陳 輝,王玉魁,王振龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學微系統與微結構教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱 150001)

微小孔結構在微小機械零件加工中占有重要的比重。一般將直徑0.3～1.0mm的孔稱為小孔,將直徑＜0.3mm的孔稱為微孔。微小孔的應用十分廣泛,如燃料噴嘴(內燃機)、化纖細絲噴嘴、醫(yī)用流量計、噴碼機噴嘴等的微小孔加工[1]。微小孔的加工方法有機械鉆削、沖壓、電火花加工、超聲加工、激光加工、電子束加工和離子束加工等。與其他加工方法相比,由于電解加工金屬是以離子形式去除,對材料的破壞小,幾乎沒有切削力,很適合金屬材料的微細加工[2]。

電解加工微小孔的方法有多種。如:掩膜電解加工可在鎳、鉬、不銹鋼等金屬材料上加工微小孔,用于噴墨打印機噴嘴和MEMS器件[3];噴射電解液電解加工,可在鈦表面快速加工數百個孔,在曲面上也能加工出高深徑比的孔,但它的加工精度與掩膜加工相比低很多[4]。

德國的研究人員采用納秒超短脈沖電源,可把工件上的電化學反應限制在幾微米的范圍內,為電化學微細加工金屬材料奠定了基礎。他們用納秒級的脈沖電源和直徑10μm的鉑絲,在不銹鋼上加工出十幾微米寬的懸臂梁[5-6]。但需采用鹽酸和氫氟酸溶液,韓國研究人員采用稀硫酸溶液也取得了較好的效果。超短脈沖電源的應用使電解加工精度達到微米級,且不需要掩膜或其他絕緣處理[7,8]。

1 實驗方法及裝置

圖1 微小孔及電極加工裝置示意圖

微小孔的電解加工裝置如圖1所示。實驗裝置包括一臺具有X、Y、Z 3軸聯動的精密運動機床,3個軸的運動精度為0.1μm。Z軸上安裝了一個精密的旋轉軸C軸,徑向跳動小于1μm。脈沖電源提供高頻窄脈寬的電壓,加載到電極和工件上。傳感器負責檢測加工電壓和電流,當電極和工件發(fā)生短路時,將信號傳給上位機,控制電極回退一段距離。攝像頭負責觀察電極和加工后孔的大小。電解槽用有機玻璃制成,避免被電解液腐蝕,并與工作臺絕緣。電解液通過一個小流量泵循環(huán)流動并更新。

微細電極也是采用電解的方法加工而成,且在同一臺裝置上加工。微細電極加工過程如圖1所示。微細電極安裝在機床Z軸上,并接脈沖電源的正極。用一個不銹鋼片做陰極,接電源的負極。通過控制加工電壓和時間,就能加工出直徑十幾微米的電極。微細電極選擇直徑0.2mm的鉬絲,在NaOH溶液中用電解的方法加工。加工時,陰極不銹鋼片上有氣泡(H2)冒出,電極在強堿溶液中發(fā)生電化學反應,被氧化成MoO3,MoO3和NaOH發(fā)生反應生成MO-44離子進入溶液,從而鉬絲被溶解。電極和不銹鋼片發(fā)生的電化學反應如下:

加工微小孔時,只需更換脈沖電源的極性,把電極接電源的負極,工件接電源的正極,然后更換電解液。工件選擇的是304不銹鋼(0Cr18Ni9),因為它的碳、硫、磷等不溶解物質含量少,適用于微細加工。電極表面發(fā)生電化學還原反應,生成氫氣;工件表面發(fā)生電化學氧化反應,生成金屬的氧化物和氫氧化物。微細電極沿Z軸向下進給,在工件上加工出微小孔。在微細電解加工中,工件與電極之間的定位是保證精度的一個關鍵環(huán)節(jié)。在工件安裝固定后,可通過工件和電極的短路信號確定電極和工件的初始加工間隙。

2 微細電極的加工

微細加工所能達到的尺度是由其所使用的工具電極決定的,因此微細電極的制備在微細加工中非常重要。在微細電解加工中,工具電極同時影響著微細電解加工的精度。通過選擇合適濃度的NaOH溶液,以及脈沖電源的電壓、脈寬、頻率等參數,能加工出直徑均勻的微細電極(圖2)。

電極初始直徑為0.2 mm,電解液為質量分數3%的NaOH溶液,電源脈沖寬度為1μm,頻率500 kHz,分兩步加工而成。第一步粗加工,先用5 V電壓加工10 min;然后降低電壓,用3 V電壓加工20 min。加工的電極直徑12μm、長1mm。從電極的局部放大圖可看出,微細電極直徑均勻,表面光滑。

圖2 電解加工的微細電極

3 微小孔加工

3.1 電解液對加工的影響

微小孔電解加工的精度包括孔的圓度、電極和孔的側面間隙。電解加工不銹鋼時,常用的電解液有NaCl、NaNO3、NaClO3。 其中 NaCl是非鈍化電解液,NaNO3和NaClO3是鈍化電解液。圖3是分別采用NaCl和NaClO3溶液加工的微小孔。電解液的質量分數均為4%,電壓6 V,脈沖寬度1μs,脈沖頻率500 kHz。從其加工效果可看出,采用NaCl溶液加工的孔形狀不規(guī)則,且孔的周圍有明顯的雜散腐蝕痕跡。這是因為NaCl溶液屬于活化電解液,其Cl-離子的活化能力很強,易破壞不銹鋼表面的氧化層,使電解加工的雜散腐蝕十分明顯。所以加工的孔形狀不規(guī)則,且雜散腐蝕嚴重。而采用NaClO3溶液加工的孔形狀規(guī)則,雜散腐蝕較小。這是因為NaClO3是鈍化電解液,它的電解加工效率隨著電流密度的減小而減小,所以加工的孔形狀規(guī)則,雜散腐蝕小。NaNO3溶液和NaClO3溶液加工效果沒有明顯變化。由于NaClO3溶液是鈍化電解液,它的電解效率不如NaCl溶液,所以在NaClO3溶液中加工速度比在NaCl中慢。

圖3 分別在NaCl和NaClO3溶液中加工的孔

電解加工時,如采用鹽溶液作為電解液,不銹鋼發(fā)生陽極溶解的產物是不溶于水的氧化物或氫氧化物。常規(guī)電解時,可用強制沖液的方法將電解產物沖走。由于微小孔電解加工所用的電極直徑很小,電解液的流動速度不能太快,否則會使電極擺動,甚至折斷。所以電解加工微小孔,特別是深孔時,一般采用酸溶液。酸溶液是非鈍化電解液,加工的孔間隙較大。為了結合鈍化電解液的優(yōu)點,同時避免不溶于水的產物對電解的影響,在鈍化電解液中添加絡合劑EDTA進行實驗。EDTA是一種金屬離子絡合劑,能和堿金屬、稀土元素和過渡金屬等形成穩(wěn)定的水溶性絡合物。圖4是分別采用質量分數3%H2SO4和3%NaClO3+0.5%EDTA加工的孔。電極直徑為100μm,電源參數相同,孔的直徑分別是180、135μm。可以看出,在NaClO3+EDTA混合溶液中加工孔側面間隙小,雜散腐蝕小。說明EDTA不會影響NaClO3的鈍化性能,同時能溶解陽極產物。

圖4 分別在H2SO4和NaClO3+EDTA溶液加工的孔

3.2 電解液濃度對加工間隙的影響

電解液的濃度主要影響電解液的電導率。電導率是電解液的固有性能,影響電導率的主要因素有電解液的成分、濃度和溫度。電導率直接影響側面間隙和電流密度等工藝參數,并最終影響加工精度和加工效率。常規(guī)加工時為提高生產效率,一般采用高濃度的電解液。而微細電解加工時,電解液的濃度一般較低,濃度的改變會引起電導率很大變化。因此,為保證加工精度,要對濃度進行嚴格的控制。圖5是不同濃度的電解液對孔側面間隙的影響。電源電壓6 V,脈寬1μs,頻率500 kHz,電極進給速度12μm/min。實驗表明,通過降低電解液濃度,在低加工電壓下,側面間隙可小至十幾微米甚至數微米。隨著電解液濃度的增加,加工間隙增大,因此,高的電解液濃度不利于微小側面間隙的形成。但鈍化電解液濃度也不能無限減小。由于濃度的減小使電流效率和電導率下降,從而使電流密度減小,這就會使加工速度以接近二次方下降,導致生產率降低。極間歐姆壓降也會增大,故造成極間熱損加大,且微火花和短路出現幾率加大。

圖5 電解液濃度對加工間隙的影響

3.3 電壓對加工間隙的影響

加工電壓是電解加工過程中可調的參數之一,是使電解加工得以進行的原動勢能,它克服雙電層的反電勢和溶液歐姆壓降而建立起必要的極間電流場,從而確保達到所選用的電流密度,其大小隨電極體系分解電壓大小而定。由法拉第定律可知,電化學加工時,工件溶解的量與通過的電量成比例。溶解速度由電流密度決定。電流密度與溶液的電導率κ,加工電壓U,極化電壓Upol,加工間隙 s有關。

不銹鋼在不同的電解液中極化電壓差別很大。在鈍化電解液,它的極化電壓可達1.5 V,因此,采用鈍化電解液時需較高的電壓,才能達到一定的加工速度。實驗采用質量分數3%H2SO4和3%NaClO3+0.5%EDTA,脈寬1μs,頻率500 kHz。由于采用了較低的加工電壓,所以降低了電極進給速度,選擇6 μm/min。由圖6可知,加工電壓越高,側面間隙就越大,相應產生的加工誤差也越大,零件加工精度就越差。因而,微細電解加工過程中,在確保滿足所要求的電流密度時,加工電壓盡量取下限。但電壓越低,加工速度越慢,加工時間越長,側面間隙反而變大。因此,要選擇合適的加工電壓,保證加工速度。

圖6 電壓對加工間隙的影響

3.4 脈沖寬度對加工間隙的影響

脈沖電流電源的頻率和脈寬對加工間隙的大小也有很大影響。由于高頻、窄脈沖電源的使用,電解反應是分時進行的,在很短脈沖時間內產生很少的電解產物極易被溶解,故能大大減少側面間隙和電解熱的生成。根據雙電層理論,脈沖寬度的減小可提高加工精度,減小側面加工間隙。如圖7所示,當脈寬小于1μs時,側面間隙有一個明顯的減小趨勢。當脈寬較大時,由于雙電層充電時間對加工電壓影響較小,因此,側面加工間隙變化不明顯。

圖7 脈沖寬度對加工間隙的影響

3.5 孔的一致性實驗

理論上,電解加工的電極是不會損耗的,只要電極沒有因短路或意外發(fā)生損壞,電極的直徑是不會發(fā)生變化的。電解加工的孔一致性較好(圖8),用直徑20μm的電極加工10個微小孔。電解液為質量分數3%NaClO3+0.5%EDTA溶液,電壓6 V,脈寬1μs,頻率500 kHz,加工速度為6μm/min,工件厚度為0.1 mm。通過測量,10個孔的平均直徑為58 μm,孔的直徑差在2μm以內。

圖8 孔的一致性實驗

4 結論

通過采用超短的脈沖電源和合適的電解液,微小孔和微細電極的加工可在同一臺機床上進行,實現了微細電極的在線加工, 避免電極的二次裝夾。采用電解加工法, 可在線加工出直徑12 μm 的鉬電極。在鈍化電解液中添加絡合劑不會改變鈍化電解液的鈍化性能, 并能溶解陽極的電解產物, 避免發(fā)生短路, 提高了加工的穩(wěn)定性。實驗結果表明, 超短脈沖電壓能明顯減小微小孔加工的側面間隙, 并保證孔直徑的一致性。

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