高 峰，王 津，陳 偉，徐 成,3，韓福柱

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.清華大學(xué)北京市精密/超精制造裝備和控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.工程兵學(xué)院，江蘇徐州221004）

側(cè)壁絕緣電極小孔電解加工工藝研究

高 峰1,2，王 津1,2，陳 偉1,2，徐 成1,2,3，韓福柱1,2

（1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084；2.清華大學(xué)北京市精密/超精制造裝備和控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.工程兵學(xué)院，江蘇徐州221004）

采用微弧氧化、電泳復(fù)合工藝成膜的側(cè)壁絕緣電極，在不銹鋼片工件上進(jìn)行了一系列小孔電解加工實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該側(cè)壁絕緣電極加工孔的精度，并在此基礎(chǔ)上研究了加工電壓、沖液壓力對孔的成形精度的影響，以及陶瓷膜厚度和電泳膜厚度對電極耐久性的影響。結(jié)果表明：采用側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行加工，可顯著提高孔的成形精度；降低加工電壓，可減小孔的側(cè)面間隙，提高尺寸精度，孔的錐度受加工電壓的影響較??；沖液壓力對加工精度的影響不是很明顯；陶瓷膜和電泳膜的厚度越大，電極耐久性越強(qiáng)。

側(cè)壁絕緣；小孔；電解加工

電解加工因其加工表面質(zhì)量高、不存在殘余應(yīng)力、無電極損耗、群孔加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療、微型制造等領(lǐng)域的金屬材料微小孔加工中[1]。然而，電解加工時(shí)存在雜散電流，成形的孔會(huì)因雜散腐蝕呈現(xiàn)一定的錐度，精度不高。為約束電場范圍，抑制雜散腐蝕，微小孔電解加工中普遍對金屬管電極做側(cè)壁絕緣處理，以使電場僅限制在管電極端部[2]。電極側(cè)壁絕緣膜要求膜層厚度均勻，電絕緣性強(qiáng)，且在加工過程中有較強(qiáng)的耐久性。

目前，國內(nèi)外研究中應(yīng)用的側(cè)壁絕緣方法主要有化學(xué)氣相沉積（CVD）[3]、涂敷有機(jī)涂層[3-5]、涂敷復(fù)合涂層[6]等。CVD絕緣膜的絕緣性能良好，但對制膜環(huán)境和制膜設(shè)備要求高，制膜工序復(fù)雜。有機(jī)涂層絕緣膜的絕緣性能良好，但與基體的結(jié)合力不強(qiáng)，膜層長時(shí)間浸入電解液后，易發(fā)生滲透性鼓泡或陰極剝離。涂敷復(fù)合涂層法是將多層陶瓷和有機(jī)漆涂到電極側(cè)壁上，該方法得到的膜層絕緣效果好，但制作工序復(fù)雜，涂層厚度均勻性不易保證。

本文提出了一種新的適用于金屬管電極的側(cè)壁絕緣方法。該方法利用微弧氧化工藝在鈦合金管電極基體表面生成厚度均勻的絕緣陶瓷膜，再通過電泳工藝對陶瓷膜進(jìn)行封孔，以達(dá)到膜層絕緣的目的。將電極端面磨平后，即可用于電解加工。用該復(fù)合工藝制成的側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行小孔加工實(shí)驗(yàn)，取得了較好的效果。

1 側(cè)壁絕緣方案設(shè)計(jì)

本研究采用的側(cè)壁絕緣方案包含微弧氧化工藝和電泳工藝。微弧氧化工藝的目的是在鈦合金電極表面生成結(jié)合力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密、絕緣性能良好的陶瓷膜。電泳工藝則用來封住該陶瓷膜層存在的微觀孔洞和裂紋。

1.1 微弧氧化工藝制陶瓷膜

微弧氧化技術(shù)是在鈦、鋁等閥金屬合金表面原位生長出致密、均勻、高硬陶瓷膜的技術(shù)[7]。圖1是微弧氧化陶瓷膜的截面形貌，可看出微弧氧化陶瓷膜分為兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層致密層結(jié)構(gòu)致密，外層疏松層呈多孔結(jié)構(gòu)，存在微裂紋。

圖1 微弧氧化陶瓷層界面形貌圖

微弧氧化工藝制得的絕緣氧化膜，具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 氧化膜內(nèi)陶瓷層的成分主要是TiO2或Al2O3，膜層具有優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性；② 陶瓷膜致密均勻，孔隙率低，絕緣性能好；③陶瓷層是從合金基體上生成，膜層與基體屬于冶金結(jié)合，結(jié)合力強(qiáng)[8]。

微弧氧化過程中，待氧化工件作為陽極與電源正極相連，浸入NaAlO2（10 g/L）和Na3PO4（5 g/L）的混合電解液中，不銹鋼電解槽作為陰極與電源負(fù)極相連。直徑1 mm的鈦合金管電極微弧氧化工藝的實(shí)際放電過程見圖2。開通脈沖電源后，正脈沖電壓快速升高，電流迅速下降，當(dāng)外加脈沖電壓超過一定值時(shí)，工件表面開始出現(xiàn)細(xì)微均勻的白亮放電火花，最終在工件表面原位生長陶瓷膜層。本研究選用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：正壓420 V，負(fù)壓70 V，脈沖頻率50 Hz，占空比5%，溫度25℃，放電時(shí)間30 min。其中，負(fù)壓的作用是使陶瓷膜層更加致密、光滑。

圖2 電極微弧氧化工藝過程圖

圖3是未成膜電極和成膜電極的對比圖?？煽闯?，經(jīng)微弧氧化工藝處理后，電極側(cè)壁生成一層白色膜層，其主要成分為TiO2，即為氧化陶瓷膜?？刂撇煌碾妳?shù)，可得到厚度不同的膜層。

1.2 電泳工藝封孔

圖4是微弧氧化陶瓷膜的表面微觀形貌。可看出，微弧氧化陶瓷膜層微觀上呈多孔結(jié)構(gòu)，甚至存在部分微裂紋，電解過程中易發(fā)生漏電，使膜層產(chǎn)生滲透性鼓泡，甚至脫落，絕緣性下降。

圖4 微弧氧化陶瓷膜表面微觀形貌圖

圖5是直徑1 mm的鈦合金管電極經(jīng)微弧氧化工藝制膜后，作為陰極放入電解液通電的過程，電極浸入液面深度約10 mm。當(dāng)接通15 V電壓后，電極側(cè)壁表面開始產(chǎn)生氣泡，且數(shù)量隨時(shí)間的增加而增多；30 min后，電流由開始的0.1 A增加至0.5 A，證明絕緣膜發(fā)生破損。因此，為提高絕緣膜在電解反應(yīng)中的耐久度，必須進(jìn)行封孔處理，填充陶瓷膜表面的孔洞和微裂紋[9]。本研究采用電泳工藝進(jìn)行封孔處理。

圖5 微弧氧化電極通電產(chǎn)生氣泡過程圖

電泳可分為陰極電泳和陽極電泳，目前應(yīng)用范圍最廣、效果最好的是陰極電泳。將電極作為陰極放入改性環(huán)氧樹脂電泳漆中，通80 V直流電30 s后取出，放入烤箱，在200℃高溫中烘烤30 min，即可得到表面生成電泳漆的電極（圖6）。

圖6 電極電泳工藝成膜形貌對比圖

圖7是該電極作為陰極放入電解液通電的過程。當(dāng)通40 V直流電60 min后，電極表面未觀察到氣泡產(chǎn)生，證明電泳工藝成功實(shí)現(xiàn)了封孔效果。因電解加工電壓一般小于20 V，故微弧氧化、電泳復(fù)合工藝成膜的絕緣方法，適用于電解加工。

圖7 電泳電極通電過程圖

經(jīng)電泳工藝處理后，對電極端面進(jìn)行打磨處理，去掉端面絕緣層后，即可作為電極進(jìn)行加工。

2 側(cè)壁絕緣電極打孔精度實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用不同電極在不銹鋼板工件上各加工一個(gè)孔，通過同等實(shí)驗(yàn)條件下成形精度的對比，探究電極側(cè)壁絕緣對電解打孔精度的影響。

2.1 電極側(cè)壁絕緣對打孔錐度的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在直流電源下，電極側(cè)壁絕緣對成形孔的錐度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件為:工件為1 mm厚的304不銹鋼板，鈦合金管電極直徑為1 mm，側(cè)壁絕緣電極陶瓷膜的厚度為16.0 μm，電泳漆膜厚度為15.0 μm，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，沖液壓力為0.7 MPa，加工電壓為10 V，陰極進(jìn)給速度為0.19 mm/min。兩電極加工的孔的剖面形貌見圖8。

圖8 不同電極加工孔的剖面形貌圖

圖8a中，孔入口直徑為1.348 mm，孔出口直徑為1.206 mm，電極打孔深度為1 mm。根據(jù)錐度計(jì)算公式：

式中：α為錐度；ΔD為孔徑差；L為孔深。計(jì)算得到該孔錐度為4.06°。

圖8b中，孔入口直徑為1.187 mm，孔出口直徑為1.164 mm，電極打孔深度為1 mm。計(jì)算得到該孔錐度為0.659°。

由電解加工機(jī)理可知，當(dāng)加工電極側(cè)壁未絕緣時(shí)，加工時(shí)的電場沿電極表面向四周分布，電極側(cè)面始終存在一定的電場強(qiáng)度，使該方向上始終存在一個(gè)電解蝕除速度，經(jīng)一定加工時(shí)間后，側(cè)面間隙不斷擴(kuò)張。由于孔入口處始終存在電場，入口處側(cè)壁始終處于被電解狀態(tài)，故側(cè)向蝕除量最大，勢必會(huì)形成“喇叭口”，導(dǎo)致成形的孔具有較大的錐度，影響孔的尺寸及形狀精度。

當(dāng)加工電極側(cè)壁絕緣時(shí)，此時(shí)只有端面導(dǎo)電，電極側(cè)面的電場被絕緣膜屏蔽，在進(jìn)給過程中，只有電極端部進(jìn)行電解蝕除，孔入口處的蝕除量很小。因此，側(cè)壁絕緣極大地減小了側(cè)面間隙，且基本消除了孔的錐度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同種實(shí)驗(yàn)條件下，采用側(cè)壁未絕緣電極電解加工小孔時(shí)，成形的孔側(cè)面間隙和

錐度均較大；采用側(cè)壁絕緣電極電解加工小孔時(shí)，由于側(cè)壁絕緣膜對電極電場的屏蔽，成形的孔棱邊較銳利，側(cè)面間隙很小，且基本消除了孔的錐度，顯著提高了小孔電解加工精度。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，均采用側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行加工。

2.2 電解加工參數(shù)對打孔精度的影響

在小孔電解加工中，影響孔的成形精度的因素有很多。本節(jié)實(shí)驗(yàn)中，選用不同的加工電壓、沖液壓力等工藝參數(shù)進(jìn)行打孔，驗(yàn)證其對成形孔的直徑和孔徑差的影響。

2.2.1 加工電壓對打孔精度的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在直流電源下，加工電壓的變化對孔徑和孔徑差的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：工件為2 mm厚的304不銹鋼板，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，沖液壓力為0.7 MPa，陰極進(jìn)給速度為0.19 mm/min，加工電壓分別為10、12、14、16 V。加工電壓與孔徑的關(guān)系見圖9，加工電壓與孔徑差的關(guān)系見圖10。

圖9 加工電壓與孔徑關(guān)系圖

圖10 加工電壓與孔徑差關(guān)系圖

由圖9可看出，在保持其他加工參數(shù)不變的情況下，成形孔的入口直徑和出口直徑都隨著加工電壓的增加而增大。由電解加工原理可知，當(dāng)加工電壓增加時(shí)，電流密度增大，同等條件下的工件溶解速度增大。因加工過程中的陰極電極進(jìn)給速度均保持相等，故在進(jìn)給的垂直方向上工件蝕除速度加快，導(dǎo)致側(cè)面間隙增大，故成形孔的直徑增大。

由圖10可看出，在保持其他加工參數(shù)不變的情況下，成形孔的孔徑差與加工電壓沒有明確的相關(guān)性。本次實(shí)驗(yàn)中，孔徑差最大為57 μm，錐度最大為0.816°，說明側(cè)壁絕緣層抑制了雜散腐蝕。同時(shí)，加工電壓的改變對孔的尺寸精度有較大的影響，但對孔的錐度影響較小。

2.2.2 沖液壓力對打孔精度的影響

本實(shí)驗(yàn)探究在直流電源下，沖液壓力的變化對孔徑和孔徑差的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：工件為2 mm厚的304不銹鋼板，加工電壓為10 V，陰極進(jìn)給速度為0.19 mm/min，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 10%的NaNO3溶液，沖液壓力分別為0.7、0.8、0.9、1.0 MPa。沖液壓力與孔徑的關(guān)系見圖11，沖液壓力與孔徑差的關(guān)系見圖12。

圖11 沖液壓力與孔徑關(guān)系圖

圖12 沖液壓力與孔徑差關(guān)系圖

由圖11可看出，在保持其他加工參數(shù)不變的情況下，成形孔的孔徑變化與沖液壓力的變化沒有明確相關(guān)性。沖液壓力增加時(shí)，孔徑?jīng)]有明顯增大趨勢，入口處的最大孔徑與最小孔徑僅差47 μm，出口處的最大孔徑與最小孔徑僅相差51 μm。分析可知，當(dāng)沖液壓力改變時(shí)，加工區(qū)域的電場分布和電場強(qiáng)度無明顯變化，單位時(shí)間內(nèi)的工件蝕除速度不變，故孔徑變化不明顯。

由圖12可看出，在保持其他加工參數(shù)不變的情況下，成形孔的孔徑差與沖液壓力沒有明確的相關(guān)性。本次實(shí)驗(yàn)中，孔徑差最大為41 μm，錐度最大為0.587°，說明側(cè)壁絕緣層抑制了雜散腐蝕，起到了良好的絕緣效果。

3 側(cè)壁絕緣電極打孔耐久度實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)在不銹鋼板工件上加工了一系列小孔，直到電極側(cè)壁絕緣膜發(fā)生破損，此時(shí)，加工孔的圓度明顯變差，且加工過程中易發(fā)生短路、燒傷現(xiàn)象。當(dāng)絕緣層破損時(shí)，加工電流會(huì)穩(wěn)定增加。為驗(yàn)證膜

層是否破損，可將工具電極取下，放在顯微鏡下觀察。如果膜層表面仍然平整光滑且無破損痕跡，則說明電流增大是由其他隨機(jī)性因素造成，加工可繼續(xù)進(jìn)行；如果觀察到膜層表面有磨損、脫落現(xiàn)象，則停止加工。

圖13是電極加工一系列孔的工件正面（入口）外觀圖，圖14是反面（出口）外觀圖。圖中，a為第1個(gè)孔的入口、出口微觀形貌圖，b為絕緣層破損前的最后一個(gè)孔的入口、出口微觀形貌圖?？煽闯觯S著電極側(cè)壁部分絕緣層的破壞，加工孔的圓度明顯下降，此時(shí)加工停止，通過測量電極打孔的數(shù)量來探究電極的耐久性。

圖13 工件正面小孔

圖14 工件反面小孔

3.1 陶瓷膜厚度對電極絕緣耐久性的影響

電極側(cè)壁絕緣膜的耐久性對實(shí)際加工過程中電極的打孔精度有著重要的影響。本實(shí)驗(yàn)探究不同的陶瓷膜厚度對電極絕緣耐久性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：工件為2 mm厚的304不銹鋼板，加工電壓為10 V，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，沖液壓力為0.7 MPa，陰極進(jìn)給速度為0.19 mm/min，鈦合金管電極直徑為1 mm，電泳漆膜厚度為15.0 μm，陶瓷膜厚度分別為8.0、10.0、13.5、16.0 μm。

圖15是不同陶瓷膜厚度下的電極耐久時(shí)間及變化趨勢?？煽闯?，電極的耐久性隨著陶瓷膜厚度的增大而增加。陶瓷膜厚度增大時(shí)，陶瓷膜里的致密層厚度增大，膜層與基體的結(jié)合力增大，提高了電極的加工耐久性。

3.2 電泳漆膜厚度對電極絕緣耐久性的影響

圖15 不同陶瓷膜厚度下的電極耐久性變化趨勢

本實(shí)驗(yàn)探究不同的電泳漆膜厚度對電極絕緣耐久性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：工件為2 mm厚的304不銹鋼板，加工電壓為10 V，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，沖液壓力為0.7 MPa，陰極進(jìn)給速度為0.19 mm/min，鈦合金管電極直徑為1 mm，陶瓷膜厚度為10.0 μm，電泳漆膜厚度分別為3.5、9.0、12.0、15.0 μm。

圖16是不同電泳漆膜厚度下的電極耐久時(shí)間及變化趨勢?？煽闯?，電極的耐久性隨著電泳漆膜厚度的增大而增加。電泳漆膜厚度增大時(shí)，陶瓷膜表面膠體吸附量增加，能更好地封住陶瓷膜表面的微觀孔洞和裂紋，且增強(qiáng)了陶瓷膜與電泳漆膜的結(jié)合力。加工過程中，由于電泳漆膜與高壓電解液和加工屑直接接觸，故電泳漆膜厚度的增大，有助于提高膜層的耐磨性，進(jìn)而提高電極的加工耐久性。

圖16 不同電泳漆膜厚度下的電極耐久性變化趨勢

4 結(jié)論

（1）為抑制小孔加工過程中的雜散腐蝕，工具管電極需做側(cè)壁絕緣處理。本研究通過微弧氧化、電泳復(fù)合工藝制得了一種能滿足電解加工用電極的側(cè)壁絕緣膜。

（2）降低加工電壓，可減小孔的側(cè)面間隙，提高孔的尺寸精度，孔的錐度受加工電壓的影響較小。沖液壓力對加工精度的影響不是很明顯。

（3）增大陶瓷膜和電泳漆膜的厚度，有利于提高電極的耐久性。在目前的實(shí)驗(yàn)條件下，電極的耐久時(shí)間最長可達(dá)347 min，此時(shí)，陶瓷膜和電泳漆膜的厚度分別為16.0 μm和15.0 μm。

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Research on Small-hole Manufacturing Process through Electrochemical Machining with Side-insulated Tool Electrode

Gao Feng1,2，Wang Jin1,2，Chen Wei1,2，Xu Cheng1,2,3，Han Fuzhu1,2
（1.Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.The Institute of Engineering Corps，Xuzhou 221004，China）

A series of small-holes were manufactured through electrochemical machining on stainless workpiece by using side-insulated tool electrodes，whose films were made through MAO and electrophoresis process.The machining accuracy of small-hole with such insulated electrode was verified，on this basis，the effects of process parameters such as applied voltage and inlet electrolyte pressure on the quality of the small-hole were investigated,and the thickness of ceramic coating and electrophoretic coating on the durability of the electrode were investigated as well.The experimental results show that using side-insulated tool electrodes has favorable effect on the taper of the smallhole，low applied voltage can effectively diminish the side gap of the small-hole but has little influence on the taper of the small-hole，the effect of the inlet electrolyte pressure was not significant on machining accuracy，thick ceramic coating and electrophoretic coating can enhance the tool electrode's durability.

side-insulation；small-hole；electrochemical machining(ECM)

TG662

A

1009－279X（2014）03－0038-05

2014-03-17

高峰，男，1989年生，碩士研究生。