究，取得的创造性成果如下： 1 研制了基于多功能微细加工平台的一套微细电解加工系统，该系统具有高进给分辨率、高定位精度及低速进给的稳定性，组成三轴联动，能进行微米级尺寸的微细电解展成加工；利用多功能微细加工平台的综合加工优势，实现了微细电火花与微细电解组合加工，在线制作微细电极，有利于发挥不同加工方法的技术优势；根据微细电解加工的特点，研制了全闭环伺服控制系统，制定伺服策略，使微细电解加工稳定进行。 2 利用现代电力电子技术和计算机控制技术，研制了高频窄脉冲微细电解加工电源。该小型化微能电源具有功率小、电压输出精度高及脉冲频率和占空比调节范围广等特点，能很好地满足微细电解加工要求。将加工状态检测模块、接触感知模块和电源保护模块集成于一体，为实现加工过程的自动控制提供了条件。 3 针对电解加工中加工间隙大、加工形状不易控制等缺点，提出采用高速旋转的微细电极、低加工电压、低浓度钝化电解液和高频窄脉冲电源，进行微细电解加工微孔，加工间隙能控制在10m左右，并加工出最小直径约为30m的微孔。另外，提出了采用削边电极进行微细电解加工大深径比的微小孔，改善了微小加工间隙内电解产物的排除条件，提高了加工效率、加工稳定性和加工精度，并加工出直径约为100m、深为750m微小孔。 4 针对微细成型电解加工的缺点，提出微细电解铣削加工新工艺，利用高速旋转的简单圆柱电极加工微结构，避免了复杂结构微细电极的制作，并获得较高的成型精度和加工稳定性。还提出了采用通用的机械铣削CAD/CAM进行数控微细电解铣削加工CAD/CAM设计的方法。并加工出一些代表性的样件，如宽度约为50m微螺旋梁、群方柱阵列、三叶型孔等。 此外，本文还完成了下面一些工作： 1在本微细电解加工系统上进行了系统的工艺加工试验，来研究各种- 101 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 加工因素对加工效率、加工精度的影响规律，如加工电压、电解液的浓度和种类、进给速度、电源的频率和占空比等。并对影响微细电解铣削的加工精度的因素进行研究，如进给速度、加工电压和电解液的种类等。 2利用高频窄脉冲电源在低浓度NaOH溶液中和低的加工电压下进行微细电极和微细探针加工的研究。 3完成了微细电解加工系统相关硬件电路的设计、安装与调试工作。 电解加工技术以其独特的加工机理在微细加工领域必将占有越来越重要的地位，具有广阔的应用前景。本文认为，下一步的研究工作应在如下几个方面进行展开： 1. 对纳秒级超短脉冲微细电解加工展开研究。 2. 研究新型电解液，适合于微细加工。 3. 进行电解复合工艺的研究，实现与其它微细加工技术的优势互补。如与微细多功能平台上的超声加工进行复合。 4. 对数控展成微细电解铣削加工技术进行更深入的研究，实现复杂微三维结构的加工。 - 102 - 参考文献 参考文献参考文献 1 王建业, 徐家文编著. 电解加工原理及应用. 国防工业出版社，2001 2 B. Bhattacharyya, J. Munda, M. Malapati. Advancement in electrochemical micro-machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2004, 44:15771589 3 Madhav Datta, Derek Harrist. Electrochemical micromachining: An environmentally friendly, high speed processing technology. Electrochimica Acta. 1997, 42:2022 4 J.Y. Wang, A. De Silva, Yu Yanqing, et al. New Approach to enhance the accuracy of ECM High-precision Short Pulses ECM (HSPECM). Journal of Materials Processing Technology. 2004, 149: 382383 5 王建业. 精密、特型、小型/微型国外电加工发展的几个值得注意的动向. 电加工与模具. 2001,(6): 2425 6 王文焕, 张之敬, 唐兴伦. 电解加工电源的发展及特点. 现代机械. 2004(1):5457 7 Datta M, Shenoy RV, Romankiw LT. Recent advances in the study of electrochemical micromachining. ASME. 1993, PED 64:675692 8 朱荻, 王明环. 微细电化学加工技术. 纳米技术与精密工程. 2005, (2):151155 9 Schuster R, Kirchner V, Allongue P, et al. Electrochemical micromachining. Science. 2000,289:98101 10 B.Bhattcharyya, S.Mitra, A.K.Boro. Electrochemical machining: new possibilities for micromachining. Robotics and Computer Integrated Manufacturing. 2002, 18: 283289 11 B. Bhattacharyya, J. Munda. Experimental investigation on the influence of electrochemical machining parameters on machining rate and accuracy in micromachining domain. Machine Tools & Manuacture. 2003，43: 13011310 12 M. Datta, L.T. Romankiw. Applications of chemical and electrochemical micromachining in the electronic industry. J. Electrochem. Soc. 1989:136(6): 28502857 13 唐兴伦, 张之敬, 王建平, 张利波. 一种高频群脉冲电解加工电源的研究和开发.电力电子技术. 2003，37（5）：5052 14 杨光,郑云飞,李勇. 微细电化学加工电源的设计与研究. 电加工与模- 103 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 具.2002,(2):2528 15 王建业,王晓燕. MOSFET高频、窄脉冲电解加工新型电源试验研究. 航空制造技术. 2001, (1):2730 16 Jerzy Kozak, Lucjan Dabrowski, Konrad Lubkowski, et al. CAE-ECM system for electrochemical technology of parts and tools. Journal of Materials Processing Technology. 2000, 107: 293299 17 Wei B., YuC.Y., Xu J.W. Numerical-controlled electrochemical machining (NC-ECM). Proceedings of ASEM. 1988:135140 18 朱永伟, 徐家文, 胡平旺. 数控展成电解加工整体叶轮的研究与应用. 航空学报. 2001，22（4）：376378 19 Xu Jiawen, Yun Naizhang, Tang Yangxin, et al. The modelling of NC-electrochemical contour evolution machining using a rotary tool-cathode. Journal of Materials Processing Technology. 2005, 159:272177 20 Jerzy Kozak. Computer simulation system for electrochemical shaping. Journal of Materials Processing Technology. 2001, 109: 354359 21 Rajurkar, K. P., Zhu, D., McGeough, J. A. New Developments in electrochemical Machining. Annals of the CIRP. 1999, 48(2): 567580 22 De Silva, A. K., McGeough, J. Hybrid Electrodischarge-Electrochemical Process for Roughing and Finishing Dies and Moulds. Proceedings of the ISEM-12, 1998:397406 23 S H Yeo, J H Choo, et al. On the effects of ultrasonic vibrations on localized electrochemical deposition. Journal of Micromechanism and Microengineering. 2002,12:271279 24 V. Fascio, R. Wthrich, H. Bleuler. Spark assisted chemical engraving in the light of electrochemistry. Electrochimica Acta. 2004, 49：39974003 25 K. Katahira, H. Ohmori, Y. Uehara, et al. ELID grinding characteristics and surface modifying effects of aluminum nitride (AlN) ceramics. Machine Tools & Manufacture. 2005, 45: 891896 26 Chauvy P.F., Hoffmann P., Landolt D. Electrochemical micromachining of titanium using laser oxide film lithography: excimer laser irradiation of anodic oxide. Applied Surface Science.2003,211:113127 27 De Silva A., H. Altena, J. McGeough. Precision ECM by Process Characteristic Modelling. Annals of the CIRP, 2000, 49(1):151155 28 王建业, 张永俊, 余艳青. 脉冲电解加工技术在精、微加工领域中的新发展. 第11届全国特种加工学术会议专集， 2005：304311 29 A. De Silva,H. Altena, J. McGeough. Influence of electrolyte concentration - 104 - 参考文献 on copying accuracy of precision ECM. Annals of the CIRP, 2003, 52(1):165169 30 B. Bhattacharyya, J. Munda. Experimental investigation into electrochemical micromachining (EMM) process. Journal of Materials Processing Technology. 2003, 140: 287291 31 郭永丰, 李旦, 赵家齐. 用电化学方法进行纳米级微细加工的初探.仪器仪表学报.1995，16（1） ：403405 32 朱荻.国外电解加工的研究进展. 电加工与模具. 2000 (1): 1116 33 B. Bhattacharyya, M. Malapati, J. Munda. Experimental study on electrochemical micromachining. Journal of Materials Processing Technology. 2005,169: 485492 34 Datta M, Shenoy RV, Romankiw LT. Recent advances in the study of electrochemical micromachining. ASME. 1993, 64:675692 35 Watanabe N., Suda M., Furuta K., et al. Fabrication of micro parts using only electrochemical process. The 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS), 2001:143146 36 E.-S. Lee, J.-W. Park, Y.-H. Moon. A Study on Electrochemical Micromachining for Fabrication of Microgrooves in an Air-Lubricated Hydrodynamic Bearing. Int J Adv Manuf Technol. 2002,20: 720726 37 J.W. Park, E.S. Lee, C.H. Won, et al. Development of electrochemical micro machining for air-lubricated hydrodynamic bearings. Microsystem Technologies. 2002, (9): 6166 38 B.Bhattacharyya, J. Munda, M. Malapati. Advancement in electrochemical micro-machining. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2004, 44: 15771589 39 蒋利民,田中群，刘柱方. 金属的电化学微区刻蚀方法.电化学.2002，8（2）:139147 40 段润保, 赵砚江, 毛言理. 微机械（MEMS）与微细加工技术.河北理工学院学报.2004，26（2） ：3440 41 苑伟政, 马炳和. 微机械与微细加工技术. 西北工业大学出版社，2000 42 赵万生, 王振龙, 郭东明等. 国外特种加工技术的最新进展. 电加工. 1999, (5):1219 43 饶勤. 实现微细加工的技术基础. 航空制造工程. 1994,(12): 2425 44 张大成. 基于硅深刻蚀工艺的硅微模具制造技术. 微型机电系统研究论文集. 清华大学出版社，2000:106110 45 M. Datta, D. Landol. Fundamental aspects and applications of - 105 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 electrochemical microfabrication. Electrochimica Acta. 2000, 45: 25352558 46 Y. Chenga b., B.-Y. Shewa, M.K. Chyuc, et al. Ultra-deep LIGA process and its applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 467: 11921197 47 田扬超, 付绍军, 洪义麟, 胡一贯. LIGA技术制作微细金属图形的研究.仪器仪表学报1996, 17（1）: 208-209 48 Wolfgang Ehrfeld. Electrochemistry and Microsystems. Electrochemica Acta. 2003,48: 2857-2868 49 蒋利民,田中群, 刘柱方. 金属的电化学微区刻蚀方法. 电化学. 2002 (2) :139-147 50 叶雄英，周兆英. 准LIGA工艺. 仪器仪表学报. 1996,17: 8589 51 张大成.基于硅深刻蚀工艺的硅微模具制造技术.微型机电系统研究论文集.清华大学出版社, 2000，5659 52 Olga V. Makarova, Derrick C. Mancini, Nicolaie Moldovan, et al. Microfabrication of freestanding metal structures using graphite substrate. Sensors and Actuators A. 2003, 103: 182186 53 Y. Cheng, B.-Y. Shew, M.K. Chyu, et al. Ultra-deep LIGA process and its applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2001, 467: 11921197 54 Kai Egashira, Katsumi Mizutani. Micro-drilling of monocrystalline silicon using a cutting tool. Precision Engineering, 2002, 26:263268 55 I. Tansel, M. Trujillo and A. Nedbouyan. Micro end milling III-Wear estimation and tool breakage detection using acoustic emission signal
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