劉 勇 曾永彬

(①山東大學(xué)力學(xué)與機(jī)電裝備聯(lián)合工程技術(shù)研究中心，山東 威海264209;②南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016)

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、汽車電子、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)以及生物工程領(lǐng)域，人們對(duì)微小型裝置的需求不斷增加，并且對(duì)其功能、結(jié)構(gòu)以及可靠性等方面的要求也越來越高［1-2］。而微細(xì)加工技術(shù)是微小型零件制造的基礎(chǔ)技術(shù)，是產(chǎn)品微型化的支撐技術(shù)，已成為世界各國(guó)廣泛關(guān)注和重點(diǎn)投入的研究熱點(diǎn)［3-5］。

近年來，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者特別關(guān)注微細(xì)電解加工技術(shù)，期望利用其獨(dú)特的加工原理和特性解決難加工材料微小金屬零部件的制造難題。德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本以及印度等國(guó)家對(duì)微細(xì)電解加工技術(shù)都進(jìn)行了大量的科研投入，取得了顯著的成果，如德國(guó)的Rolf Schuster 加工出了微米級(jí)特征尺寸的微型腔［6］，美國(guó)的Andrew L. Trimmer 通過轉(zhuǎn)印加工出了結(jié)構(gòu)尺寸為亞微米級(jí)的復(fù)雜圖案［7］，韓國(guó)的Kim 制備出了微盤狀電極并用之加工出了微內(nèi)孔結(jié)構(gòu)［8］，日本的Kurita 利用微細(xì)電解加工技術(shù)成功加工出了微菱形電極及復(fù)雜結(jié)構(gòu)［9］，印度的B. Bhattacharyya 加工出了微孔及U形槽結(jié)構(gòu)［10］。而在國(guó)內(nèi)，南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校的學(xué)者也在微細(xì)電解加工領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展［11-13］。

微細(xì)電解加工技術(shù)基于電化學(xué)陽極溶解的原理，以離子形式(金屬離子的尺寸在1/10 納米甚至更小)進(jìn)行材料去除，理論上可以獲得極高的加工精度，且具有非接觸、與材料硬度強(qiáng)度無關(guān)、無切削力等優(yōu)點(diǎn)，因此微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域、以至于納米制造領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿?。但目前?guó)內(nèi)外對(duì)該類技術(shù)的研究尚處于初級(jí)階段，還有許多基礎(chǔ)問題和技術(shù)問題亟待解決。微細(xì)電解加工技術(shù)的不足主要集中在以下兩方面:(1)加工效率低下。上述國(guó)內(nèi)外研究顯示，加工時(shí)微電極進(jìn)給速度基本處于0.1～1 μm/s范圍甚至更低;(2)加工穩(wěn)定性差。研究顯示，由于加工間隙過于微小，加工產(chǎn)物不易于排出，電解液很難及時(shí)更新，導(dǎo)致微間隙內(nèi)電場(chǎng)和流場(chǎng)不均勻，極易發(fā)生短路現(xiàn)象。因此，如何促進(jìn)加工產(chǎn)物的排出和電解液的及時(shí)更新就成了微細(xì)電解加工中急需解決的研究課題。

本文針對(duì)MEMS 器件中大量微小金屬結(jié)構(gòu)的制造需求，以顯著提高微細(xì)電解銑削加工效率為目標(biāo)，研究了微小加工間隙內(nèi)漩渦流對(duì)物質(zhì)傳遞的影響規(guī)律，并通過優(yōu)化加工參數(shù)，成功高效地加工出了形狀復(fù)雜的微小金屬結(jié)構(gòu)，加工穩(wěn)定性好，為實(shí)現(xiàn)金屬微小結(jié)構(gòu)的高效、精密制造提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

1 加工原理與裝置

1.1 微細(xì)電解銑削加工原理

微細(xì)電解銑削加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，采用微米級(jí)柱狀電極作為工具陰極，通過控制其加工運(yùn)動(dòng)軌跡，來完成復(fù)雜零件加工的微細(xì)電解加工技術(shù)［14-15］，其加工原理如圖1 所示。

影響微細(xì)電解銑削加工效率和穩(wěn)定性的主要因素是當(dāng)加工間隙(包括端面間隙和側(cè)面間隙)小到一定程度時(shí)，一般的沖液方式很難解決加工間隙內(nèi)的電解液及時(shí)更新和電解產(chǎn)物及時(shí)排出等問題，所以很容易發(fā)生短路現(xiàn)象。為解決上述問題，本文采用高轉(zhuǎn)速電主軸(最高可達(dá)50000 r/min)帶動(dòng)螺旋柱狀微電極作為工具陰極，被加工金屬材料作為陽極，加工時(shí)，微電極高速旋轉(zhuǎn)，兩極間充滿非線性鈍化電解液，極間加上高頻脈沖電壓后，電極表面雙電層的電容就會(huì)進(jìn)行周期性的充放電過程。兩極間通過高頻脈沖電流，選擇合適的脈沖寬度后，加工處于暫態(tài)加工過程。由于極間雙電層電容的指數(shù)衰減特性，靠近電極表面的雙電層區(qū)域會(huì)強(qiáng)烈充電，而遠(yuǎn)離電極的區(qū)域充電效果就大幅減弱。所以，強(qiáng)烈的陽極溶解反應(yīng)只會(huì)發(fā)生在工具陰極周圍數(shù)微米距離的區(qū)域。圖2 是工件表面雙電層極化電位隨距離的變化情況，橫軸X是工件加工面在水平方向與陰極邊緣的距離。可以看到:當(dāng)加工區(qū)的電位為800 mV時(shí)，在陰極邊緣以外2 μm 的非加工區(qū)，極化電位只有200 mV，與平衡電位大體一致，基本不發(fā)生反應(yīng)，工件陽極被蝕除的量非常少，與加工區(qū)相比幾乎可以忽略。所以高頻脈沖微細(xì)電解加工的定域性能得到大幅提高。

1.2 電極旋轉(zhuǎn)對(duì)小間隙內(nèi)流場(chǎng)的改善

研究顯示，一定轉(zhuǎn)速的微電極有促進(jìn)微加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物的排出，使間隙內(nèi)電解液快速更新的作用［16］。為了深入分析電極旋轉(zhuǎn)速度，尤其是電極高轉(zhuǎn)速(＞15000 r/min)工況下對(duì)小間隙流場(chǎng)的影響規(guī)律，本文基于COMSOL Mutilphysics 多物理場(chǎng)耦合分析軟件，利用有限元方法對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行了仿真分析［17］，選擇較為合理的電極轉(zhuǎn)速，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證流動(dòng)方式的可行性。

由于小間隙內(nèi)微流動(dòng)為旋轉(zhuǎn)流，且在空間為軸對(duì)稱，所以選擇COMSOL Mutiphsics 中化學(xué)工程模塊動(dòng)量傳遞中的旋轉(zhuǎn)流模塊(2 D 軸對(duì)稱)進(jìn)行仿真，流場(chǎng)模型如圖3 所示。圖3 b 中，w=200 μm，s=50 μm，b=50 μm。

圖3 b 各邊界條件，如以下設(shè)置:

以上各式中，Uw表示沿切線方向的壁面速度，Ww為移動(dòng)壁面速度，ω為角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑。

加工間隙內(nèi)流場(chǎng)經(jīng)以上模型建立和邊界設(shè)置后，利用COMSOL 軟件對(duì)本文模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，其仿真結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中各轉(zhuǎn)速條件下流場(chǎng)分布可知:隨著電極轉(zhuǎn)速的提高，小間隙內(nèi)水流速度呈快速上升趨勢(shì)，并且電極底部渦流呈不同規(guī)律分布。當(dāng)電極轉(zhuǎn)速提高至3000 r/min 時(shí)，電極旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)的水流對(duì)加工間隙內(nèi)物質(zhì)的傳遞開始呈現(xiàn)較明顯的改善作用;而當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至10000 r/min，電極底部的渦流呈增大趨勢(shì)，并不利于電解液的更新及電解產(chǎn)物的排出，但陽極表面的水流速度還是呈增大趨勢(shì)，所以從實(shí)際加工效果來看，并未頻繁出現(xiàn)短路現(xiàn)象;隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，電極表面所帶動(dòng)水流的離心作用起主導(dǎo)作用，把電極端部產(chǎn)生的渦流向軸心方向擠壓，渦流逐漸變小;當(dāng)電極轉(zhuǎn)速達(dá)40000 r/min 以上時(shí)，陽極表面的流場(chǎng)分布及水流速度最為理想，電解液能夠及時(shí)更新，產(chǎn)物也能順利排出，加工速度可提高較大幅度，加工穩(wěn)定性好。

1.3 微細(xì)電解銑削加工系統(tǒng)的建立

高轉(zhuǎn)速微細(xì)電解銑削加工的試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 a 所示，主要包括:微電極系統(tǒng)、直線位移平臺(tái)、檢測(cè)與控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)和微秒脈沖電源系統(tǒng)等。為保證機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛性、精度及操作可維護(hù)性，微細(xì)電解銑削加工機(jī)床采用了雙立柱龍門結(jié)構(gòu)，如圖5 b 所示。

微電極系統(tǒng)由微電極(陰極)、電極夾具、高速電主軸和被加工工件(陽極)構(gòu)成。加工時(shí)，高速電主軸帶動(dòng)微電極高速旋轉(zhuǎn)，兩極間接入微秒脈沖電流，加工間隙內(nèi)充滿鈍化電解液(如NaNO3或NaClO3)，利用陽極的鈍化作用減小側(cè)面間隙，以提高微小結(jié)構(gòu)的加工精度。

電極旋轉(zhuǎn)軸C為日本NSK 公司生產(chǎn)的高精密電主軸，由NE211 可編程控制器控制，轉(zhuǎn)速在0～50000 r/min 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，徑向跳動(dòng)在1 μm 以內(nèi)。直線位移平臺(tái)以臺(tái)灣凌華公司生產(chǎn)的MP-C154 型四軸運(yùn)動(dòng)控制卡為核心，精確控制臺(tái)灣GMT 電動(dòng)滑臺(tái)CYS-6020 (X-Y方向)和CXS-6030 (Z方向)，實(shí)現(xiàn)X-Y-Z這3 方向的精密往復(fù)進(jìn)給，可達(dá)到0.25 μm 的雙向定位精度和±0.5 μm 的往復(fù)定位精度，能夠滿足微米級(jí)微細(xì)加工的需求。試驗(yàn)中使用的電源為納秒級(jí)脈沖發(fā)生器，可以輸出峰值電壓為±10 V，最小脈寬為8 ns 的脈沖電流。

檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)加工區(qū)域的電信號(hào)進(jìn)行采集與分析，根據(jù)電流閾值大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線位移平臺(tái)的反饋控制。本文以美國(guó)NI 公司生產(chǎn)的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI -6221 為硬件基礎(chǔ)，在Labwindows/CVI虛擬儀器平臺(tái)上開發(fā)了一套與硬件配套的加工檢測(cè)與控制系統(tǒng)。將檢測(cè)到的信號(hào)，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，最終實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與反饋控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過多組微細(xì)電解銑削加工試驗(yàn)來驗(yàn)證微細(xì)電解銑削加工中各加工參數(shù)，如電極轉(zhuǎn)速、電壓幅值、脈沖寬度及電解液濃度等對(duì)加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性的影響。加工效率用最大穩(wěn)定加工速度來表示，加工精度以加工過程中的側(cè)面加工間隙作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)面間隙可用下式求得:

其中:Δs為側(cè)面間隙，d為工具電極的直徑，S為加工后的槽寬。加工穩(wěn)定性則以加工1 mm 的微槽過程中出現(xiàn)的短路次數(shù)來衡量。

2.1 電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工效率和加工精度的影響

由圖4 的加工間隙內(nèi)流場(chǎng)分析結(jié)果可知，電極轉(zhuǎn)速對(duì)間隙內(nèi)的流場(chǎng)影響很大。為驗(yàn)證電極高轉(zhuǎn)速對(duì)加工效率和加工精度的促進(jìn)作用，進(jìn)行以下微槽加工的轉(zhuǎn)速對(duì)比試驗(yàn)。

基本試驗(yàn)條件如下:采用直徑100 μm 的WC 微銑刀作為工具電極，工件陽極為厚度300 μm 的高溫合金板(GH3030)，加工電壓4.5 V，脈寬30 μs，脈沖周期1 ms，電解液為低濃度硝酸鈉溶液(10 g/L)，進(jìn)給距離約1000 μm。工具電極轉(zhuǎn)速從5000 r/min 逐步提高到50000 r/min。

圖6 為不同電極轉(zhuǎn)速對(duì)最大穩(wěn)定加工速度和側(cè)面間隙的影響曲線。從圖6 中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，最大穩(wěn)定加工進(jìn)給速度也逐步增大，而隨著進(jìn)給速度的增大，所加工槽的側(cè)面間隙呈減小趨勢(shì)，加工精度提高。這是因?yàn)殡S著電極轉(zhuǎn)速的增加，加工間隙內(nèi)流場(chǎng)分布和水流速度趨于理想，使電解液的更新速度及排屑速度加快，有利于加工的順利進(jìn)行，同時(shí)作用于陽極表面的電流密度變大，蝕除率變大，加工效率提高。本組試驗(yàn)較好地驗(yàn)證了本文流場(chǎng)模型的仿真結(jié)果。

圖7 為不同電極轉(zhuǎn)速以及對(duì)應(yīng)的最大穩(wěn)定進(jìn)給速度下所加工的微槽SEM 圖。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:電極轉(zhuǎn)速的增加帶來了高的穩(wěn)定加工進(jìn)給速度，而隨著進(jìn)給速度的增加，側(cè)面間隙減小，這是因?yàn)樵诜€(wěn)定加工的前提下，提高工具電極進(jìn)給速度有利于加工過程中保持較小的平衡間隙，較好地保證了加工的定域性，同時(shí)在較高進(jìn)給速度下，工具電極對(duì)已加工槽的兩側(cè)側(cè)壁二次電解的作用變小，可以保持較小的側(cè)面加工間隙，提高加工精度。所以，為保持高的加工精度，應(yīng)在加工穩(wěn)定的前提下適當(dāng)增加進(jìn)給速度。

2.2 電壓幅值對(duì)加工質(zhì)量的影響

以上試驗(yàn)研究顯示:高的電極轉(zhuǎn)速可以較大幅度地提高微細(xì)電解銑削加工的加工效率和加工精度。為獲得更優(yōu)的加工質(zhì)量，使各加工參數(shù)更加匹配，下面在一定范圍內(nèi)對(duì)各加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

為研究電壓幅值對(duì)加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了以下對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件基本同上:電極轉(zhuǎn)速定為40000 r/min，進(jìn)給速度10 μm/s，電壓幅值變化范圍4～8 V。側(cè)面間隙和短路次數(shù)隨加工電壓的變化趨勢(shì)如圖8 所示。圖9 為不同加工電壓下所加工的微槽SEM 圖。

由圖8 可知，隨著加工電壓從4 V 增加到8 V，側(cè)面間隙隨之增大，即加工精度隨著電壓的升高而降低。圖8 中短路次數(shù)是對(duì)不同電壓幅值下的加工穩(wěn)定性比較，加工電流隨著加工電壓的增大而增大，使得加工產(chǎn)物變多，一旦電解產(chǎn)物未能及時(shí)排出，就會(huì)出現(xiàn)局部的堆積而造成短路現(xiàn)象。因此加工中應(yīng)盡量采用較小的電壓。但加工電壓太小也不行，這樣會(huì)降低加工蝕除率，與進(jìn)給速度不匹配，導(dǎo)致短路現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。所以，加工電壓過小或過大均會(huì)導(dǎo)致加工穩(wěn)定性的下降。在保證穩(wěn)定加工的前提下，加工電壓一般取值4.5 V。

2.3 脈沖寬度對(duì)加工質(zhì)量的影響

為了研究脈沖寬度對(duì)加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了以下對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)基本同上，脈沖寬度取值范圍為20～60 μs。不同脈沖寬度下的側(cè)面間隙和短路次數(shù)如圖10 所示。不同脈沖寬度下，微槽加工的SEM 圖片如圖11 所示。

由圖10 和圖11 可知，在其他參數(shù)不變的情況下，側(cè)面間隙隨著脈寬的增加而增大，加工精度下降。這是由于當(dāng)脈寬變大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)加工時(shí)間變長(zhǎng)，加工電流增大，工件的蝕除量增加，因而側(cè)面間隙變大，加工定域性降低。同時(shí)，由于電解產(chǎn)物增多，如果不能及時(shí)排出，就會(huì)產(chǎn)生短路現(xiàn)象，導(dǎo)致加工穩(wěn)定性下降。在保證穩(wěn)定加工的前提下，脈沖寬度一般取值25～40 μs。

2.4 電解液濃度對(duì)加工質(zhì)量的影響

為了研究電解液濃度對(duì)加工精度和加工穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了本組試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)基本同上，試驗(yàn)采用低濃度NaNO3溶液作為電解液，濃度分別取:5 g/L、10 g/L、20 g/L、40 g/L。圖12 是不同濃度下側(cè)面間隙和短路次數(shù)變化曲線。圖13 是不同濃度下所加工微槽的SEM 照片。

由圖12 和圖13 可知，側(cè)面間隙隨著濃度的增加而增大，加工精度下降。因?yàn)殡娊庖簼舛仍龃螅妼?dǎo)率也會(huì)隨之大幅增大，不利于小加工間隙的形成。因此，在保證穩(wěn)定加工的前提下，一般取電解液濃度為10 g/L。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

在分析了上述各加工參數(shù)對(duì)加工規(guī)律影響的基礎(chǔ)上，為顯示微細(xì)電解銑削加工工藝在微小結(jié)構(gòu)高效加工方面的能力，進(jìn)行以下典型微小結(jié)構(gòu)的加工試驗(yàn)。圖14 是在GH3030 材料上加工出的微小結(jié)構(gòu)。圖14 a 所示為一條三次NURBS 曲線，槽深100 μm，槽寬195 μm。加工條件為:電極轉(zhuǎn)速40000 r/min，加工電壓4.5 V，脈沖寬度30 μm，脈沖周期1 ms，電極直徑100 μm，進(jìn)給速度為10 μm/s，電解液為10 g/L 的NaNO3溶液。圖14 b 所示為微懸臂梁結(jié)構(gòu)，槽深為100 μm，槽寬為140 μm，最小特征尺寸40 μm，加工參數(shù)同圖14 a。

從圖14 中可以看出，NURBS 曲線過渡順滑，槽寬一致性好;微懸臂梁結(jié)構(gòu)棱角分明，邊緣清晰，具有較高的形狀精度。

3 結(jié)語

本文針對(duì)微小結(jié)構(gòu)的加工需求，在難加工材料高溫合金GH3O3O 上進(jìn)行了微細(xì)電解高效銑削加工工藝試驗(yàn)，穩(wěn)定加工速度可達(dá)10 μm/s，較大提高了微細(xì)電解銑削的加工效率。分析了主要工藝參數(shù)，尤其是電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工結(jié)果的影響，可得出以下結(jié)論:

(1)試驗(yàn)分析了各主要加工參數(shù)，如電極轉(zhuǎn)速、電壓幅值、脈沖寬度、電解液濃度等對(duì)加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，采用高電極轉(zhuǎn)速、較大進(jìn)給速度(10 μm/s)、較小的電壓幅值、脈沖寬度和低濃度電解液等可有效提高加工效率、加工精度和加工穩(wěn)定性。

(2)應(yīng)用優(yōu)化后的參數(shù)，成功加工出了特征尺寸數(shù)十微米的典型微小結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了微細(xì)電解高效銑削加工工藝在微小金屬結(jié)構(gòu)制造方面的廣闊前景。

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