于建元 劉志東 邱明波 王 琳 田宗軍

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

因半導(dǎo)體、光學(xué)玻璃、工程陶瓷等難導(dǎo)電硬脆材料具有耐磨性強(qiáng)、硬度高等優(yōu)良性能，故在電子、光學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。但難導(dǎo)電硬脆材料的脆性大，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法成本高、效率低，且易產(chǎn)生微裂紋，從而嚴(yán)重影響表面質(zhì)量和性能［2］。

電加工是依靠電能、熱能而不是機(jī)械能實(shí)現(xiàn)加工的，可以加工任何硬、脆、韌、軟及高熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料，而難導(dǎo)電硬脆材料一般不能直接采用電加工方法加工。郭永豐等［3］研究了基于絕緣陶瓷輔助電火花加工原理在煤油中對(duì)絕緣陶瓷的電火花磨削加工，但加工效率較低。黑松彰雄［4］研究了機(jī)械電解電火花復(fù)合磨削技術(shù)，該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)非導(dǎo)電陶瓷的高效精密加工，但仍存在放電難以控制和電能利用率低等問題。劉永紅等［5］提出了雙電極同步伺服電火花機(jī)械復(fù)合磨削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非導(dǎo)電陶瓷的磨削加工，但輔助電極送給及控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，導(dǎo)致放電狀態(tài)難以精確控制。

基于電加工復(fù)合磨削出現(xiàn)的問題，本文提出了一種一極為開槽金屬輪，另一極為緊貼工件表面的進(jìn)電金屬片的噴霧電化學(xué)放電加工方法，闡述了其加工原理，并構(gòu)建了其傳熱物理模型。通過分析單晶硅、光學(xué)玻璃和氧化鋁陶瓷的加工放電波形和表面微觀形貌，提出了電化學(xué)放電加工加工不同類型難導(dǎo)電硬脆材料的加工狀態(tài)及蝕除方式。

1 噴霧電化學(xué)放電加工原理

對(duì)難導(dǎo)電硬脆材料進(jìn)行電化學(xué)放電加工時(shí)通常需要輔助電極才能達(dá)到放電目的，傳統(tǒng)的方法是直接采用導(dǎo)電噴嘴作為電極，這不僅提高了對(duì)噴嘴的制作和安裝要求，還要保證液流的連續(xù)性［6］。本文采用了緊貼工件表面的進(jìn)電金屬片作為輔助電極，其加工原理如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)開槽金屬輪與床身的絕緣，在開槽金屬輪的兩側(cè)面夾絕緣片且在中間放置絕緣套筒。加工時(shí)，將進(jìn)電金屬片接脈沖電源的正極，開槽金屬輪接負(fù)極，通過霧化噴嘴將電解液霧化并直接噴射到開槽金屬輪與進(jìn)電金屬片之間。由于開槽金屬輪周圍空氣流場的帶動(dòng)，其表面會(huì)附著一層空氣薄膜，而電化學(xué)作用可以在開槽金屬輪與電解液接觸處產(chǎn)生氫氣；當(dāng)氫氣泡達(dá)到一定量時(shí)便形成一層包圍開槽金屬輪的氣體薄膜，使得開槽金屬輪與電解液在短期內(nèi)形成絕緣，從而達(dá)到高的電位梯度；當(dāng)達(dá)到氣體薄膜的擊穿電壓后，便引起火花放電，產(chǎn)生的能量穿透電解液薄膜后直接到達(dá)工件表面，工件在放電爆炸力及局部熱沖擊力作用下產(chǎn)生蝕除，同時(shí)在工件上產(chǎn)生的突起部位可利用開槽金屬輪的機(jī)械刮磨作用加以去除。通過開槽金屬輪對(duì)工件進(jìn)行的電化學(xué)放電和機(jī)械力的共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)難導(dǎo)電硬脆材料的加工。

圖1 噴霧電化學(xué)放電加工原理圖

2 電化學(xué)放電加工的傳熱物理模型

電化學(xué)放電加工的本質(zhì)是開槽金屬輪與周邊的電解液作為放電兩極，擊穿兩極之間的氣體薄膜后產(chǎn)生火花放電而間接蝕除附近的工件材料，其物理過程如圖2所示。當(dāng)氣體薄膜將開槽金屬輪與電解液隔絕時(shí)，電場強(qiáng)度的增加使氣體薄膜被擊穿而引起火花放電，在開槽金屬輪與電解液之間形成一個(gè)截面積很小、電流密度很高的放電通道，其局部溫度可達(dá)10 000℃左右；由于進(jìn)電金屬片與電解液接觸面積很大，其附近產(chǎn)生氣泡的數(shù)量相對(duì)較少且很分散，故不會(huì)形成火花放電，如圖2a所示。對(duì)于開槽金屬輪而言，由于其高速旋轉(zhuǎn)，使得放電點(diǎn)迅速轉(zhuǎn)移，故在其表面產(chǎn)生的凹坑很??；而火花放電擊穿電解液薄膜后部分能量直接到達(dá)工件表面，使得局部工件材料瞬時(shí)軟化、熔融甚至氣化，并在放電爆炸力及局部熱沖擊力作用下，氣化和部分熔融的工件材料被直接濺射拋出，在工件表面形成微小的凹坑，如圖2b所示。

圖2 電化學(xué)放電加工物理過程原理圖

通過對(duì)電化學(xué)放電加工物理過程的分析，可構(gòu)建電化學(xué)放電加工的傳熱物理模型，如圖3所示。

圖3 電化學(xué)放電加工的傳熱物理模型

放電通道內(nèi)的等離子體在電場力作用下高速運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)開槽金屬輪與電解液進(jìn)行轟擊，形成符合高斯分布的瞬時(shí)高溫?zé)嵩矗碛泻苄∫徊糠帜芰可⑹г跉怏w薄膜中。由于開槽金屬輪的旋轉(zhuǎn)，部分熱量被帶走，使得其熔融氣化區(qū)較小。當(dāng)放電電流流過放電通道附近的電解液時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生較大的焦耳熱而使電解液溫度上升；由于電解液導(dǎo)熱性較好，大部分火花放電產(chǎn)生的能量將散失在電解液中，用于加熱電解液并使其局部溫度升高，部分電解液直接氣化而將下部工件暴露出來，使得部分能量可直接作用于工件材料表面，并向工件內(nèi)部傳遞而使其溫度升高，使工件軟化、熔融甚至氣化。

由上述傳熱物理模型可知，放電通道內(nèi)產(chǎn)生的能量即使再大，最終輸入到工件表層的也僅僅是其中一小部分，為此要盡量減少能量的散失，尤其是要減少電解液對(duì)放電能量的吸收，并使放電能量盡可能集中在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定加工。對(duì)此，可采取以下措施和方法：

（1）采用精細(xì)霧化噴嘴實(shí)現(xiàn)電解液的霧化。此時(shí)的加工介質(zhì)為氣液兩相流，氣相的存在不僅可以減小電解液的體積，從而減少電解液對(duì)放電能量的吸收，還有利于開槽金屬輪表面氣體薄膜的快速穩(wěn)定形成，從而減少電化學(xué)能的消耗，增大作用于工件的火花放電能量。

（2）優(yōu)化開槽金屬輪和進(jìn)電金屬片的結(jié)構(gòu)形狀與放置位置。為了使開槽磨輪具有較好的綜合加工性能，一般要求開槽磨輪的斷續(xù)比η＝0.60～0.85，開槽數(shù)目N為16～128［7］。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的開槽金屬輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，齒頂直徑為180mm，齒根直徑為168mm，開槽數(shù)N＝16。為了增大開槽金屬輪周圍空氣的帶入量，促進(jìn)空氣薄膜的快速形成，斷續(xù)比應(yīng)有所下降，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的開槽金屬輪斷續(xù)比η＝0.56。為了增大火花放電能量密度，開槽金屬輪的厚度應(yīng)越小越好，試驗(yàn)中所用開槽金屬輪的厚度為2mm。為了避免進(jìn)電金屬片處也產(chǎn)生電化學(xué)火花放電，應(yīng)增大進(jìn)電金屬片與電解液的接觸面積而使氣泡分散，故進(jìn)電金屬片面積應(yīng)盡量大，試驗(yàn)中采用的厚度為0.2mm。為了減少電解液中的能量消耗，開槽金屬輪與進(jìn)電金屬片之間的距離應(yīng)盡量小，試驗(yàn)中兩金屬電極水平距離H＝3mm，如圖3所示。

圖4 開槽金屬輪結(jié)構(gòu)圖

（3）為了充分利用開槽金屬輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)其周圍的空氣流場，可通過變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，空氣薄膜形成很慢，使開槽金屬輪、進(jìn)電金屬片與電解液一直形成回路，而主要依靠化學(xué)作用來形成氣體薄膜；當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，電解液將被迅速帶走而處于開路狀態(tài)。因此，加工時(shí)的轉(zhuǎn)速一般控制在1200～1800r/min，試驗(yàn)中所用轉(zhuǎn)速為1800r/min。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

加工時(shí)，將示波器的電壓探頭直接連在開槽金屬輪和進(jìn)電金屬片上。因?yàn)樵囼?yàn)中采用的是直流恒壓電源加斬波輸出方案，脈寬部分的電壓幾乎無變化，而電流會(huì)隨著電化學(xué)放電加工的微觀過程而發(fā)生變化，所以可以通過電流變化來進(jìn)行加工放電波形的分析。由電化學(xué)反應(yīng)：

可知，在同樣條件下，氫氣的產(chǎn)生速率為氧氣的2倍，可以加速氣體薄膜的穩(wěn)定形成，從而有利于火花放電機(jī)率的提高，故選用正極性加工方式。試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件

選取單晶硅（Si）、光學(xué)玻璃（SiO2）和氧化鋁陶瓷（Al2O3）三種典型的難導(dǎo)電硬脆材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，材料的物理屬性如表2所示。

表2 材料的物理屬性

3.2 加工放電波形分析

由圖5a可以看出，在水中加工單晶硅時(shí)，加工狀態(tài)為電火花放電。由于單晶硅具有一定的導(dǎo)電性，當(dāng)電壓較高時(shí)可以直接擊穿水介質(zhì)而在開槽金屬輪與單晶硅之間產(chǎn)生火花放電，電流呈典型半導(dǎo)體放電的爬坡上升形式［8］。

圖5 加工單晶硅的放電波形圖

由圖5b可看出，在NaOH溶液中加工單晶硅時(shí)，其加工狀態(tài)與在水中有所不同。第一個(gè)放電波形為直接氣中火花放電，其產(chǎn)生的原因是：受開槽金屬輪周圍空氣流場以及上個(gè)脈沖期間電化學(xué)作用的影響，產(chǎn)生的氣體薄膜已將開槽金屬輪與電解液隔絕，導(dǎo)致脈沖到來時(shí)直接把電場強(qiáng)度最大處的氣體薄膜擊穿，形成氣中火花放電，并使極間電阻迅速下降，電流呈爬坡式上升。第二、三個(gè)放電波形為電化學(xué)氣中火花放電，其形成過程分為三個(gè)階段：首先，由于氣體薄膜不足以隔絕開槽金屬輪與電解液，而NaOH溶液的導(dǎo)電性較好，故形成閉合回路，導(dǎo)致脈沖到來時(shí)電流值較大；其次，隨著電化學(xué)作用產(chǎn)生的氫氣泡增多，氣體薄膜逐漸致密并隔絕開槽金屬輪與電解液，導(dǎo)致極間電阻不斷增大，此階段的電流稱為電化學(xué)電流，其值略有下降；第三，隨著開槽金屬輪與電解液間的電場強(qiáng)度不斷增大，氣體薄膜被擊穿，形成氣中火花放電，極間電阻迅速下降，此階段的電流稱為放電電流，其值迅速上升。由于在一個(gè)脈沖內(nèi)既有電化學(xué)作用又有氣中火花放電的加工狀態(tài)，因此稱電化學(xué)氣中火花放電。

光學(xué)玻璃和氧化鋁陶瓷均為絕緣體，因此只能依靠在電解液中發(fā)生的電化學(xué)作用產(chǎn)生氣體薄膜后形成火花放電，由圖6和圖7可以看出，它們的加工狀態(tài)與圖5b在NaOH溶液中加工單晶硅的后兩個(gè)加工波形類似。由于電化學(xué)作用生成的氫氣泡需要經(jīng)一定延時(shí)以后才能形成穩(wěn)定致密的氣體薄膜來隔絕放電兩極，從而達(dá)到火花放電的條件，因此加工狀態(tài)基本先進(jìn)行兩金屬電極之間的電化學(xué)反應(yīng)，形成一定的氣體薄膜后再進(jìn)行氣中火花放電。由于加工時(shí)采用霧化噴液的方式，因此開槽金屬輪與進(jìn)電金屬片之間的電化學(xué)作用處于一個(gè)非穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致電化學(xué)電流也處于非恒定狀態(tài)；此外，受開槽金屬輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，開槽金屬輪表面氣體薄膜形成的速度和厚度均有些差異，故放電電流也有一定的波動(dòng)。

圖6 加工光學(xué)玻璃的放電波形圖

3.3 表面微觀形貌分析

圖7 加工氧化鋁陶瓷的放電波形圖

由圖8a可以看出，在水中加工單晶硅時(shí)，其表面粗糙、松散，由很多不規(guī)則的顆粒狀物組成，并且有非常明顯的顯微裂紋。由于電火花放電時(shí)，放電通道的瞬間溫度很高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單晶硅的熔點(diǎn)，而單晶硅的導(dǎo)熱性較好，故熱量向單晶硅的內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)展，單晶硅材料可直接被熔融甚至氣化，并在火花放電產(chǎn)生的爆炸力及局部熱沖擊力作用下拋除。隨著放電點(diǎn)的轉(zhuǎn)移以及水的冷卻作用，單晶硅加工區(qū)域在巨大的溫度梯度作用下，導(dǎo)致部分熔融單晶硅材料急劇冷卻，使晶核長成晶面取向不同的晶粒而形成多晶硅，并以顆粒狀雜亂地分布在單晶硅表面。由于硅凝固時(shí)體積膨脹，并產(chǎn)生熱應(yīng)力，故出現(xiàn)明顯的顯微裂紋。

圖8 單晶硅的表面形貌SEM圖

由圖8b可以看出，在NaOH溶液中加工單晶硅時(shí)，其表面較為平整，在大而淺的放電坑內(nèi)有很多微小孔洞，并有少量的顯微裂紋。分析其表面形成的原因是：首先，由于單晶硅具有一定的導(dǎo)電性，而電化學(xué)作用使得NaOH溶液的溫度較高，因此強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕作用使得單晶硅表面平整性較好；其次，由于電化學(xué)放電產(chǎn)生的能量要擊穿一層NaOH溶液以后才能到達(dá)單晶硅表面，從而導(dǎo)致作用于單晶硅的能量進(jìn)一步減小并很分散，故放電坑大而淺，并且由于電化學(xué)放電的區(qū)域范圍較大，使得火花放電能量利用率降低，因熱應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋較少，且部分裂紋被熔融產(chǎn)物填充，使得裂紋較淺；第三，在高溫條件下熔融的單晶硅與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)（Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑），生成的 Na2SiO3被高速旋轉(zhuǎn)的開槽金屬輪以及高壓霧化液流沖走，故出現(xiàn)許多微小孔洞［9］。

由圖8可以看出，對(duì)于單晶硅，無論是電火花加工還是電化學(xué)放電加工，其表面均不存在機(jī)械刮磨痕跡。分析原因是：若依靠開槽金屬輪的機(jī)械刮磨作用去除單晶硅的高溫軟化層，而露出嶄新的基體表面，雖然會(huì)加強(qiáng)電化學(xué)腐蝕和化學(xué)溶解作用，但開槽金屬輪與單晶硅接觸會(huì)出現(xiàn)短路或拉弧現(xiàn)象，進(jìn)而影響火花放電作用，故加工中應(yīng)盡量控制工件進(jìn)給速度，防止出現(xiàn)開槽金屬輪的機(jī)械刮磨作用。

由圖9可以看出，光學(xué)玻璃表面比較平整，較為規(guī)則的顆粒四周分布很多溝壑。雖然電化學(xué)放電的能量穿透NaOH溶液后才能傳導(dǎo)給光學(xué)玻璃，并且光學(xué)玻璃的導(dǎo)熱性很差，但因其不是結(jié)晶態(tài)物質(zhì)，沒有固定熔點(diǎn)，在溫度升高的過程中會(huì)慢慢地變軟，通常軟化點(diǎn)在600℃左右，并且溫度越高，其流動(dòng)性會(huì)越好，當(dāng)溫度達(dá)到1500℃時(shí)便會(huì)熔化，故表面光學(xué)玻璃會(huì)處于軟化、熔融甚至氣化狀態(tài)，然后在火花放電產(chǎn)生的爆炸力及局部熱沖擊力作用下拋除。由于光學(xué)玻璃的硬脆性很好，而加工時(shí)其軟化熔融區(qū)域很小，故應(yīng)控制工件進(jìn)給速度，盡量避免開槽金屬輪的機(jī)械刮磨作用。此外，在高溫條件下的部分軟化層和熔融未拋除的光學(xué)玻璃材料與NaOH溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)：SiO2＋2NaOH＝Na2SiO3＋H2O，溶解物被高速旋轉(zhuǎn)的開槽金屬輪以及高壓霧化液流迅速?zèng)_走，而使表面呈現(xiàn)很多溝壑。

圖9 光學(xué)玻璃的表面形貌SEM圖

由于氧化鋁陶瓷的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開槽金屬輪，故單純依靠機(jī)械力無法加工陶瓷；而氧化鋁陶瓷的熔點(diǎn)很高，導(dǎo)熱性較差，并且以共價(jià)鍵、離子鍵或其混合形式組成的原子結(jié)合力很強(qiáng)［10］，單純依靠電化學(xué)放電產(chǎn)生的能量也無法加工氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷為高溫?zé)Y(jié)而成，其顆粒大小不一，形狀各式各樣，并且分布雜亂，還有很多氣孔。由圖10可以看出，經(jīng)電化學(xué)放電磨削加工以后，氧化鋁陶瓷表面較為平整，顆粒表面覆蓋著重融物。在加工過程中，利用電化學(xué)放電產(chǎn)生的瞬間高溫對(duì)表面氧化鋁陶瓷材料進(jìn)行軟化，瞬間放電爆炸力及局部熱沖擊力減弱晶粒間的結(jié)合力，從而在陶瓷表面形成軟化層，此時(shí)僅需很小的機(jī)械力就可以將軟化層去除，以實(shí)現(xiàn)延性方式的磨削加工，部分軟化未拋除的材料將重新凝固覆蓋在顆粒表面。

圖10 氧化鋁陶瓷的表面形貌SEM圖

4 結(jié)論

（1）通過分析單晶硅、光學(xué)玻璃、氧化鋁陶瓷的加工放電波形得出，在電解液中加工難導(dǎo)電硬脆材料的狀態(tài)包括直接氣中火花放電和電化學(xué)氣中火花放電，并以電化學(xué)氣中火花放電為主。

（2）通過分析單晶硅、光學(xué)玻璃、氧化鋁陶瓷的表面微觀形貌可知，對(duì)于硅等半導(dǎo)體材料，主要依靠電化學(xué)腐蝕、電化學(xué)放電和化學(xué)溶解進(jìn)行綜合蝕除；對(duì)于光學(xué)玻璃等易軟化的絕緣材料，主要依靠電化學(xué)放電形成的局部高溫進(jìn)行軟化，并進(jìn)行化學(xué)溶解蝕除；對(duì)于氧化鋁陶瓷等高熔點(diǎn)絕緣材料，電化學(xué)放電通常只能產(chǎn)生軟化層，再由機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)延性方式去除。

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