羅金星 ，房曉龍 ，2，朱 荻 ，2

（ 1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016；2.直升機(jī)傳動技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016 ）

近年來，微槽結(jié)構(gòu)在電力電子、航空航天、能源化工、生物工程等高技術(shù)產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛[1]，其加工方法主要包括塑性微成形、微細(xì)銑削、電火花加工及激光加工等。 其中，塑性微成形存在成形力大、模具磨損大、殘余應(yīng)力大等問題[2]；微細(xì)銑削加工存在刀具磨損、加工效率低、殘余應(yīng)力與加工毛刺不可避免等問題[3]；電火花加工電極損耗嚴(yán)重，微槽表面甚至?xí)霈F(xiàn)微裂紋等缺陷[4]；激光加工存在翻邊現(xiàn)象和熱影響層等缺陷[5]。

國內(nèi)外研究人員期望利用管電極射流電解銑削特有的加工原理來解決微槽的制造難題。 管電極射流電解銑削是采用中空金屬管或噴嘴作為工具陰極， 電解液從陰極中高速流出沖擊到工件表面，依靠陽極電化學(xué)溶解原理在工件上加工出凹坑或凹槽的加工技術(shù)[6]。 相對于其他加工技術(shù)，管電極射流電解銑削具有理論上無工具損耗、 表面完整性好、加工與材料的機(jī)械性能無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。 Kunieda 等[7]將管電極射流電解銑削結(jié)合精確的數(shù)控算法在圓柱面上加工出槽深 30 μm 的微槽。Hackert 等[8]采用管電極射流電解銑削技術(shù)加工出帶微群槽結(jié)構(gòu)的微反應(yīng)器，槽寬和槽深分別為200 μm 和60 μm。錢軍等[9]提出了同軸抽吸電解銑削加工技術(shù)，將電解液液滴限制在較小的區(qū)域內(nèi)而不擴(kuò)散到其他非加工區(qū)域，加工出的微槽表面質(zhì)量良好。 Clare 等[10]通過改變噴嘴尖端的幾何形狀，調(diào)控其電流密度分布以加工出不同橫截面形狀的微槽。 陳曉磊等[11-12]提出了導(dǎo)電掩模電解銑削加工方法和絕緣掩膜電解直寫技術(shù)用以減小槽邊緣的雜散腐蝕，以加工出高表面質(zhì)量的微槽。 王芯蒂等[13]通過調(diào)整電解液射流反射形狀來避免電解液與槽邊緣接觸以減小槽邊緣的雜散腐蝕。

本文以電極掃描速度為重點(diǎn)研究對象，首先通過CCD（電荷耦合器件）攝像機(jī)觀察電解液液流分布，建立微槽射流電解銑削加工的電場模型，仿真分析加工電極掃描速度及多次重復(fù)掃描加工模式的影響，最后利用優(yōu)化的掃描速度在多次重復(fù)掃描加工模式下加工S 形曲線槽。

1 管電極射流電解銑削加工原理

圖1 是管電極射流電解銑削的加工原理，中空金屬管作為工具陰極，電解液從陰極中高速流出沖擊到工件表面，隨著工具陰極平行于工件表面做掃描運(yùn)動，工件陽極在電化學(xué)溶解作用下被逐漸加工出微槽。

圖1 管電極射流電解銑削加工原理圖

電解液沖擊到工件表面后向四周散開，在工件表面會形成一層電解液膜。 與射流液柱尺寸相比，電解液膜極薄，大部分電流都被束縛在電解液柱中心區(qū)域內(nèi)， 而電解液膜處的電流密度迅速下降，見圖2。

在管電極射流電解銑削加工中，材料的去除量取決于工具掃描過程中流經(jīng)工件表面的電量，所以陰極掃描速度直接影響微槽的深度。 相同深度的微槽既可通過低掃描速度一次加工成形，也可以利用高掃描速度多次重復(fù)掃描加工疊加得到。 本文指的多次重復(fù)掃描加工是指在第一次加工出微槽后，管電極沿著原路徑返回時繼續(xù)對微槽進(jìn)行加工，依此可進(jìn)行多次掃描加工。

圖2 管電極射流電解銑削加工的初始狀態(tài)[7]

2 管電極射流電解銑削加工仿真

2.1 加工條件與參數(shù)設(shè)置

圖3 是利用CCD 攝像機(jī)觀察管電極射流電解銑削加工試驗(yàn)前和試驗(yàn)中的電解液液流分布情況?？梢?，加工前，電解液從管電極噴出沖擊在工件表面，然后向四周散開，會在管電極的外圍形成水躍現(xiàn)象；加工中，工件表面均覆蓋在流動的電解液下。

圖3 管電極射流電解銑削加工的電解液分布

圖4 是根據(jù)以上電解液液流分布而建立的管電極射流電解銑削加工電場模型。通過Comsol 軟件進(jìn)行加工過程仿真，模擬加工中的電流分布和微槽成形過程。

圖4 管電極射流電解銑削加工電場仿真模型

根據(jù)電化學(xué)加工原理，對電場模型中各邊界進(jìn)行設(shè)定，具體見表1。 電場仿真中，將管電極內(nèi)壁設(shè)置為接地，工件表面設(shè)置為電勢邊界，掃描加工長度設(shè)置為10.0 mm，電導(dǎo)率設(shè)置為10.5 S/m。

表1 電場仿真邊界條件

2.2 單次掃描掃描時速度對微槽輪廓的影響

單次掃描時， 將管電極掃描速度設(shè)置為1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mm/min，并依次進(jìn)行輪廓仿真，得到的微槽輪廓見圖5。 可見，在單次掃描加工中，管電極掃描速度越高，加工出微槽的槽深越淺、槽寬越窄，這是由于電極掃描速度越快，有效加工時間越短，工具陰極流經(jīng)工件表面的電量減少，使得材料的去除量減少。

圖5 單次掃描加工不同電極掃描速度仿真出的微槽輪廓

2.3 多次重復(fù)掃描時掃描速度對微槽輪廓的影響

在進(jìn)行多次重復(fù)掃描時，將有效加工時間均設(shè)置為10 min，可得到不同的電極掃描速度在仿真中對應(yīng)的重復(fù)掃描加工次數(shù)，見表2。圖6 是仿真得到的微槽輪廓，可見在相同的有效加工時間下，掃描速度越高，對應(yīng)多次重復(fù)掃描加工出的微槽越深。

表2 多次重復(fù)掃描時，不同電極掃描速度對應(yīng)掃描加工次數(shù)

圖6 多次重復(fù)掃描時，不同電極掃描速度仿真出的微槽輪廓

為進(jìn)一步分析不同掃描速度及多次重復(fù)掃描加工對微槽成形過程的影響，以流經(jīng)微槽中某點(diǎn)的電荷量進(jìn)行判斷。 選取微槽長度的中心點(diǎn)處（即加工長度5 mm），得到不同掃描速度對應(yīng)的電流密度和流經(jīng)的電荷量。 由圖7 可見，有效加工時間相同時，掃描速度越快，多次重復(fù)掃描加工模式下某點(diǎn)通過的電荷量越多， 則該點(diǎn)處的材料去除量越大，加工的微槽越深。

3 管電極射流電解銑削加工試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與加工參數(shù)

圖8 是管電極射流電解銑削加工試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括機(jī)床、直流電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)等。 機(jī)床為試驗(yàn)加工提供平臺，運(yùn)動控制系統(tǒng)控制工具陰極進(jìn)行掃描移動，直流電源提供分辨率為0.001 V 的電壓輸出，電解液循環(huán)系統(tǒng)由計(jì)量泵、清液槽、濁液槽、過濾器及壓力表等構(gòu)成。 試驗(yàn)時，工件安裝在加工平臺上， 管電極安裝在主軸上，可沿著XYZ 軸運(yùn)動。 此外，CCD 攝像機(jī)可對電解液液流分布進(jìn)行觀察。

圖7 多次重復(fù)掃描微槽中心點(diǎn)處的電流密度和電荷量

圖8 管電極射流電解銑削加工試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)旨在研究不同掃描速度及多次重復(fù)掃描加工對槽深的影響，選取的具體加工參數(shù)見表3。加工完成后，用電火花線切割開取下工件，超聲清洗后烘干，再用工具顯微鏡觀測加工后的微槽。

表3 管電極射流電解銑削加工試驗(yàn)參數(shù)

3.2 單次掃描時掃描速度對微槽尺寸的影響

單次掃描時， 加工的掃描速度同樣選取1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mm/min，掃描加工次數(shù)為 1 次，其他加工參數(shù)同表3， 不同掃描速度下單次掃描加工出的微槽橫截面見圖9。 可見， 其他加工參數(shù)相同時，槽深與陰極掃描速度成反比，這是由于加工的微槽長度相同時，低掃描速度意味著有效加工時間越長，流經(jīng)工件和管電極之間的電量越多，工件材料去除量越多，則加工出的微槽槽深越深。

圖10 是不同掃描速度單次掃描加工的微槽深度和寬度，可見微槽寬度變化很小，這是由于相同內(nèi)徑的管電極在工件表面的電解液液流分布無明顯差別，因此工件表面的電流密度分布在寬度上較一致，即使在掃描速度不同的情況下加工出的微槽寬度變化依舊很小。 此外，對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果可知， 仿真加工出的微槽比試驗(yàn)加工的要深一些，這可能是由于仿真中并未考慮到電流效率等因素的影響。

圖9 單次掃描加工中不同掃描速度加工出微槽的橫截面

圖10 單次掃描加工不同掃描速度加工出的微槽深度和寬度

3.3 多次重復(fù)掃描時掃描速度對微槽尺寸的影響

依據(jù)表2 進(jìn)行不同掃描速度下的多次重復(fù)掃描加工試驗(yàn)，試驗(yàn)加工的微槽長度為10.0 mm，有效加工時間為10 min，其他加工參數(shù)見表3。

圖11、 圖12 是不同掃描速度下多次重復(fù)掃描加工出的微槽的橫截面、槽寬和槽深。 可見，當(dāng)有效加工時間相同時，電極掃描速度越高對應(yīng)多次重復(fù)掃描加工出的微槽越深。

圖11 多次重復(fù)掃描加工時，不同電極掃描速度加工出的微槽橫截面

圖12 多次重復(fù)掃描加工時，不同掃描速度加工出的微槽槽寬和槽深

圖13 是多次重復(fù)掃描加工試驗(yàn)中工件和管電極之間的實(shí)際電量。 結(jié)合圖12 分析， 掃描速度越高，重復(fù)掃描加工的次數(shù)越多，工件和陰極之間流經(jīng)的電量越多，陽極去除材料量則越大，加工出的微槽就越深。 因此，高掃描速度多次重復(fù)掃描加工有助于提高微槽的加工效率。

圖13 多次重復(fù)掃描加工時，不同掃描速度加工微槽的實(shí)際電量

3.4 多次重復(fù)掃描加工曲線槽

根據(jù)上述結(jié)論，利用高掃描速度多次重復(fù)掃描加工曲線槽。 受機(jī)床運(yùn)動精度限制，選用掃描速度為2.0 mm/min，重復(fù)掃描加工次數(shù)為2 次，在工件表面加工出S 形曲線槽， 見圖14。 微槽的深度為376 μm，微槽邊緣無明顯雜散腐蝕，表面質(zhì)量較好。

圖14 S 形曲線槽

4 結(jié)論

本文研究管電極射流電解銑削加工中電極掃描速度在單次掃描、多次重復(fù)掃描加工模式下對槽寬與槽深的影響，通過仿真和試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）單次掃描加工時，其他加工參數(shù)相同，加工微槽的深度與陰極掃描速度成反比。

（2）多次重復(fù)掃描加工時，在相同的有效加工時間下，掃描速度越高，對應(yīng)的多次重復(fù)掃描加工出的微槽越深。

（3）采用掃描速度2.0 mm/min、重復(fù)掃描加工次數(shù)為2 次，加工出深度376 μm 的S 形曲線微槽，微槽邊緣無明顯雜散腐蝕，表面質(zhì)量較好。