孫艷琪，唐偉東，康小明

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院/機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

電化學(xué)放電加工（electrochemical discharge machining，簡稱ECDM）是一種針對絕緣硬脆材料的有效微細(xì)加工方法，于1968年由日本學(xué)者首次提出并應(yīng)用于玻璃加工[1]。相比于超聲、激光等加工方式，電化學(xué)放電加工有更好的加工柔性，能加工復(fù)雜的二維、三維結(jié)構(gòu)，是一種很有潛力的絕緣硬脆材料加工方法。然而，ECDM是一個受多種因素影響的復(fù)雜加工過程，距離工業(yè)應(yīng)用仍有很長的路要走。國內(nèi)外學(xué)者對ECDM的加工機(jī)理和特性進(jìn)行了研究，通過改變工具電極特性、改善電解液、研究氣膜規(guī)律等提高了ECDM的加工效率和質(zhì)量。

加工進(jìn)給方式是影響電化學(xué)放電加工的重要因素。目前常用的兩種方式是恒速進(jìn)給和重力進(jìn)給。在恒速進(jìn)給中，工具電極或工件以恒定的進(jìn)給速度進(jìn)給；在重力進(jìn)給中，工件和工具電極以一個恒定的接觸力始終保持接觸，當(dāng)接觸區(qū)域的工件材料被去除時，工具電極進(jìn)給。這兩種方式對實(shí)驗(yàn)裝置要求簡單，但在加工微孔時，隨著加工深度的增加，電解液難以進(jìn)入加工區(qū)域，加工速度急劇下降甚至停止加工，孔的入口圓角半徑和錐度變大。且對于恒速進(jìn)給方式，當(dāng)進(jìn)給速度過大時，存在損壞電極或工件的危險。Wüthrich等將重力進(jìn)給方式下的微孔加工分成兩段，前300 μm的加工為放電加工階段，加工速度由放電頻率決定；300 μm后的加工速度受電解液更新速度的限制[2]。Abou Ziki等將恒速進(jìn)給中的加工速度分為兩段，加工深度較淺時，加工速度受加工區(qū)溫度制約；加工深度較大時，加工速度受電解液更新循環(huán)速度制約[3]。因此，對于這兩種進(jìn)給方式，當(dāng)加工深度變大時，加工區(qū)電解液更新困難成為加工效率和加工質(zhì)量下降的重要原因。

為了解決上述問題，本文提出了基于力反饋控制進(jìn)給方式的電化學(xué)放電加工技術(shù)，分析其加工原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 基本原理

1.1 ECDM的基本原理

電化學(xué)放電加工的基本原理見圖1。直流或脈沖電源的負(fù)極和正極分別接工具電極和輔助電極，兩電極都浸沒在電解液中，輔助電極比工具電極的表面積要大得多；工件置于工具電極的正下方附近；電解液為堿性溶液（NaOH或KOH）。當(dāng)施加在兩電極之間的電壓較低時，電極間僅有電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，工具電極（陰極）表面有氫氣氣泡產(chǎn)生；當(dāng)電壓升高，工具電極上的氣泡生成速率加快，足夠多的氣泡相互融合在工具電極表面而形成氣膜，氣膜的包裹使工具電極與電解液之間絕緣；當(dāng)工具電極與電解液間的電壓超過臨界值時，就會擊穿氣膜而產(chǎn)生放電現(xiàn)象，緊靠工具電極的工件材料會發(fā)生去除。目前普遍認(rèn)為，工件材料的去除是放電產(chǎn)生的高溫?zé)嵛g除及高溫下化學(xué)蝕除的共同作用[4]。

圖1 電化學(xué)放電加工原理圖

1.2 力反饋進(jìn)給方式

力反饋進(jìn)給方式以工具電極和工件間的接觸力為輸入信號來控制ECDM機(jī)床的進(jìn)給，其原理見圖2。在加工微孔時，隨著加工深度的增加，加工速度不斷下降。當(dāng)加工速度小于進(jìn)給速度后，工件和工具電極有可能接觸并產(chǎn)生接觸力F。安裝于工件上方的力傳感器不斷檢測該接觸力，并與設(shè)定的參考力F0作對比。當(dāng)F＞F0時，Z軸回退一定高度，使工件和工具電極保持一定間隙，然后繼續(xù)進(jìn)給；當(dāng)F≤F0時，Z軸按既定參數(shù)進(jìn)給，直至達(dá)到目標(biāo)加工深度。這種進(jìn)給方式在加工速度小于進(jìn)給速度時，能使工件和工具電極之間保持間隙，有利于新鮮電解液進(jìn)入該區(qū)域，維持工具電極頂端氣膜的形成和放電，使加工速度保持穩(wěn)定。同時，工具電極頂端放電能減少孔入口處的放電現(xiàn)象，使入口直徑較小，孔的錐度得到改善。

圖2 基于力反饋控制進(jìn)給的電化學(xué)放電加工原理圖

為便于接觸力傳感器的安裝，采用工具、工件倒置的方式，即工件在上、工具電極在下。該方式在滿足傳感器安裝要求的同時，還便于ECDM加工時工具電極表面氣膜的形成和加工屑的排出。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3。工件通過夾具固定于機(jī)床Z軸上，工件上方裝有力傳感器，用于檢測工件和工具電極之間的接觸力，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過數(shù)據(jù)采集卡輸入機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，然后將接觸力和參考力作對比，并通過機(jī)床伺服系統(tǒng)控制Z軸進(jìn)給。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在自行研制的多功能微細(xì)電加工機(jī)床上進(jìn)行（圖4）。力反饋進(jìn)給加工中采用的力傳感器為LSB200應(yīng)變傳感器，其靈敏度為2 mV/V。實(shí)驗(yàn)采用直流脈沖電源（0～100 V，5 A）作為電化學(xué)放電加工的電源。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 倒置力反饋進(jìn)給ECDM實(shí)驗(yàn)平臺

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

加工進(jìn)給方式是影響電化學(xué)放電加工的重要因素。因此，選擇常規(guī)的恒速進(jìn)給、重力進(jìn)給方式與力反饋進(jìn)給方式進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分析3種進(jìn)給方式對孔的入口直徑、加工速度、極限加工深度和孔錐度的影響。

為全面探究力反饋進(jìn)給方式的加工特性，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和30%的兩種NaOH溶液作為工作液。在力反饋進(jìn)給和恒速進(jìn)給中，采用10 μm/s的加工進(jìn)給速度，以比較兩種進(jìn)給方式的不同。由于鎢熔點(diǎn)很高，故工具電極選用鎢電極。工件材料為石英玻璃，厚度1 mm。輔助電極選擇具有良好導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性的石墨。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3 力反饋進(jìn)給方式中參考力的選取

在力反饋進(jìn)給方式中，參考力的取值也是一個重要參數(shù)。如果參考力偏大，就不能有效保護(hù)工件和工具電極；如果參考力偏小，會造成工具電極頻繁后退，導(dǎo)致加工速度降低。

圖5是在不同參考力下的加工孔深變化圖。實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)給速度為10 μm/s，NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，加工電壓為50 V，加工時間90 s。由圖5可看出，當(dāng)參考力為0.3 N時，加工深度最大。當(dāng)參考力過小時（0.1 N），工件夾具及傳感器受到氣泡和工作液浮力等因素干擾，工具電極會頻繁回退，導(dǎo)致加工效率較低；當(dāng)參考力過大時，因?yàn)榭椎撞繛楣ぜ牧宪浕瘏^(qū)域，工具電極和工件接觸區(qū)域應(yīng)變較大，回退高度不足以使兩者分離并保持間隙，所以頂部加工區(qū)域放電頻率低，加工速度較低。因此，參考力選為0.3 N。同時，重力進(jìn)給方式中的接觸力也選為0.3 N。應(yīng)該指出，參考力的大小與工具電極的材料、尺寸及工件材料等因素有關(guān)，本文選定的參考力（0.3 N）是在工具電極為直徑0.5 mm的鎢針和工件材料為石英玻璃的條件下得到的。

圖5 不同參考力下的孔深變化

3 結(jié)果與分析

3.1 孔的入口直徑

入口直徑是微孔加工的一個重要指標(biāo)。由于在電化學(xué)放電加工中，孔的入口易出現(xiàn)過切現(xiàn)象，所以入口直徑越小，即越接近電極直徑，說明加工效果越好。

圖6是在3種進(jìn)給方式下加工孔的入口直徑隨電壓變化的情況。可看出，隨著加工電壓的增大，3種進(jìn)給方式下的加工孔入口直徑均增大。因?yàn)殡妷鹤兇?，每次放電能量增加，材料去除量增加?？椎娜肟谔幱写罅啃迈r電解液，易于形成氣膜并產(chǎn)生放電現(xiàn)象，所以入口處直徑變大。在兩種電解液濃度下，倒置力反饋進(jìn)給方式下的入口直徑均為最小。結(jié)合對進(jìn)給方式的原理分析，在倒置力反饋進(jìn)給方式下，加工深度較淺時，放電現(xiàn)象與恒速進(jìn)給方式類似；隨著加工深度增加，電解液更新困難，氣膜難以形成，導(dǎo)致加工速度下降，當(dāng)工件與工具電極頂端接觸，其接觸力達(dá)到閾值時，工件回退，與工具電極頂端保持一定間隙。工具電極的回退使新鮮的電解液能進(jìn)入該加工區(qū)域，繼續(xù)維持頂端的放電現(xiàn)象，所以入口處放電現(xiàn)象較少，入口直徑最小。在重力進(jìn)給方式下，工具電極頂端和工件始終接觸，氣膜不能包裹工具電極端部，使入口處放電概率增大，放電現(xiàn)象增多，所以入口直徑最大。在恒速進(jìn)給方式下，開始階段工具電極頂端放電，當(dāng)加工深度達(dá)到一定值時，加工速度低于機(jī)床的進(jìn)給速度，工具電極頂端與工件接觸，工具電極頂端的電解液更新緩慢，氣膜難以形成，導(dǎo)致放電集中在孔的入口處，相應(yīng)地孔的入口直徑也較大。

圖6 不同電壓下加工孔的入口直徑

3.2 加工速度

在目前常用的進(jìn)給方式下，電化學(xué)放電加工隨著加工孔深度增加，加工速度會明顯下降，所以加工速度是評價其加工能力的一個重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中，采用相同時間內(nèi)加工孔的深度作為加工速度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖7是在60 s加工時間內(nèi)，3種進(jìn)給方式下加工孔的深度隨電壓變化的關(guān)系?？煽闯?，在相同的加工條件下，倒置力反饋進(jìn)給方式下的孔深最大，加工效率高于恒速進(jìn)給和重力進(jìn)給。在重力進(jìn)給方式下，工具電極頂端和工件始終接觸，加工過程中靠近工具電極頂端周圍的材料先去除，然后沿徑向向內(nèi)逐層去除，直至完成這一層材料的去除，所以加工深度的變化是不連續(xù)的。由于材料的這種去除過程，其加工效率最低。在恒速進(jìn)給方式中，加工開始階段，工件和工具電極頂端不接觸，工具電極頂端放電，加工速度較快；當(dāng)加工至一定深度時，電解液更新變得困難，加工速度變慢，工件與工具電極頂端接觸，工具電極頂端放電減少，入口處放電現(xiàn)象增加。受此影響，加工效率也大大下降，加工深度較小。在倒置力反饋進(jìn)給方式中，引入了工件與工具電極的接觸力作為反饋信號。當(dāng)兩者接觸且接觸力超過閾值時，工件回退，使兩者保持一定間隙。因此，新鮮的電解液能進(jìn)入加工孔底部，維持氣膜不斷形成，持續(xù)保持工具電極頂端的放電現(xiàn)象。相比前兩種進(jìn)給方式，工具電極頂端放電現(xiàn)象始終存在，在相同時間內(nèi)，其加工孔的深度最大，加工效率最高。

圖7 不同電壓下加工孔的深度

3.3 極限加工深度

在用ECDM加工微孔時，隨著加工深度的增加，加工速度越來越慢，最終加工停止在某一深度，不能繼續(xù)加工，該深度稱為極限加工深度。它也是ECDM加工的重要指標(biāo)之一。

為了評判3種進(jìn)給方式的極限加工深度，在加工電壓為55 V、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液條件下進(jìn)行微孔加工實(shí)驗(yàn)。在恒速進(jìn)給加工方式中，為了得到較大的加工深度，以方便后續(xù)孔的觀測，選擇5 μm/s和1 μm/s兩種進(jìn)給速度。作為對比，力反饋進(jìn)給加工中選用5 μm/s的進(jìn)給速度。實(shí)驗(yàn)測得的各進(jìn)給方式下的極限加工深度見表2。

表2 極限加工深度

在力反饋進(jìn)給方式下，加工8 min后，在厚1 mm的工件上得到通孔（圖8）。在恒速進(jìn)給方式下，進(jìn)給速度為5 μm/s時得到極限加工深度為512 μm，進(jìn)給速度為1 μm/s時可獲得較大的極限加工深度，但其入口直徑比力反饋進(jìn)給方式下大。在重力進(jìn)給方式下，由于工件始終和工具電極接觸，工具電極頂端放電受到抑制，其極限加工深度最小。從表2可看出，在恒速進(jìn)給和重力進(jìn)給方式下，存在極限加工深度，對孔的加工能力有限。而對于力反饋進(jìn)給加工方式，由于其進(jìn)給方式的不同，工具電極頂端能始終保持放電，使加工深度持續(xù)增加，直至達(dá)到目標(biāo)加工深度，因此，該加工方式具有較強(qiáng)的深孔加工能力。

圖8 倒置力反饋進(jìn)給方式下加工的通孔

3.4 加工孔的錐度

在電化學(xué)放電加工中，加工孔的側(cè)壁錐度也是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)。圖9是3種進(jìn)給方式下加工孔的剖切圖?？煽闯?，在倒置力反饋進(jìn)給方式下，孔側(cè)壁錐度較小。相比其他兩種進(jìn)給方式，使用倒置力反饋進(jìn)給方式時，工具電極頂端區(qū)域的電解液能得到更新，可形成穩(wěn)定氣膜，維持放電現(xiàn)象，使工具電極側(cè)壁和入口處放電現(xiàn)象減少，所以加工孔的側(cè)壁錐度較小。

4 結(jié)論

本文提出了基于力反饋控制進(jìn)給的電化學(xué)放電加工方法，與常規(guī)的恒速進(jìn)給方式和重力進(jìn)給方式進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

圖9 加工孔剖切圖

（1）在微孔加工中，基于力反饋控制進(jìn)給方式加工的孔入口直徑明顯較小，加工速度和極限加工深度也得到提高，加工孔的錐度也明顯減小。

（2）基于力反饋控制的進(jìn)給方式能提高孔加工質(zhì)量的原因在于該方法在保護(hù)工具電極和工件的同時，促進(jìn)了工具電極頂端加工區(qū)域電解液的更新和氣膜的形成，使加工更多地發(fā)生在工具電極的端部。

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