余宏兵 曾永彬,2 劉 勇 朱 荻

1.南京航空航天大學(xué),南京,210016 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001

0 引言

近年來,隨著MEMS的發(fā)展,電子、光學(xué)、醫(yī)療、汽車、生物、通信和航空電子行業(yè)對微細(xì)部件和產(chǎn)品的需求正快速增長[1]。微機(jī)電系統(tǒng)的實(shí)用化在很大程度上取決于其動力裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的制造。一般材料難以適應(yīng)高溫高壓、大機(jī)械應(yīng)力、腐蝕以及高強(qiáng)度輻射等惡劣的工作環(huán)境,這限制了MEMS部件的應(yīng)用。鎳基高溫合金具有熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度和硬度高、耐腐蝕、抗磨損等特點(diǎn),被普遍認(rèn)為是有望解決前述問題的材料之一[2]。

用傳統(tǒng)切削加工方法進(jìn)行鎳基高溫合金材料的微細(xì)加工,存在刀具損耗嚴(yán)重、切削變形大、會產(chǎn)生切削熱和殘余應(yīng)力等缺點(diǎn);微細(xì)電火花加工技術(shù)加工鎳基高溫合金時,存在工具電極容易損耗、加工穩(wěn)定性不易控制等缺點(diǎn),特別是加工表面存在再鑄層的問題,這些都限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于電化學(xué)陽極溶解原理的微細(xì)電解加工,以“離子”溶解形式去除金屬材料,因此理論上可以達(dá)到很高的加工精度。該工藝具有加工效率高,工具無損耗,加工表面無熱影響層,被加工工件表面光滑,無內(nèi)應(yīng)力、無裂紋和不受加工材料硬度限制等優(yōu)點(diǎn),非常適合用來加工高溫合金。在采用納秒級超短脈沖電流技術(shù)后,電化學(xué)溶解的定域性得到很大提高[3]。

本文以鎳基高溫合金GH3030為加工對象,在線制作了柱狀電極。在三軸聯(lián)動微細(xì)加工平臺上,采用納秒脈沖電流技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)研究,利用優(yōu)化的參數(shù),成功加工出二維結(jié)構(gòu)和三維型腔,獲得了良好的加工效果。

1 加工原理及加工裝置

1.1 加工原理

在微細(xì)電解加工中,加工特征尺寸較小,傳統(tǒng)的拷貝式電解加工微成形電極制作困難,且電解產(chǎn)物難以排出。參照成熟的數(shù)控銑削加工,出現(xiàn)了以簡單形狀的工具電極完成復(fù)雜零件電解銑削加工的技術(shù)[4]。采用柱狀微細(xì)工具電極,通過控制其運(yùn)動軌跡,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的銑削加工,微細(xì)電解銑削加工示意圖見圖1a。

微細(xì)電解加工的極間等效電路如圖1b所示。等效電路電阻R與電解液種類、濃度和電極間的加工間隙有關(guān)。對于納秒脈沖的電化學(xué)反應(yīng),當(dāng)在工具電極和工件材料間施加脈沖電壓時,雙電層的電容C就會周期性地充放電[5]。正對工具電極的加工區(qū)域極間間隙最小,電解液等效電阻也最小,記為R1,雙電層充放電的時間常數(shù)τ1=R1C;非加工區(qū)域離陰極較遠(yuǎn),電解液等效電阻較大,記為R2,則雙電層充放電的時間常數(shù)τ2=R2C。通過選擇合適的脈沖寬度 t on,使得 τ1≤ton＜τ2,在納秒脈沖電源作用下,加工區(qū)的雙電層電容能夠完全充電,電極電位超過分解電壓值;非加工區(qū)時間常數(shù)大,雙電層電容尚未完全充電就進(jìn)入脈沖間隔階段,電極電位未能達(dá)到分解電壓值。因此,加工區(qū)電流密度大,集中蝕除效果好;非加工區(qū)域的電流密度小,工件被蝕除量少,從而抑制了影響加工精度的雜散腐蝕,顯著增強(qiáng)電解加工的定域蝕除能力[3]。

圖1 微細(xì)電解銑削加工原理圖

1.2 微細(xì)電解加工裝置

利用自行搭建的三軸聯(lián)動微細(xì)加工平臺在線制作微細(xì)電極,并進(jìn)行微細(xì)電解銑削加工實(shí)驗(yàn)。該微細(xì)電解加工系統(tǒng)包括納秒脈寬電源、運(yùn)動系統(tǒng)、加工控制與檢測系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、電解液系統(tǒng),以運(yùn)動控制卡為運(yùn)動控制系統(tǒng)核心,采用直流伺服電機(jī)—精密滾珠絲杠的進(jìn)給方案。運(yùn)動控制系統(tǒng)由德國PI公司生產(chǎn)的C843運(yùn)動控制卡控制M系列直線位移工作臺實(shí)現(xiàn)3個方向的聯(lián)動進(jìn)給。單軸進(jìn)給分辨率為3.4nm,重復(fù)定位精度為1μm,最低進(jìn)給速度為0.1μm/s,最高進(jìn)給速度為1mm/s。圖2為微細(xì)電解加工系統(tǒng)示意圖。

2 微細(xì)電極的在線制備

高形狀精度的微細(xì)電極是保證微細(xì)電解加工順利進(jìn)行的前提,直接關(guān)系到加工結(jié)果的好壞。目前微細(xì)電極的制作方法有精密車削法、離子束銑削法、線電極電火花磨削法、電化學(xué)腐蝕法等。相對于其他制備微細(xì)電極的方法,電化學(xué)腐蝕法經(jīng)濟(jì)、高效、加工參數(shù)易控制,更適用于制備微細(xì)電極。本實(shí)驗(yàn)將直徑300μm的校直鎢絲作為電極制備的原材料。制備原理如圖3所示,其中鎢絲作為陽極裝夾在機(jī)床主軸上,穿過作為陰極的不銹鋼圓筒中心,陰陽極均浸入濃度為2mol/L的KOH溶液中。在陰陽極之間接通直流電源后,不銹鋼板上有氣泡(H2)冒出,電化學(xué)反應(yīng)開始進(jìn)行。鎢絲在強(qiáng)堿溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),被氧化成WO2-4離子進(jìn)入溶液,從而鎢絲被溶解[6]。陰陽兩極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：

圖2 微細(xì)電解加工系統(tǒng)示意圖

圖3 電化學(xué)腐蝕鎢絲示意圖

對于微細(xì)電解銑削加工而言,電極的形狀精度尤其是工作端的形狀精度對加工結(jié)果影響很大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),尖銳狀的電極工作端,電場集中,很容易產(chǎn)生電火花燒蝕而彎曲。工作端尺寸越均勻、形狀越規(guī)則的電極,其周圍電場越均勻,加工過程越穩(wěn)定。通過控制影響電極成形質(zhì)量的因素,如加工電壓、加工電流、鎢絲浸入深度、電解液配比等可制作出直徑幾微米到數(shù)十微米,工作端尺寸均勻的柱狀電極[7]。圖4所示的微細(xì)電極工作端直徑在10μm左右,長度在100μm左右。

圖4 微細(xì)電極的工作端

3 實(shí)驗(yàn)安排與分析

加工間隙是微細(xì)電解加工的核心參數(shù),包括端面加工間隙和側(cè)面加工間隙。間隙越小,間隙內(nèi)的電流密度越大,集中蝕除能力就越強(qiáng),則加工精度越高。微細(xì)電解加工中材料的去除量很小,加工的尺寸在微米級,對加工精度的要求更高。另外,加工間隙還直接影響到加工效率和表面質(zhì)量。因此要實(shí)現(xiàn)高精度的微細(xì)電解加工,就必須減小加工間隙。

為了獲得較小的加工間隙和良好的加工穩(wěn)定性,本文進(jìn)行了一系列的參數(shù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用納秒脈沖電源和直徑 10μm的柱狀電極,采用GH3030進(jìn)行微槽的加工工藝實(shí)驗(yàn),研究不同加工參數(shù),如加工電壓、脈沖參數(shù)、不同電極直徑等對加工精度的影響。因端面加工間隙不易測量,故本文通過分析側(cè)面間隙的大小來研究GH 3030微細(xì)電解加工的精度,側(cè)面間隙Δs的測量公式為

式中,b為微槽的槽寬;d為工具電極的直徑。

3.1 加工電壓對側(cè)面間隙的影響

加工電壓是電解加工中的關(guān)鍵因素之一,是使電解加工得以進(jìn)行的原動勢能。實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)如下：濃度為0.2mol/L的 H2SO4電解液,工件為厚度300μm的GH3030板,脈沖電源周期為1μs,脈沖寬度為95ns,電極直徑為 10μm,進(jìn)給速度為 0.2μm/s,向下進(jìn)給深度為 10μm。實(shí)驗(yàn)測得的側(cè)面間隙隨電壓的變化趨勢如圖5所示。

圖5 加工電壓對側(cè)面間隙的影響

由圖5可知,加工電壓越高,側(cè)面間隙就越大,相應(yīng)產(chǎn)生的誤差就越大,零件的加工精度就越低。同時,加工電流隨著加工電壓的增大而增大,根據(jù)法拉第定律,材料的蝕除量隨著加工電流的增大而增大,一旦電解產(chǎn)物未能及時排出,就會造成短路。但過小的加工電壓不足以克服雙電層電勢和溶液歐姆壓降而建立起的必要的極間電流場;過大的電壓導(dǎo)致單位時間內(nèi)材料的蝕除量過大,電解產(chǎn)物不能及時排除。電壓過小或過大均會導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生,因而,在確保滿足所要求的電流密度且保證加工精度和加工穩(wěn)定性的前提下,電壓一般取4.5V。

3.2 脈沖寬度對側(cè)面間隙的影響

在脈沖參數(shù)中,脈沖寬度是重要的一項(xiàng),它反映了雙電層的充電時間。實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)如下：濃度為 0.2mol/L的 H 2 SO4電解液,工件為厚度300μm的GH3030板,加工電壓為4.5V,脈沖周期為1μs,電極直徑為 10μm,進(jìn)給速度為 0.2 μm/s,向下進(jìn)給深度為10μm,脈寬范圍為60～150ns。實(shí)驗(yàn)測得的側(cè)面間隙隨脈寬的變化趨勢如圖6所示。

圖6 脈沖寬度對側(cè)面間隙的影響

由圖6可知,隨著脈寬的增加,側(cè)面間隙增大。這是由于加工過程即為對雙電層進(jìn)行充放電的過程,當(dāng)脈寬變大時,雙電層的充電時間延長,加工電流增大,工件的蝕除量增加,因而側(cè)面間隙變大,加工精度下降。因而在保證加工穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)盡量減小脈沖寬度,一般取80～100ns。

3.3 電極直徑大小對側(cè)面間隙的影響

為驗(yàn)證電極直徑大小對側(cè)面間隙的影響,進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)。該組實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)如下：濃度為0.2mol/L的H2SO4電解液,工件為厚度300μm的GH3030板,加工電壓為4.5V,脈沖電源周期為1μs,脈沖寬度為 95ns,進(jìn)給速度為0.2μm/s,電極直徑為 4～18μm。實(shí)驗(yàn)所得電極直徑大小對側(cè)面間隙的影響如圖7所示。

圖7 電極直徑對側(cè)面間隙的影響

由圖7可知,總體而言,側(cè)面間隙隨著電極直徑的增大而增大,在電極直徑較小(4～7μm)時,側(cè)面間隙較小,但實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性不佳;隨著電極直徑的大幅增加,側(cè)面間隙隨之急劇增加,但加工過程趨于穩(wěn)定。因此為減小側(cè)面間隙以保證加工精度,同時保證加工穩(wěn)定性,一般加工實(shí)驗(yàn)采用直徑10μm左右的電極。

3.4 薄分層電解銑削策略

對于高深寬比的微型腔加工,一次電解銑削方法在加工時加工深度較大,加工間隙內(nèi)電解液難以及時更新,電解產(chǎn)物排出困難,很難保證加工精度和加工穩(wěn)定性,加工效率也很低。為獲得良好的加工效果,實(shí)驗(yàn)采用分層工藝進(jìn)行微細(xì)電解加工,將高深寬比的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成多層的簡單輪廓。薄分層電解銑削策略將每層銑削厚度控制在3～5μm之間,使得電解液能及時進(jìn)入加工間隙,帶走電解產(chǎn)物,消除了局部產(chǎn)物堆積產(chǎn)生的短路現(xiàn)象,提高了加工穩(wěn)定性;另外,每層銑削厚度較小,單位時間內(nèi)工件被蝕除量很少,可以以較高的速度進(jìn)行加工,從而提高了加工效率。

為探索薄分層電解銑削工藝對微細(xì)電解銑削加工過程的改善,在GH 3030上進(jìn)行了微槽的加工實(shí)驗(yàn),研究每層銑削厚度對進(jìn)給速度和加工穩(wěn)定性的影響(加工穩(wěn)定性以100μm長的微槽加工過程中的短路次數(shù)來衡量)。每層銑削厚度為1～5μm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 8所示。

圖8 每層銑削厚度對進(jìn)給速度和加工穩(wěn)定性的影響

由圖8可見,在每層銑削厚度小于3μm時,進(jìn)給速度和加工穩(wěn)定性均處于較理想的水平,隨著每層銑削厚度的增加,進(jìn)給速度突然下降且短路次數(shù)急劇增大,因此從加工穩(wěn)定性考慮應(yīng)該將每層銑削厚度控制在3μm以內(nèi)。另外,材料蝕除率R MR與每層銑削厚度的關(guān)系為

式中,h為每層銑削厚度;v為進(jìn)給速度。

每層銑削厚度h與RMR的關(guān)系如圖9所示,可見當(dāng)h=3μm時,材料蝕除率最大,加工效率最高,因此為兼顧加工效率和加工穩(wěn)定性,每層銑削厚度一般取3μm。

圖9 每層銑削厚度對材料蝕除率的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上實(shí)驗(yàn)與分析,在優(yōu)化參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了較高深寬比的二維結(jié)構(gòu)和三維型腔的微細(xì)電解銑削分層加工。圖10是在厚度為300μm的GH3030片上電解銑削加工出的二維方腔結(jié)構(gòu),方腔深35μm,相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：H2SO4電解液的濃度為0.2mol/L,加工電壓為4.5V,脈寬為95ns,脈沖周期為1μs。圖11所示的三維結(jié)構(gòu)加工條件與圖10相同,加工結(jié)果為型腔深40μm,槽寬28μm,中心舌狀結(jié)構(gòu)尺寸為80μm ×6μm,與設(shè)計(jì)尺寸(設(shè)計(jì)型腔深 40μm,槽寬 30μm,中心舌狀結(jié)構(gòu)80μm×5μm)基本相符,誤差較小;另外從局部放大圖可以看出其深寬比較大,棱角分明,形狀精度高,顯示了很強(qiáng)的定域性加工能力。

圖10 典型二維微結(jié)構(gòu)

圖11 典型三維微型腔

5 結(jié)束語

本文以鎳基高溫合金為加工對象進(jìn)行微細(xì)電解銑削加工實(shí)驗(yàn)。采用電化學(xué)腐蝕法制備了形狀精度高的柱狀微細(xì)電極,在鎳基高溫合金GH3030上進(jìn)行了一系列的參數(shù)對比實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)采用低加工電壓、小脈沖寬度、小電極直徑可有效提高加工精度。通過應(yīng)用薄分層電解銑削工藝,成功加工出高質(zhì)量的二維結(jié)構(gòu)和三維型腔。

[1] Rajurkar K P,Levy G,Malshe A,et al.Micro and Nano Machining by Electro-physical and Chemical Processes[J].Annals of the CIRP,2006,55(2)：643-666.

[2] Saldana C,Yang P,Mann J B,et al.Micro-scale Compnents from High-strength Nanostructured Alloys[J].Materials Science and Engineering A,2009,503(1/2)：172-175.

[3] Schuster R,Kirchner V,Allongue P,et al.Electrochemical Micromachining[J].Science,2000,289(5476)：98-101.

[4] Kim B H,Ryu S H,Choi D K,et al.Micro Electrochemical Milling[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2005,15(1)：124-129.

[5] 張朝陽,朱荻,王明環(huán).納秒脈沖微細(xì)電化學(xué)加工的理論及試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(1)：208-213.

[6] 王明環(huán),朱荻,張朝陽.電化學(xué)腐蝕法加工微圓柱體[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42(6)：128-132.

[7] Lim Y M,Kim S H.An Electrochemical Ffabrication Method for Extremely Thin Cylindrical Micropin[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2001,41(15)：2287-2296.