超声电解复合微细加工装置与试验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　朱永伟等：超声电解复合微细加工装置与试验研究　９８７　１　超声电解复合微细加工理论基础　电解加工时，工件（阳极）表面由于电化学钝化　作用产生的钝化膜（金属氧化物吸附膜或成相膜）　会阻止低电流密度下的电解作用。如图１（ａ），在电　流效率特性曲线上，钝化区电流密度　（ＮａＣＩＯ，）、　：（ＮａＮＯ，）可达１０　Ａ／ｃｍ　一３０　Ａ／ｃｍ　，常规电解加　工用较高的电流密度及有一定压力高速流动的电解　液来消除电解钝化、清除电解产物，保持电解过程的　连续高速进行　。电解液系统复杂，设备及防护　成本高，同时由于电解杂散腐蚀作用，材料去除的定　域性及微细化很难控制。　０３　（ａ）电流效率特性曲线　醒　脚　舅　舅　医　（ｂ）极化特性曲线　图１　电化学加工特性曲线　微细加工材料去除量微小，加工精度要求很高，　为了避免杂散腐蚀作用，电解作用须在低电位、微电　流密度下进行，在电流效率曲线上，微细电解加工电　流密度一般处于钝化区，工件表面将产生低电流密　度难以破坏的钝化膜，电解作用不能持续进行，使单　纯电解方式在微细加工中的应用受到限制。　工件表面的钝化膜在单纯的微电流电解作用下　难以消除，但其强度远低于基体材料，如使阴极端面　作超声频振动，利用电解液（必要时加入微细磨料）　的超声频振动冲击波及“负压空化”效应来破坏工　件表面的电解钝化膜，减小电化学反应极化，即电解　作用处于电化学极化特性曲线活化区域Ａ。Ｂ。段（或　Ｄ　以后的超钝化区域），如图１（ｂ），可使电解加工　过程保持连续进行，解决单一微细电解过程难以持　续的问题，使其实用成为可能。　高频振动冲击波及“负压空化”效应能有效、及　时地去除微细加工区的电解产物，改善及加强电解　作用，改善加工区状态，实现“静态供液”电解方式　的微细加工，可大大简化工艺系统；电解钝化与超声　效应消除钝化交替进行，机理上可保证加工过程中　钝化膜产生和去除协调进行，去除量将以钝化膜层　为单位进行，从而实现定域微细加工。　电解微细加工需采用低浓度、钝化性电解液，如　质量浓度１％ＮａＮＯ，一５％ＮａＮＯ，水溶液，电解钝　化膜能使材料蚀除在局部有选择地进行，提高电解　加工的定域性；当电解液浓度降低时，效率曲线将会　右移，切断间隙将减小，即只有在很小间隙时，钝化　膜才能被破坏，这时的电场、流场变化对加工精度的　不良影响将变得很小，杂散腐蚀现象可以避免，近似　于无间隙的接触式加工，从而可获得与微细阴极形　状对应、凹凸相反的高精度加工件。　电解复合超声微细加工中，超声作用主要在于　去除电解钝化、排除加工产物并及时更新电解液，超　声辅助磨料粒度可以很微细，如微米级微粉（甚至　无磨料加工），从而可最大限度地减小工具阴极损　耗，提高微细加工精度，减小粗糙度；另外低浓度钝　化性电解液，便于实现清洁、绿色制造，因此此方法　如能成功应用，将具有独特的技术优势。　２微细加工系统构造与完善　２．１　微细加工试验系统构造及原理　选　选频回路ｆ卜——］　｝　｝　ｆ　ｆ　Ｌ二：＝：塑重兰　：二二　器　ｌ放大Ｇｌ　Ｈ激励　ｌ　Ｇ２器Ｈ嚣Ｇｌ　ｌ器　．３裴　Ｇ大４　１　’ｉ　！：：！广’　电源　磁化电源　（ａ）超声发生器工作原理图　ｌ　发鏊　生器Ｉ一　指数变幅杆　回ｆ　Ｒｓ．２３２　ｌ数罕存储ｌ　超声频　ｌ示波器ｌ振动——ｒ—　　Ｎ—Ｌ　＋Ｉ　嚣）　压　绝缘垫片　进给　机械　工作台　ｉ　导管　ｌ密封圈　Ｉ　：『／，　ｙ进给机械　……一　（ｂ）微细加工装置原理图　图２超声电解复合微细加工系统　维普资讯 http://www.cqvip.com ９８８　机械科学与技术　第２７卷　采用图２所示微细加工试验系统。超声发生器　是具有自动频率跟踪的正反馈放大器，如图２（ａ），　利用电子管工作的不稳定性产生原始工作信号，通　过Ｌ、ｃ选频回路，选出有效信号，由电子管Ｇ：激励　放大，其信号频率为换能器的工作频率，电子管Ｇ　Ｇ。组成推挽功率放大器，调谐指示器可调节指示输　入功率，磁化电源提供换能器直流电流，以消除超声　振动倍频现象。用组合电加工方式制作的微细阴极　用螺纹与变幅杆连接，用植物油耦合以减少能量损　失，换能器带动变幅杆作超声频振动。调节激振电　容，将频率调至系统共振点，阴极端面可得到最大振　幅，如图２（ｂ）。　工件通过双面胶固定于绝缘工作台上，电解电　源引线正负极分别与微器件及阴极连接，采用（含　微细磨粒）钝化性电解液，加工产物可由超声振动　冲击波及“空化”效应及时带出加工区，同时更新电　解液，因此采用“静态”滴注方式提供电解液即可　（也可将加工区置于电解液）。在连通器压力油的　作用下，工件与工具阴极间保持一定的微压力，大小　可由砝码微细精确调节。阴极与工件之间的间隙随　超声频振动作周期性变化，随着加工深度增加，工作　台在压力油的作用下自动向上位移，微器件加工深　度由　向测微仪给出。在电解电源线路中串入电流　传感器，可将电解电流信号通过数字存储示波器及　ＰＣ机显示、记录，用以调节复合微细加工过程参数，　保持系统工作在最佳状态。　开关元件　斩波信号　图３调制电路　图３为调制电路。系统共振时，超声发生器的　超声频交变电信号频率与阴极系统超声频振动频率　相同。调制电路将超声频交变电信号通过电平转　换，接入电压比较器比较输入端，改变电阻　：的　大小可决定电压比较器基准电压，电压比较器输出　结果决定是否产生光电耦合作用。通过光电耦合作　用，使晶体三极管开关元件（或ＭＯＳＦＥＴ场效应管）　产生电解电源的斩波信号，从而使超声频振动与电　解电源的开通与关断保持微细加工所需的相位关　系。斩波管可多管并联，以满足加工中电解回路需　通过最大电解电流的需要。　（ａ）超声振动与电解加电相位关系　÷脉冲加电　．区…　＿＿基　电且　￡　一　　ｉ＾·＾！『　·＾　＾Ｉ　‘＿＾　＾　＾　＾　、　／、：／、：ｒ　Ｉ：／、　，、　，、　，、　，、　，、　Ｕ　｝，　ｆ　＼：／　　ｌ／Ｗ　ｌ／　＼　（ｂ）超声频交变电信号与基准电压　图４复合同步加电方式　改变电压比较器的基准电压可调节电解加电间　隙，从而保持合理的微细电解加工间隙。　设计构造的超声电解复合微细加工装置已得到　专利授权。　由于加工间隙中有微细磨料（碳化硅、碳化硼　等微粉）的阻断作用，阴极与工件不会产生电解短　路。当超声频交变电压大于比较基准电压（设为　ｕ　）时，如图４（ｂ），阴极振动将接近工件（对应小问　隙），如图４（ａ），开通电解电源，进行加电电解；当超　声频交变电压小于比较基准电压时，阴极振动与工　件对应大间隙，切断电解电源，超声频振动作用排除　加工产物，更新电解液。因此此方式可实现微小间　隙的间歇式加工，可显著改善加工精度。　２．２变幅杆与工具阴极设计制作　（ａ）指数形变幅杆及阴极体设计图　（ｂ）制作指数形变幅杆照片　图５变幅杆与阴极装配图　维普资讯 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第８期　朱永伟等：超声电解复合微细加工装置与试验研究　９８９　采用共振稳定性好的　指数变幅杆，材料选用调　质４５钢，具有一定刚度及　耐抛磨性能，根据声波传　播的半波谐振长度确定变　（ａ）反拷母电极　幅杆与工具阴极结构尺　方形阴极　反拷块内型面　寸，设计制作指数变幅杆　及微细阴极端部如图５。　微细阴极与变幅杆连　接后，用微细组合电加工　进行阴极端部加工，可有　效保证加工与安装精度。　如图６所示，先用微　细电火花加工制作出各种　形状的反拷母电极，再利　用平动微细电火花放电原　理，可制作出各种相同截　面、不同尺寸的微细阴极。　图７为平板电极二轴　联动进给放电加工微轴　阴极，加工后微轴直径：ｄ　（ｃ）微细阴极照片　２（Ｈ一　），此方法理论　图６微细电火花平动＋　上可制作任意微小直径　反拷制作阴极端部　微轴，但受加工条件制约。　（ａ）联动进给放电制作徽轴阴极　（ｂ）阴极照片　图７联动进给放电方法制作微细轴阴极　（ａ）菱形微凸起阴极照片　（ｂ）方锥形微凸起照片　一　（ｃ）阵列孔母电极照片　（ｄ）阵列微细轴阴极照片　图８组合放电加工微凸起阴极　图８（ａ）、图８（ｂ）为用微细线切割方法制作的　微凸起阴极；图８（ｃ）为利用微细线切割方法制作的　阵列母电极，再通过“套料＋平动”微细放电加工可　制作图８（ｄ）所示圆柱状微凸起阴极。微凸起阴极　可在摩擦副表面加工出“微凹坑”，可贮存润滑液及　容纳表面微细夹杂物，从而改善零件表面的摩擦学　性能。　３试验及分析　３．１　单一超声加工和复合加工比较　脉冲电源电压幅值为２　Ｖ、频率为５０００　Ｈｚ，占　空比３：７，磨料４００目碳化硅（ＳｉＣ），静压力０．５０　Ｎ，　磨料悬浮液浓度为１０％，电解液为５％的ＮａＮＯ，水　溶液，超声振幅±０．０３　ｍｍ。在硬质合金ＹＴ１５上电　解复合超声振动加工直径ｆ２ｊ０．２５０　ｍｍ微孔，尺寸精　度可达±０．０２　ｍｍ，圆度可达±０．００３　ｍｍ　。　从图９（ａ）可以看出，对硬质合金ＹＴ１５材料，　直流（或脉冲）电解复合超声振动加工速度均比单　纯超声加工高，因脉冲电解电流有效值较直流小，加　工效率相对较低，但效率仍高于单一超声加工；超声　脉冲电解复合加工阴极损耗量最小，单一超声加工　工具损耗量最大，原因是电解作用生成强度远低于　基体材料的钝化膜，更易于被超声作用去除，同时脉　冲电流间歇性进行电解作用，改善了电解加工过程，　能及时更新电解液与排除产物，减小了加工区沉积　一　的磨料及加工产物对阴极进行的持续抛磨，从而减　小了阴极损耗，如图９（ｂ）所示。　基　基　隧　一单一超声加工　雩　督　一超声＋直流电压２Ｖ　量　口超声十脉冲电压２Ｖ　基　Ｈ　目　基　基　咖ｊ　一单一超声加工　雩　一超声＋直流电压２Ｖ　量　口超声＋脉冲电压２Ｖ　基　Ｈ　晏　晕　窭　（ｂ）阴极磨损量比较　图９超声加工和复合加工速度与阴极磨损量比较　维普资讯 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机械科学与技术．　第２７卷　３．２硬质合金（ＹＴ１５）三角槽复合加工　图１０（ａ）为在硬质合金（ＹＴ１５）上用３种方式　加工的三角槽，加工时间为２　ｒａｉｎ，磨料１６００目　ＳｉＣ，静压力为１．０　Ｎ，超声振幅±０．０５　ｍｍ，电解液　比较如图１１（ａ）。图１１（ｂ）为加工过程电解电流波　形，显示电流脉动频率约２Ｏ　ｋＨｚ，电流变化与超声　频振动同步，即振动接近时电流变大，振动远离时　减小。　参数同３．１节。从加工效果可以看出：单一超声效　率（以加工深度评估）及精度最差，直流２　Ｖ电解复　合超声振动加工效率最高，幅值２　Ｖ、脉冲５０００　Ｈｚ　电解复合超声振动加工精度最好。　加工件尖角变圆原因：主要是阴极制作的放电　圆角及磨粒的超声抛磨，另外微细电解也可使圆角　半径增加。采用更小放电参数制作微细阴极，减小　超声磨粉粒度及电解电压，可减小尖角变圆程度。　（ａ）加工效果显微照片　舍Ｏ．口　０８　０．０６　０．０４　Ｈ　最０．０２　脉冲频率（Ｈｚ）　（ｂ）电压幅值及脉冲频率对加工精度的影响　图ｌ０硬质合金（ＹＴ１５）三角槽加工效果　为考察不同脉冲频率和电解电压幅值对加工精　度的影响，对硬质合金（ＹＴ１５）进行不同脉冲频率　（１０００　Ｈｚ、４０００　Ｈｚ、７０００　Ｈｚ）的电解复合超声振动　的加工试验，试验参数同上。不同脉冲频率及电压　对加工精度的影响规律如图ｌ０（ｂ）所示，随着频率　的增加，加工尺寸误差有所减小，从直流（０　Ｈｚ）至　脉冲频率１０００　Ｈｚ时，误差减小最为显著，频率继续　增加时，误差不再明显减小；电压增加，加工误差逐　渐增大，图示电压幅值２　Ｖ时加工误差最小，此时电　解作用杂散腐蚀最小，有效间隙小，定域性好。不同　加工条件、不同材料的最佳电解电压亦不相同。　３．３硬质合金（ＹＧ８）方形槽复合加工　直流电解电压１　Ｖ一４　Ｖ，静压力２．０　Ｎ，超声振　幅±０．０５　ｍｍ，工作液参数同３．１。使用边长１　ｍｍ　的方形阴极对硬质合金（ＹＧ８）进行不同直流电压的　超声电解复合加工试验，加工时间３　ｍｉｎ，加工效果　（ａ）加工效果显微照片　々…＿ｔ…’　＼　，　＼　ｒ　厂　厂　八　ｒ、　，、　厂　／．　厂　厂　／，　，，　厂　＋～一十…一　（ｂ）电解电流波形幅值５０ｍＶ／ｄｉｖ，时基５ｏ／￣ｓｌｄｉｖ　图１１硬质合金（ＹＧ８）方形槽复合加工　由图１１（ａ）、图ｌ２可见，随着加工电压增加，电　解作用增强，工件表面方形槽深度日（ｍｍ）逐渐增　加，且当电压超过３　Ｖ时增加明显；同时，从试验过　程看，电压达４　Ｖ时，可见微火花放电　，由于电　解、微火花放电共同作用，加工出较深、较大微坑。　电解电压２　Ｖ时工件表面粗糙度Ｒａ（　ｍ）最　小，超过２　Ｖ时粗糙度值增加，电压为４　Ｖ时粗糙度　值甚至超过单纯超声加工；随着电解电压增加，电解　作用增强，阴极磨损量　（ｍｍ）下降，电压超过３　Ｖ　后磨损量下降较显著。　Ｈ（ｍｍ）＾（ｍｍ）　。一加工深度　（　ｍ）　Ｏ．６０　０．４５　０．３Ｏ　Ｏ．１５　电解电压（Ｖ）　图ｌ２　电压对复合加工工艺指标的影响　维普资讯 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第８期　朱永伟等：超声电解复合微细加工装置与试验研究　９９１　３．４微凹坑加工　图１３为边长０．３　ｍｍ方锥形阴极在ＹＧ８硬质　合金表面加工微凹坑显微照片。图１３（ａ）为超声加　工，图１３（ｂ）～图１３（ｄ）分别为电压１　Ｖ、２　Ｖ、４　Ｖ，　频率５０００　Ｈｚ，占空比４：６的电解复合加工，采用碳　化硼（Ｂ。Ｃ）Ｗ１０磨粉，静压力１．６０　Ｎ，加工时间　３　ｍｉｎ。　（ａ）单一超声加工　（ｃ）２Ｖ电解复合　（ｄ）４Ｖ电解复合　图１３硬质合金上加工方锥形微凹坑　由图１３，电解复合加工深度（效率）明显高于单　超声加工，电压增加，加工效率增高，同时由于微　细电解加工间隙有所增大，凹坑平面尺寸也有所扩　大，其中２　Ｖ电压电解复合加工精度及表面质量　最佳。　Ｉ　Ｙ　ＡＵＴＯ　ＣＨＡＮＫＥＬ２　；　Ｉ输入耦合　风嗣：；　　丽虿　；２　；　蘸璃　．Ｉ　垄堂　ＣＨ　１．２．００Ｖ　ＣＨ２．５Ｏ．０　ｍＶ　Ｍ　１００Ｉｔｓ　图ｌ４加工方锥形微凹坑电压与电流波形　数字存储示波器在分析加工过程状况、优选加　工参数中具有重要作用。图ｌ４为在加工方锥形微　凹坑时，双通道数字存储示波器采集的电解电压与　电解电流波形（对应电流传感器输出电压信号），由　图可以看出，电解作用与脉冲加电电压同步，在每个　加电脉冲区间，电流信号出现高频谐波，其频率对应　于极间间隙的超声频变化。　复合加工试验中，当电解液中磨料浓度过低、　粒度很细（特别是当电解电压超过５　Ｖ）时，会出现　明显短路放电火花，频繁出现的微火花作用会使工　件及阴极烧蚀，降低加工精度。选择较大超声振幅、　粒度较大磨料或减小电解电压幅值，可有效避免。　４　结论　（１）电解与超声频振动有机结合，超声振动冲　击与“空化”作用可有效去除电解钝化，排除产物并　及时更新电解液，改善加工间隙状况，充分发挥电解　“离子”去除材料机理优势，提高去除定域性能，在　具有较高加工速度同时，有效提高微细加工精度、表　面质量，实现“静液”电解微精加工。　（２）采用２　Ｖ～３　Ｖ电解电压具有较佳的精度　与表面质量，电解电压大于５　Ｖ时，易出现短路火花　烧蚀。　（３）采用更微细的超声磨料，或者控制电解加　电与超声振动相位同步，实现无磨料的电解复合微　细加工。将更有利于加工精度、表面质量的提高。　［参考文献］　［Ｉ］王振龙等．微细加工技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社。２００５　［２］　李小海，王振龙。赵万生．微细电化学加工研究新进展［Ｊ］．电　加工与模具，２００４，（２）：ｌ一４　【３］　王建业，徐家文．电解加工原理与应用【Ｍ］．北京：国防工业出　版社，２００１　［４］　Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙｙａ　Ｂ，Ｍｕｎｄａ　Ｊ，Ｍａｌａｐａｔｉ　Ｍ．Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏ·　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏ．ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａ·　ｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００４，４４：１５７７～１５８９　［５］　朱永伟，吴冰杰，云乃彰．制作微器件的超声电解复合微细加　工基础研究［Ｊ］．电加工与模具，２００６，（２）：５６～５９　［６】朱永伟，王占和．赵晒．电解复合超声频振动微细加工装置与　试验研究［Ａ］．中国机械工程学会论文集［Ｃ］，长沙，２００７　［７］Ｚｈｕ　Ｙ　Ｗ，Ｘｕ　Ｙ　Ｍ，Ｙｕｎ　Ｎ　Ｚ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｃｏｒｎ·　ｂｉｎｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏ·ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ａ］．１５　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｏｎ　Ｅ｜ｅｃｔｒｏｍａｅｈｉｎｉｎｇ（ＩＳＥＭ　ＸＶ）【Ｃ】，Ｐｉｕｓｈｕｒｇｈ　ＵＳＡ，２００７：４９３～４９８　［８］Ｚｈａｏ　Ｗ　Ｓ，Ｗａｎｇ　Ｚ　Ｌ，Ｄｉ　Ｓ　Ｃ，ｅｌ　ａ／．Ｕｌｔａｒｓｏｎｉｃ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｄｉｓ·　ｃｈａｒｇｅ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｔｏ　ｄｅｅｐ　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｈｏｌｅ　ｏｎ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，１２０：１０１　ｌＯ６