微细电化学加工（精选7篇）
微细电化学加工 篇1
0 引言
随着科学技术的发展, 微器件和微小型零件在工业领域中的应用越来越广泛。与此同时, 微细加工技术也日益受到国内外研究人员的关注。目前常用的微细加工技术有LIGA技术、微细电火花加工技术、微细电化学加工技术、激光微细加工技术、超声微细加工技术等。LIGA技术的加工过程复杂, 设备投资大。微细电火花加工技术在实践中已获得广泛的应用, 但是其加工表面会出现再铸层, 容易变形开裂, 且工具电极在加工中存在损耗。微细电化学加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理来进行尺寸加工的一种工艺方法, 其金属阳极在加工过程中以离子的方式溶解蚀除, 因而在微细加工中具有独特的优势。此外, 由于无电极损耗、加工后工件无表面再铸层、被加工材料的硬度不受限制等优点, 微细电化学加工技术在航空航天等工业领域中具有广阔的应用前景[1,2]。
近年来, 一些研究人员采用高频窄脉冲电流进行了大量的微细电化学加工研究, 取得了许多成果[3,4]。为了减小阴极侧壁杂散腐蚀对加工精度的影响, 文献[5,6,7]采用侧壁绝缘阴极进行了微细电化学加工试验, 在侧面加工间隙控制方面取得进展。上述研究成果极大地推动了微细电化学加工技术的发展, 但是尚有一些关键技术有待突破, 如微尺度加工间隙内电解液更新及电解产物输运问题。宏观尺度电化学加工中, 为了稳定加工条件, 确保加工精度, 可以采取高速冲液的方式在加工区域实现电解液的流动, 带走溶解产物及热量, 使阳极溶解能够正常、连续进行。在微细电化学加工领域, 由于电极尺寸在数微米至数十微米之间, 实现高速冲液的困难很大。除此之外, 为了减少杂散腐蚀的不利影响, 增强阳极溶解的定域性, 提高加工精度, 加工时必须保持微小的极间间隙。微小的极间间隙将带来如下问题:①电解产物不易排出, 很容易发生淤积与黏附, 从而导致短路, 影响加工过程的正常进行;②供液困难, 电解液不易及时更新, 造成加工过程的不稳定。
国内外一些研究人员针对上述问题进行了有益的探索。文献[8,9,10]利用带有螺旋槽的高速旋转微小电极进行微孔加工, 旋转微螺旋电极所具有的微螺杆泵作用对电解产物的排出、电解液的补充有利。这种方法的局限性在于, 电极端部中心处线速度接近为零, 附近区域内的电解产物仍无法顺利排出。此外, 旋转轴的径向跳动误差会降低加工精度。文献[11,12,13]探讨了电解复合振动的工艺方法, 并将其应用到微细加工领域。该方法利用振动装置带动阴极在正常进给过程中作低频振动 (频率为50～200Hz, 振幅为100μm左右) 或超声频振动 (频率为1.6kHz以上, 振幅50μm以下, 带磨料的电解液) 。试验结果表明, 阴极振动所产生的冲击及负压空化效应有利于去除电解产物, 更新电解液, 提高加工精度。这种方法的不足之处在于, 振动装置与加工电源的匹配控制不易。电解复合超声频振动工艺采用了带磨料的电解液, 阴极会产生抛磨损耗。
笔者在进行微细电化学加工研究中, 将侧壁绝缘后的微细阴极安装在直线电机推杆上, 利用直线电机周期性高加速度跳跃运动所产生的搅拌、泵吸作用, 促进加工区域电解液的更新, 及时输运电解产物, 从而达到稳定加工条件、提高加工精度的目的。
1 阴极周期跳跃进给的微细电化学加工
从提高加工精度、改善加工稳定性出发, 笔者提出了阴极跳跃进给的微细电化学加工方法, 其基本思想如下:在微细阴极正常加工进给过程中, 周期性高速抬升和下降阴极 (周期加工时间为1～5s, 抬升高度为3～10mm, 抬升加速度为2～10m/s2, 此为跳跃) , 利用阴极跳跃运动对加工区域电解液及产物所产生的泵吸、冲击、扰动等作用, 更新电解液, 输运电解产物, 改善加工间隙内的流场, 稳定加工条件, 提高加工精度及深度。如图1所示, 一个加工周期包含两个时段:跳跃时段 (断开加工电压) 、加工时段 (加载加工电压) 。加工周期连续性重复, 直至完成整个加工过程。
如图2所示, 在一个加工周期内, 阴极高速跳跃对加工区域电解液的更新作用可以分时段解释如下:图2a, 加工时段开始, 加载加工电压, 主轴进给, 加工区域内电解液较为新鲜;图2b, 加工时段结束, 截断加工电压, 主轴停止进给, 阴极准备抬升, 此时加工区域电解液含有较多的电解产物, 电解液的电导率发生很大变化;图2c, 阴极开始高加速度抬升, 当阴极端面位置处于工件表面之下时, 由于电极高速运动, 新鲜电解液从侧面间隙冲入加工区域, 对区域内的电解产物浓度产生稀释作用, 电解产物也由于搅拌作用的存在而被均匀化;图2d, 当阴极端面高加速度抬升至工件表面之上时, 对加工区域内的泵吸作用将排出部分含电解产物的电解液, 空出的体积由新鲜电解液补充;图2e, 阴极抬升到最高点, 准备下降;图2f, 阴极下降到加工位置, 部分电解液被电极挤出, 加载加工电压, 主轴进给, 下一个加工周期开始。其中, 在阴极高速抬升过程中, 采取了如图3所示的速度控制方式。
2 试验方案
2.1 试验装置
试验装置如图4所示。机床主轴为垂直方向的Z轴, 通过独立的Z轴步进电机驱动, 由精密滚珠丝杠副和滚动直线导轨副组成的精密直线进给组合来实现, 满足微量进给的分辨率要求, 保证微细加工对运动误差的严格限制。另外, 在Z轴滚珠丝杠副带动的竖直运动台板上安装了直线电机 (型号为SMAC LAL-95) , 它可以带动工具电极作高速往复运动。试验装置的控制部分利用PC机作为控制工具, PCI多功能运动控制卡用于传输加工控制指令和处理检测到的数据信号。加工电源采用高精度直流电源ITEC6129, 由响应时间短的固态继电器控制通断。
上述试验装置通过运动控制卡实现Z轴电机进给、直线电机高速运动、直流电源通断的匹配控制。在周期加工时间段, 固态继电器导通, 直流电源供电, Z轴电机提供高分辨率的步进进给, 实现正常电解加工;在阴极周期跳跃运动时间段, 固态继电器断开, 直流电源截断, Z轴电机停止进给, 保护已加工区域在工具电极运动过程中不再被腐蚀。加工过程控制流程如图5所示。
2.2 微细电极的制备与侧壁绝缘
要实现微细加工, 工具电极的尺寸大小和精度都必须小于加工尺寸。工具电极的尺寸越小, 所能加工的微细尺度也就越小。常见的微细电极制备方法有电火花反拷、线电极电火花放电磨削 (WEDG) 、电化学腐蚀等。电化学腐蚀法由于具有加工效率高、加工表面质量好、加工工艺简单等优点, 在微细电极的制作中被广泛采用。本文所述试验利用电化学腐蚀法制备微细钨电极, 采用浓度为2mol/L的KOH电解液, 不锈钢片接直流电源的负极, 钨丝装夹在专用的夹具上, 接直流电源的正极, 在图4所示的试验装置上进行, 通过调节工艺参数可以得到不同直径的微细电极。
为了提高阳极溶解定域性, 保证加工精度, 通过真空气相沉积聚对二甲苯 (Parylene) 对电极侧壁进行绝缘处理, 绝缘膜厚度控制在5μm左右。聚对二甲苯是一种透明的保护性聚合物薄膜, 具有低介质损耗、高绝缘强度和稳定的介电常数等优点, 可以提供真正的无针孔覆形隔离, 覆膜后的产品具有极高的绝缘强度和耐高温、耐摩擦、抗酸碱腐蚀等作用[7,14]。
3 结果与讨论
本文所述试验采用0.2mol/L的H2SO4电解溶液, 在0.5mm厚度的不锈钢板 (1Cr18Ni9Ti) 上加工出一系列的微细孔, 对比试验结果, 并分析阴极跳跃进给、阴极加速度、跳跃高度、周期加工时间对加工精度的影响。
3.1 阴极跳跃进给对侧面间隙的影响
在电极直径为135μm、阴极进给速度为0.78μm/s、初始加工间隙为10.16μm、直流加工电压为4.5V的情况下, 对0.5mm厚度的不锈钢板进行以下3种条件下的加工试验:①阴极侧壁不绝缘、无跳跃进给;②阴极侧壁绝缘、无跳跃进给;③阴极侧壁绝缘, 跳跃进给加工 (跳跃高度为4mm、周期加工时间为5s、跳跃加速度为3.5m/s2) 。加工结果如图6所示。由加工结果可以看出, 3种加工条件下的平均侧面间隙分别为124.75μm、59.5μm、40.75μm, 阴极跳跃进给加工出的微孔侧面间隙最小。
3.2 阴极跳跃加速度对侧面间隙的影响
试验加工条件如表1所示。设置直线电机的跳跃加速度分别为2.5m/s2、3.5m/s2、5.5m/s2、10.0m/s2, 分析比较不同跳跃加速度对孔侧面加工间隙的影响。图7所示为电极不同跳跃加速度对侧面加工间隙的影响。从图7可以看出, 其他参数不变的情况下, 加工的孔径侧面间隙随跳跃加速度的增大而减小 (在一定范围内) 。这是由于电极跳跃加速度越高, 其产生的泵吸作用越大, 对加工间隙中电解液的更新越明显, 越有利于加工条件的改善和加工精度的提高。
3.3 阴极跳跃高度对侧面间隙的影响
设置阴极的跳跃高度分别为2mm、3mm、4mm、5mm, 进行微小孔电解加工试验, 分析比较阴极不同跳跃高度对孔侧面加工间隙的影响, 试验加工条件如表2所示。
图8所示为阴极不同跳跃高度对侧面加工间隙的影响。从图8可以看出, 其他参数不变的情况下, 加工的孔径侧面间隙随跳跃高度的增加而减小 (在一定范围内) 。这是由于电极跳跃高度的增加, 其加速度行程也相应增大, 对加工间隙内电解液的抽吸作用时间增加, 电解液的更新作用也得到增强, 从而改善了加工条件, 提高了加工精度。
3.4 周期加工时间对侧面间隙的影响
阴极周期加工时间对加工侧面间隙也有较大影响。设置阴极的周期加工时间分别为3s、4s、5s、6s, 进行加工试验, 分析其对加工结果的影响, 加工条件如表3所示。
图9所示为阴极不同周期加工时间对侧面加工间隙的影响。从图9可以看出, 其他参数不变的情况下, 所加工孔径的侧面间隙随周期加工时间的增加而增加。在一个加工周期内, 随着加工时间的增长, 加工间隙内电解产物浓度逐渐变大、温度升高, 加工电流明显增大, 从而导致阳极溶解增多, 侧面间隙变大。而缩短周期加工时间有助于加快电解液的更新速度, 稳定加工条件, 提高加工精度。
4 结束语
本文提出了阴极周期跳跃进给的微细电化学加工方法, 构建了试验装置。利用直线电机带动工具电极作周期性高加速度运动, 对加工间隙内的电解液及产物产生泵吸、搅拌作用, 有助于更新加工区域的电解液, 输运电解产物, 稳定加工条件, 提高加工精度。试验结果表明:①对比一般进给加工方式, 阴极跳跃进给的微细电化学加工有利于减小侧面加工间隙, 提高集中蚀除能力;②采用较高的阴极跳跃加速度、较大的跳跃高度、较短的周期加工时间有利于减小侧面加工间隙。
微细阵列孔加工技术及其应用 篇2
在21世纪的航空航天、电子、仪器、纺织、印刷、医疗器械、图像显示器、汽车等工业领域中,以微细阵列孔为关键结构的零部件的使用越来越多,孔径尺寸越来越小,精度要求也越来越高[1,2,3,4]。例如光纤连接器、化纤喷丝板、打印机喷墨孔、电子显微光栅、微喷嘴、过滤板等结构。因此对微细孔阵列加工的研究提出了越来越高的要求,如何实现微细孔阵列的高质量、低成本、批量化的工艺和装备成为现代制造加工技术最迫切需要的技术之一。
2 微细电火花加工技术
微细电火花加工技术和传统的机械切削加工方法不同,它不是依靠机械能,而是用其它能量形式如电、电化学、热等来去除工件材料,达到加工目的。由于加工过程中工件和工具之间不存在机械切削力,因此加工材料不受硬度所限,且由于其设备相对较简单,成本低,深径比可达5:1~50:1,因此在航空航天、仪器仪表、精密模具、微型机械等领域得以广泛应用。随着科学技术的发展,各种新材料不断出现,产品日益趋于小型化和精密化,微细孔电火花加工技术应用范围将愈来愈广[5]。
国内微细孔加工技术方面,哈尔滨工业大学用微细电火花的技术加工出4.5μm的微细轴和8μm的微细孔。
台湾Gwo-Lianq Chern,Ying-Jeng Engin Wu等,用微细电火花技术在100μm厚的不锈钢上加工出100μm的圆孔[6]。
中国工程物理研究院激光聚变研究中心的张昭瑞,黄燕华等人,用精密数控车床车出直径为30μm,长为300μm的单电极,再用电火花加工的方法在厚80μm的不锈钢板材上加工出128个直径55μm的微孔[7]。
哈尔滨工业大学董德生,曾伟梁等人根据电火花加工的反拷贝原理,用超声振动辅助电火花加工的方法加工出5×5、直径30μm的群电极,并用此阵列电极加工出40μm的阵列孔[8,9,10],其加工工艺如图1所示。首先用块电极磨削法制作单电极,然后单电极打阵列孔,再用阵列孔制作群电极,最后用群电极加工阵列孔。并指出在超声辅助下可提高微细电火花加工的效率,加工出有光滑内壁的孔和更小的锥度,可更好地保证电极形状精度,更快的加工速度,同时可减少短路,利于排出电蚀产物,使加工更加稳定。
国外微细孔加工方面,以日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久等人研制的线电极电火花磨削(WEDG)技术最为著名,目前已可用WEDG加工出Φ2.5μm的微细轴,然后以该轴作工具电极,成功加工出Φ5μm的微细孔[11]。
在微细阵列孔电火花加工技术中,走在世界前列的主要有美国、日本等工业发达国家。美国Optimation公司使用日本某公司的ED82型微细电火花加工机床加工出了光纤连接器,如图2所示。此光纤连接器由9×9的直径120μm的阵列孔构成[12]。
国外某公司使用直径为50μm的钨丝采用电火花加工技术加工出直径为70μm的微细孔,并用于汽油机和柴油机喷嘴小孔大批量生产中[13]。
日本的增泽隆久等人提出了一种用两套线电极磨削系统进行快速制造多个微细孔的方法,应用该方法加工出了20×20的直径60μm的阵列孔[14],其原理如图3所示。该方法在整个加工微细孔的过程中只用一道工序。该装置有2套线电极磨削系统(WEDG A和WEDG B),WEDG A对工具电极进行粗加工,WEDG B对工具电极进行精加工,只要控制WEDG A和WEDG B的相对位置就能得到不同尺寸的微细电极,当工具电极与工件接触,就开始进行微细孔加工。该系统的三路脉冲电源同时进行放电,只要有一路短路,工具电极便回退。
日本的Ken‘ichi Takahata和Yogesh B.Gi—anchandani将微细电火花加工技术同LIGA技术结合起来,使微细电火花加工进行批量生产成为可能,即先用LIGA技术制作出电火花加工用的微细成形群电极,然后再用群电极加工群孔,这样一次就可以加工出一批工件。他们用此方法制作出20×20的直径20μm圆柱铜电极阵列,并用此群电极在厚为50μm的不锈钢板上加工出直径在30~32μm的微细阵列孔[15]。
日本松下电器产业(株式会社)生产开发本部,用微细放电火花反拷贝法,在CuW材料上加工出了5×5的直径14.3μm的群电极,用此电极在不锈钢材料上加工出了5×5的直径17.8μm的群孔,如图4所示[16]。并推出CT300FX-SF02FX型的商业化微化孔放电加工机床,该机床用钨电极材料制作出最小达20μm的电极,并在0.1mm厚的SUS304上加工出30μm的孔,可在0.5mm×0.5mm的面积上加工出100个[17]。
为利用简单形状的电极加工复杂形状,尤其是具有尖角锐边的微细孔加工,日本冈山大学冈田晃等人提出了用三角形截面电极进行复杂形状微孔加工的方法[18]。这种方法使用经过拉拔成型的三角形截面银电极,利用精密数控技术对走刀路径进行精密控制,实现多边形微孔加工及线切割加工中尖角变钝等技术难题,成功地加工出了五边形、六边形等具有尖角的多边形微孔,加工出的微细孔如图5所示。虽然从原理上讲这种方法本身并没有太大的想象空间,但这至少从另一个侧面表明用电火花加工技术实现微细加工的途径可能还有很多。
由于微细电火花的加工是电压击穿而放电加工,工具电极存在着严重的损耗,且使用寿命短,放电期间有高温、高压产生,有热影响区,有爆炸力,是以微颗粒的形式去除材料,因此一般只能到达微米级尺寸和精度。
3 激光打孔加工
由于激光束能容易地获得105~1020W/cm2的激光功率密度,所以用激光可以对任何材料实行激光微细孔的加工。激光打孔可获得大的深径比,可达20:1,且无工具损耗、速度快、效率高、经济效益好[19,20,21]。激光微细孔加工适用于直径为500~1μm孔的加工,并可在难加工材料倾斜面上和真空中或其它条件下的工件上进行打孔加工小孔。激光打孔已成为在工业应用中的重要领域之一。
在国内,西安交通大学田兴志对0.3mm厚的玻璃用激光通过缩小成像方法实现4×4阵列通孔加工。缩小成像位置间隔250μm,孔直径l25μm,16个孔的加工时间约为8s加工出的微孔入口直径为129μm,出口直径为71μm,可以形成为光纤导向的锥角[22]。
美国TRS公司使用的激光加工系统,用特殊的谐振腔可以降低激光器的发散角,以便精确、可控地加工小孔。并用于加工飞机防冰板(尺寸为1.8m×0.15m)上的群孔,孔径为60μm,每块板有35000个孔。美国伯罗兹公司的电子元件分公司在制造一种自动扫描荧光屏时,利用激光在此屏幕的厚度为76.21μm的金属阴极上精密地打出了直径为50.081μm的16000多个孔[23]。
天津工业大学激光技术研究所的杨洗陈等人,用飞秒激光制备阵列孔金属微滤膜,用厚度10~50μm的不锈钢、铜和铝三种金属薄膜进行了比较研究。结果表明,不锈钢薄膜适于飞秒激光制作金属微孔膜,在25μm厚的不锈钢薄膜上制备了大面积阵列微孔,孔直径为2.5~10μm,孔间距为10~50μm。并指出飞秒激光加工的微孔直径随单脉冲能量和脉冲数的平方根的增大而增大。与传统烧结金属微孔过滤膜比较,飞秒激光制备阵列微孔金属膜具有膜孔尺寸均匀一致、直通孔形、膜孔尺寸和间距可控等特点,可获得较高的孔隙率,有利于提高透过水通量[24]。
激光加工出的孔的缺点是表面质量差,并且存在一定的锥度,孔的圆度差,不适用于盲孔或台阶孔的加工,同时激光加工产生的热影响区使得工件易产生变形,群孔加工后的累计变形严重。
4 电化学加工
电化学加工的原理是利用电化学氧化还原反应原理,使工件金属不断失去电子发生阳极溶解来达到将工件加工成形的目的。电化学加工是以离子去除的方式对工件进行加工,加工时不受材料力学性能的限制,加工速度快,可达到较好的表面粗糙度,不存在内应力、变形和飞边毛刺,且阴极工具无损耗[25],所以非常适合微细结构的零部件加工,在微细加工技术方面,是一种有很大发展前景的加工方法。也是近十几年来专家学者研究的热点。
南京航天舫空大学朱荻,王磊等人[26,27],采用微细圆柱群电极电解加工金属网板微孔的工艺方法。以电化学腐蚀法制备了直径(60μm)一致的单排微细圆柱群电极,并用此群电极为工具阴极,在工件阳极为120μm厚的不锈钢(1Cr18Ni9Ti)片,采用侧流冲液方式进行了网板微孔的电解加工工艺试验,实现了金属微孔网板的稳定电解加工。加工出孔径为100~140μm的网板微孔,并研究了不同的电压、电解液下的电解加工规律:孔的直径随电压的降低而降低,随电解液浓度的降低而降低,而在NaClO3、NaNO3、H2SO4三种电解液中,NaClO3效果最好,电源脉宽越小,加工出的孔径越小。
荷兰飞利浦公司采用脉冲电解加工技术,成功研制出大批量加工此种类型的精密电动剃须刀(如图6所示)的全自动流水生产线。该公司以4个工序代替了原用的数十个电火花加工工序,年产量达到3×107片[28]。
IBM公司用微细电解加工技术在125μm厚的不锈钢板上加工密集的直径为50μm的高速喷墨打印机喷嘴板,在250mm×250mm的大面积铝板上加工直径为20μm的120000个均匀分布的显示器用光栅罩,其直径的最大误差不超过10%,并成功的将这项技术用于高速打印机的喷嘴、微型锥接触器、印刷电路板、微小孔金属网筛、磁记录装置的滑车悬架等产品的大批量生产中[29]。
由于电化学加工是离子去除的方式,所以理论上是原子级的加工,能达到纳米级的水平,但现有的加工技术中,对加工定域性不容易控制,孔一般会出现一定的锥度,形状制复精度较电火花差,为解决这一缺点,已有学者论证了用高频窄脉冲电源或辅助电极的方法可实现较高的加工定域性的控制。
5 其它加工方法
微钻加工阵列孔方面,主要决定于单孔的钻削技术,为了解决钻削微小孔的技术难题,从加工机械、工艺手段、刀具等方面进行了大量研究。随着高速电机、电主轴等装备的出现,使得微小孔钻床的主轴转速不断提高,如瑞士Fisher公司和法国Forest—line公司生产的电主轴,其主轴转速可达180000r/min,日本NSK公司生产的精密主轴,其回转精度可达到2μm。在工艺手段方面,为了防止钻头折断,提高钻头寿命及钻孔精度,常常使用钻套或导孔,并进行分步钻削。日本住友电工公司推出的一种MDSS型硬质合金钻头,最小直径仅为30μm,最大加工深度为60μm;该公司还生产一种0.2mm硬质合金钻头,最大加工深度达2mm[30]。微钻孔加工技术现已成熟地应用于电路版中微细集群孔的加工。
超声加工技术适用于各种硬脆材料的微细孔加工,尤其是可以加工不导电的非金属绝缘材料,如在玻璃板上精密加工微孔以及加工金刚石模具的变截面圆孔和异型孔。日本东京大学生产技术研究所成功制作了微细工具并解决了微细工具装夹、工具回转精度等问题,采用工件加振动的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微小孔[31]。YU Z Y等人,在美国内布拉斯加大学用工件振动方式的微细超声加工技术加工出了66μm微孔[32]。哈尔滨工业大学的贾宝贤等人,在静压应力为100MPa,工具直径为10μm,振幅为2μm的条件下,加工出直径为13μm的孔[33]。超声加工的缺点是工具的制备和安装比较困难,工具易于磨损,影响孔加工精度,在进行微细加工时由于振幅小,功率小,加工速度偏低。
电液束微细加工是在金属管电极小孔加工的基础上发展起来的一种微细孔加工方法,主要用于加工航空工业中的各种小孔结构。电液束加工时,工件接正极,带有群孔的喷嘴接负极,在正、负极之间加上几百伏的高压直流电,高压电解液群孔喷嘴中,高速通过高电压的电场,射向工件,进行金属去除加工[34],如图7所示。由于阴极喷嘴上的群孔尺寸不能很小,一般在0.1mm以上,加工群孔的尺寸受限,且工具电极不进给,不能加工深孔[35]。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所生物芯片实验室的许宝建、乔治等人,用半导体光刻技术和干法刻蚀技术制作生物微阵列的硅微喷阵列芯片。该芯片是34mm×34mm的玻璃片上制成5×5样品微阵列,25个点的直径平均值为356μm,直径的变异系数(25个点直径的标准偏差与算术平均值的比值)为2.8%[36]。
美国Arizona State University的Miller D S用磨料水射流技术,采用孔径为40μm的喷嘴,用氧化铝为磨料,在50μm厚的工件上,加工出孔径85μm,孔距为205μm的阵列孔[37]。
清华大学精密仪器与工程学系制造研究所的李勇、崔晶等人,用冲压与电火花复合加工技术的方法加工出350个三角形孔,其最小特征尺寸为70μm[38]。其原理是先进行微细冲压加工,每个孔的加工需冲压三次,如图8所示,分别为第一次用圆锥冲完成主要的塑性变形,第二次用类三角形冲头,以完成基本形状冲,第三次用正三棱锥冲头,以微细的底形腔以便得到最终形状与尺寸。最后在工件的另一面进行微细电火花加工,如图9所示。以减薄工件厚度,从而得到所要的精形状孔。此加工方法得到阵列孔的尺寸虽然是较小,但由于要每一个孔要经过三次的冲压,再要微电火花加工,工艺步骤过多,冲孔必须单孔加工,生产效率低,不易实现社会化的批量生产。此外,要精确保证每个孔的冲入深度一致,这一点上很难实现。
掩膜微细电解加工技术结合了掩膜光刻技术的高分辨率和电解加工的高效率。掩膜电解加工微细群孔就是在工件的表面(单面或双面)涂敷一层光刻胶,经过光刻显影后,工件上形成具有一定图案的裸露表面,然后通过束流电解加工或浸液电解加工,选择性地溶解未被光刻胶保护的裸露部分,最终加工出所需的群孔结构。西安工业学院李嘉珩用掩膜微细电解加工技术,采用4%NaClO3溶液为电解液,脉冲峰值电压为5.5V,脉宽为0.1ms,占空比为1:3,初始加工间隙为10μm,阴极进给速度为20μm/min的工艺参数下加工出8个平均直径100μm的单排孔[39]。由于金属溶解是各向同性的,金属在被往下溶解的同时也横向被溶解,因此孔加工的形状难以控制,加工出的孔具有较大的锥度;且反应生成的热量容易造成掩膜剥落、损坏,以致于难以加工较厚的工件[40]。
6 结论
微细电化学加工 篇3
电解加工(electrochemical machining,ECM)过程中,如果工具电极和工件之间的加工间隙过小,则电解产物、电解热等难以排出,加工电流会发生明显的波动,加工过程变得很不稳定,最终将跳变到短路状态, 导致工具和工件电极损坏,甚至会毁坏加工电源。因此,实时检测加工状态,维持稳定的加工过程非常重要。加工间隙与加工过程的状态和稳定性密切相关,对加工间隙进行检测和控制是提高电解加工精度、保证加工质量的关键。
电解加工的间隙检测技术分为直接采样和间接控制两种。直接采样测量的方法精度高,但加工过程中需要多次暂停加工以测量间隙,加工效率不高[1]。间接控制以能够反映间隙变化的参数为检测控制对象,如电压、电流和电导率等,还有采用阴极表面的力信号作为检测对象的[2,3]。德国Fritz-Haber研究所采用纳秒脉冲宽度的微能电源实现了微米尺度的电解加工,从而使其成为微细加工领域的重要发展方向[4]。纳秒脉冲微细电解加工的加工间隙只有几微米,与常规电解加工数百微米或几毫米的加工间隙有显著差别,如采用上述测控方法会产生很大误差。德国科研人员采用了电化学测试系统的三电极体系,利用参比电极和辅助电极检测电极电位来控制电化学反应过程,该试验系统较为复杂,不适于加工应用。
本文针对超短脉冲电解加工极间间隙小、加工过程的稳定性和加工精度难以控制的问题,根据微细电解加工的特点及要求,构建了微细电解加工的检测及控制系统,设计了LabVIEW加工控制程序,采用霍尔电流传感器实时检测加工状态,保证加工过程的稳定性;并利用纳秒脉冲电源、酸性电解液以及两步法短路对刀定位等技术,实现了微细结构的电解加工。
1 微细电解加工的检测及控制系统
1.1 加工控制系统构成
微米尺度的电解加工与常规电解加工虽然都是利用阳极金属材料的电化学反应,实现工件材料的溶解去除,但在加工条件、过程状态以及控制系统方面都有很大区别[5]。为实现加工间隙只有几微米的微细电解加工,对加工设备有严格的要求:机床本体应具有良好的刚性及隔振性能,运动进给及安装定位能精确控制,加工过程可实时在线检测。本研究中采用的加工设备由机床本体、运动进给、加工电源、电解液循环以及检测和控制系统等部分构成。控制系统是实现这些要求的核心,试验研究中微细电解加工的控制系统如图1所示。
工具电极装夹在加工机床的主轴上,由Z轴步进电机带动做垂直方向运动。工件固定于电解液槽内,安装在工作台上,工作台由X、Y两台步进电机驱动做平面运动。为实现精确微量的进给运动要求,X、Y、Z三个方向的加工运动采用“电机驱动器-步进电机-滚珠丝杠副”的驱动方式。所使用的两相混合式细分电机驱动器可对控制信号进行1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64细分。步进电机的步距角为1.8°,丝杠的导程为1mm。当驱动器的细分模式设置为1/64时,进给运动的分辨率即每步进给量为
步进电机后端的伸出轴上安装有光电编码器作为位置传感器,可实时反馈运动和速度信号,并由控制程序及时输出相应指令,实现进给运动的精确闭环控制。
控制系统的硬件主要包括PC810工控机和NI公司的PCI-7344多功能控制卡、UMI 7764接口板以及传感器、继电器等。此系统充分利用了PC机的显示器、存储器及处理器,以PCI-7344控制卡作为核心,控制卡与外部各种电路之间的D/A和A/D信号交流全部通过UMI 7764接口板实现。
PCI-7344多功能控制卡拥有两个68针的I/O口(68芯数字I/O和68芯运动I/O),包括电机控制命令模拟量和步进电机输出、编码器反馈输入、限位、零位输入、断点输出、触发输入以及模数转换器信号等。在闭环控制模式下,通过三个光电编码器信号输入通道和三个12位ADC输入通道来接收位置和速度的反馈信号,上述通道也可以用于接收一般用途的模拟量输入。本系统选用两个模拟量输入分别用于对刀电流和加工电流的采集,另外,该控制卡还具有四个16位的模拟量输出,输出电压为±10V。利用模拟量的输出信号控制继电器,实现短路对刀电路和加工试验电路的切换。选择两个模拟量输出通道分别控制纳秒脉冲电源和电解液泵的启动(或停止)。
1.2 加工过程的检测方法
减小加工间隙是提高加工精度的主要手段,对于微细电解加工,其加工间隙要求减小至几微米。如此小的加工间隙必然造成电解产物很难及时排出,在工具阴极和工件阳极之间极易发生短路,因此需要实时检测加工过程的状态。利用控制系统调整加工进给速度,维持合适的微米级加工间隙,就能够保证加工过程的稳定进行。
本文采用霍尔电流传感器CHB-25NP测量微细电解加工过程中的电流信号,然后通过UMI 7764接口板将其传送到PCI-7344控制卡,实时监测平均加工电流的变化,从而及时发现加工短路征兆,迅速采取相应措施,防止间隙过小发生火花放电和短路。霍尔电流传感器具有突出的性能,其主电流回路与电子控制电路隔离,可以测量任意波形的电流和电压,甚至可对瞬态峰值进行测量,其副边电路可真实反映原边电流的波形,具有精度高、线性度好(<0.1%)、频带宽(0~100kHz)、响应快(<1μs)、可靠性高、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点。它由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成,其测量原理如图2所示。
当原边电流Ip流过传感器中带气隙的聚磁环时,Ip产生的原边磁力线集中在聚磁环的气隙周围,内置在磁芯气隙中的霍尔元件可产生和原边磁力线成正比、大小仅为几毫伏的感应电压,通过后续放大电路可把这个微小信号转变成副边电流Is,并存在以下关系式:
Is=IpNp/Ns (1)
式中,Ns为次级线圈匝数;Np为原级线圈匝数。
当原边电流Ip变化时,它将产生磁场变化,霍尔元件产生的感应电压也发生相应变化,最终导致副边电流Is大小发生相应的变化。由霍尔电流传感器检测的加工采样电流作为反馈信号,用于控制电极进给动作和电源通断,从而避免电极短路以及火花放电,保持稳定的加工状态。
1.3 加工过程的控制程序
笔者以LabVIEW软件为工具,根据PCI-7344多功能控制卡的结构、功用及性能,设计了结构化的微细电解加工控制程序。可以在控制程序界面完成各种加工参数的设定、运行方式设定、启停等功能。针对整个系统硬件平台,控制程序主要实现加工过程电信号和位置信号数据的采集、过程控制策略的选择和实施、数据存储显示、数据分析处理及仪器面板设计。程序主要由虚拟面板(控制与显示)部分、功能模块(加工零位检测模块、自动进给加工模块等)及其连接部分组成,具有运动控制、数值计算、实时数据曲线显示等功能。
根据加工过程设计,微细电解加工的控制程序控制流程如图3所示。电极首先与短路对刀电源接通,工具电极随主轴垂直向下进给,当它和工件接触时发生短路,电流产生突变;然后电极回退5μm的初始加工间隙;启动电解液泵;利用继电器将对刀电源切换为脉冲微细加工电源,并设置加工深度、进给速度、运动轨迹等加工参数。控制程序通过对X、Y、Z三个步进电机的联动控制,就能够使工具电极和工件进行相对运动,实现三维的加工进给。加工过程中,如果加工电流超出稳定加工的电流范围时,说明加工状态不正常,应断开电源、暂停加工,电极回退一定的间隙,并调整进给速度继续进给。电极完成加工进给后,脉冲电源和电解液泵停止,电极回退至初始位置。
加工复杂型腔时,所需的运动轨迹由圆弧和直线组成,可在LabVIEW程序的运动轨迹数据表中预先设定各关键点和参数,由控制程序发出运动指令到各轴的步进电机驱动器,根据数控插补原理实现复杂轨迹的多轴联动加工。
2 微细电解加工试验
2.1 电极的短路对刀
微细电解加工开始之前,需要先确定工具电极和工件之间的相对位置,并控制电极运动使其达到所需的初始加工间隙。加工过程中,工具电极与工件间距离由初始间隙向平衡间隙趋近。预留的初始加工间隙应该比平衡间隙大,否则,在恒电压、恒速进给的条件下,工件的溶解速度低于工具电极的进给速度,加工间隙只能越来越小直至短路。而对于平衡间隙只有几微米的微细电解加工,设置精确的初始加工间隙更是保证稳定加工的必要条件。因此,在加工之前必须实现准确的对刀[6]。
本文采用接触感知的对刀方法,并设计了液面低于加工区的电解液循环系统,由电解液泵为加工区提供电解液。泵停止工作后,由于电极之间的加工区低于液面,没有电解液存留,从而能够实现准确的对刀定位。试验中发现,当对刀进给速度较高时,电极之间短路接触后,控制系统检测到电流发生突变,然后对步进电机发出停止进给指令,到步进电机完全停止进给,会有一定的时间延迟,从而造成干对刀,产生定位误差。而采用很低的对刀进给速度则又会影响对刀的效率,因此本文通过试验研究了干对刀定位精度与工具电极对刀进给速度的关系。首先,以每秒1步(1步=5/64μm)的进给速度进行精确对刀检测,所确定的短路接触位置为参考零点。然后采用不同进给速度对刀,每种速度连续进行20次重复对刀试验以测定其定位误差。
根据对试验结果的分析,我们提出两步对刀法:先采用每秒70~50步的进给速度进行粗对刀,再采用每秒5步的进给速度进行精对刀就可以在提高对刀效率的同时保证较高的定位精度。对刀进给速度不应高于每秒100步,否则在步进电机停止之前微细电极将被工件碰弯,无法进行加工。
2.2 加工过程的状态检测
微细电解加工需要采用低压超短脉冲电源,以抑制电化学杂散腐蚀,提高加工的定域性,保证微米级的加工精度。由于脉冲电源频率太高(MHz级),瞬时加工电流随着脉冲电路的充放电不断变化,对加工电流的实时采样非常困难,而且采样信号也不能真实反映加工状态。从整个加工过程来看,平均加工电流基本稳定,也便于实时监测,所以试验中以平均电流作为检测对象。当工件的溶解速度低于工具的进给速度时,加工间隙不断减小,电解液电阻变小,加工电流逐渐上升;当加工间隙过小时,电解产物、电解热等难以排出,稳定性变得越来越差,加工电流开始发生明显的波动,如果不采取措施,电流波动会越来越大直至跳变到短路状态。因此,实时监测平均加工电流,调整加工的进给速度,可以控制合理的加工间隙,进而保证稳定的加工状态[7]。
本文通过试验研究了不同加工参数稳定加工时平均电流所对应的电极加工间隙,如表1所示。试验中,在保证平均加工电流基本平稳的情况下,钨丝电极以稳定加工的最大进给速度向工件运动。进给一定深度后,关闭脉冲电源,测量工具电极沿加工进给方向上与工件之间的距离,将其作为一定加工条件下稳定加工的平衡加工间隙。
通过表1的数据可以看到,纳秒脉冲微细电解加工的平均电流比常规电解加工要小得多,只有0.05~0.50mA,这也正是其加工过程难以检测控制的主要原因。但另一方面,由于加工区域可控制在40~20μm之间,因此加工的电流密度能够达到15~20A/cm2。根据平均电流与加工间隙的试验数据,当平均电流发生波动,其振幅超过正常值的2倍时,说明工件的溶解速度跟不上工具的进给速度,加工间隙过小,已难以实现稳定加工,此时应使工具电极回退5μm的距离,并降低进给速度,再继续加工,以保证稳定加工所需的极间间隙。
由于平均加工电流很小,因而对其他加工条件的影响就非常敏感,平均电流与加工间隙之间不是简单的线性关系。在同样的加工参数下,加工深度或位置不同,平均电流所对应的加工间隙也会有所变化。随着加工深度的不断增加,电解液的流动更新变得越来越困难,工件溶解速度会逐渐减小。因此工具电极的进给运动速度和工件的溶解蚀除速度总是处于动态变化之中,它们之间的底面加工间隙也不稳定,当工件溶解速度降低时,也就必须对进给速度进行相应的动态调整。
2.3 微细结构的电解加工试验
根据上面对微细电解加工检测及控制技术的研究,电极进给速度必须和工件材料的电化学反应过程相匹配。电极进给速度太快,电化学反应还来不及完成,极间间隙过小,加工过程不稳定,影响加工精度;而电极进给速度太慢,又会使工件加工区域的材料去除过多,造成加工线宽过大,加工微细程度降低。在其他条件相同的情况下,加工间隙直接影响加工过程中的电流密度的大小。稳定加工的极间间隙越小,电流密度越高,加工效率也越高,加工速度越快,加工线宽也越窄。因此,加工过程中应尽可能采取较小的加工间隙,一般应在5μm以下[8]。
在自行研制的微细电解加工机床上,利用前述的加工过程检测及控制系统,采用超短脉冲电源进行了微米级的电解加工试验。采用前端直径10μm的钨丝作为工具电极接纳秒脉冲电源负极,80μm厚的金属镍片作为工件接电源正极,电解液为0.1~0.2mol/L的盐酸溶液,加工过程中保持电解液的流动。加工试验中,先利用对刀电路确定电极初始间隙,再由控制系统转换为脉冲加工电路。对刀电压为0.01V,电极接触时短路电流为1mA左右,不会对钨丝电极和工件造成损坏。然后,工具电极回退3~5μm的初始间隙,添加电解液使加工区域浸入液面下。根据不同的加工电压和脉冲参数选择相应的进给速度,并实时检测平均电流,控制合理的加工间隙,保持稳定的加工状态。
图4为采用微细电解加工得到的三个字母“ECM”的SEM照片,每个字母的高度约为100μm,宽度约为75μm,加工参数为3.5V的电压幅值,脉宽40ns,频率2MHz。加工字母“E”时,由于平均加工电流有较大波动,加工过程不够稳定,工具电极需要回退以脱离与工件的短路接触,因此字母“E”的线条宽度不够均匀。这就说明加工间隙不能过小,否则容易引起短路,影响加工过程的稳定性。短路后工具电极的多次回退,必然会延长加工时间,还会使加工图形的线宽不均匀,影响电解加工的尺寸精度、形状精度以及表面质量。而加工字母“M”时,加工过程相对稳定,线条的宽度也比较均匀,线宽为25μm左右。
3 结论
微细电解加工的加工尺寸通常在数十至数百微米左右,为保证加工精度,其加工间隙只有几微米。本文针对微细电解加工极间间隙难以检测、加工过程稳定性差的问题,在所建立的微细电解加工控制系统中,根据加工试验的基本过程,采用虚拟仪器软件LabVIEW设计了加工控制程序。利用霍尔电流传感器实时检测超短脉冲电解加工的平均电流,将其作为反馈信号,用于动态控制电极的进给运动速度,从而保证不同加工条件下稳定加工的最小加工间隙。进行了微细结构的电解加工试验,加工出了图形准确、线条均匀的微小字形。试验结果证明,加工过程的稳定性对加工结果具有重要作用,实时检测加工过程状态是控制加工精度和微细程度的决定因素之一。
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微细电化学加工 篇4
近年来,随着MEMS的发展,电子、光学、医疗、汽车、生物、通信和航空电子行业对微细部件和产品的需求正快速增长[1]。微机电系统的实用化在很大程度上取决于其动力装置和执行机构中关键结构件的制造。一般材料难以适应高温高压、大机械应力、腐蚀以及高强度辐射等恶劣的工作环境,这限制了MEMS部件的应用。镍基高温合金具有热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点,被普遍认为是有望解决前述问题的材料之一[2]。
用传统切削加工方法进行镍基高温合金材料的微细加工,存在刀具损耗严重、切削变形大、会产生切削热和残余应力等缺点;微细电火花加工技术加工镍基高温合金时,存在工具电极容易损耗、加工稳定性不易控制等缺点,特别是加工表面存在再铸层的问题,这些都限制了其在航空航天领域的应用。
基于电化学阳极溶解原理的微细电解加工,以“离子”溶解形式去除金属材料,因此理论上可以达到很高的加工精度。该工艺具有加工效率高,工具无损耗,加工表面无热影响层,被加工工件表面光滑,无内应力、无裂纹和不受加工材料硬度限制等优点,非常适合用来加工高温合金。在采用纳秒级超短脉冲电流技术后,电化学溶解的定域性得到很大提高[3]。
本文以镍基高温合金GH3030为加工对象,在线制作了柱状电极。在三轴联动微细加工平台上,采用纳秒脉冲电流技术开展实验研究,利用优化的参数,成功加工出二维结构和三维型腔,获得了良好的加工效果。
1 加工原理及加工装置
1.1 加工原理
在微细电解加工中,加工特征尺寸较小,传统的拷贝式电解加工微成形电极制作困难,且电解产物难以排出。参照成熟的数控铣削加工,出现了以简单形状的工具电极完成复杂零件电解铣削加工的技术[4]。采用柱状微细工具电极,通过控制其运动轨迹,能够实现复杂结构的铣削加工,微细电解铣削加工示意图见图1a。
(a)微细电解铣削示意图 (b)极间等效电路图
微细电解加工的极间等效电路如图1b所示。等效电路电阻R与电解液种类、浓度和电极间的加工间隙有关。对于纳秒脉冲的电化学反应,当在工具电极和工件材料间施加脉冲电压时,双电层的电容C就会周期性地充放电[5]。正对工具电极的加工区域极间间隙最小,电解液等效电阻也最小,记为R1,双电层充放电的时间常数τ1=R1C;非加工区域离阴极较远,电解液等效电阻较大,记为R2,则双电层充放电的时间常数τ2=R2C。通过选择合适的脉冲宽度ton,使得τ1≤ton<τ2,在纳秒脉冲电源作用下,加工区的双电层电容能够完全充电,电极电位超过分解电压值;非加工区时间常数大,双电层电容尚未完全充电就进入脉冲间隔阶段,电极电位未能达到分解电压值。因此,加工区电流密度大,集中蚀除效果好;非加工区域的电流密度小,工件被蚀除量少,从而抑制了影响加工精度的杂散腐蚀,显著增强电解加工的定域蚀除能力[3]。
1.2 微细电解加工装置
利用自行搭建的三轴联动微细加工平台在线制作微细电极,并进行微细电解铣削加工实验。该微细电解加工系统包括纳秒脉宽电源、运动系统、加工控制与检测系统、电极系统、电解液系统,以运动控制卡为运动控制系统核心,采用直流伺服电机—精密滚珠丝杠的进给方案。运动控制系统由德国PI公司生产的C843运动控制卡控制M系列直线位移工作台实现3个方向的联动进给。单轴进给分辨率为3.4nm,重复定位精度为1μm,最低进给速度为0.1μm/s,最高进给速度为1mm/s。图2为微细电解加工系统示意图。
2 微细电极的在线制备
高形状精度的微细电极是保证微细电解加工顺利进行的前提,直接关系到加工结果的好坏。目前微细电极的制作方法有精密车削法、离子束铣削法、线电极电火花磨削法、电化学腐蚀法等。相对于其他制备微细电极的方法,电化学腐蚀法经济、高效、加工参数易控制,更适用于制备微细电极。本实验将直径300μm的校直钨丝作为电极制备的原材料。制备原理如图3所示,其中钨丝作为阳极装夹在机床主轴上,穿过作为阴极的不锈钢圆筒中心,阴阳极均浸入浓度为2mol/L的KOH溶液中。在阴阳极之间接通直流电源后,不锈钢板上有气泡(H2)冒出,电化学反应开始进行。钨丝在强碱溶液中发生电化学反应,被氧化成WO
6H2O+6e→3H2+6OH- (阴极)
W+8OH-→WO
对于微细电解铣削加工而言,电极的形状精度尤其是工作端的形状精度对加工结果影响很大。实验发现,尖锐状的电极工作端,电场集中,很容易产生电火花烧蚀而弯曲。工作端尺寸越均匀、形状越规则的电极,其周围电场越均匀,加工过程越稳定。通过控制影响电极成形质量的因素,如加工电压、加工电流、钨丝浸入深度、电解液配比等可制作出直径几微米到数十微米,工作端尺寸均匀的柱状电极[7]。图4所示的微细电极工作端直径在10μm左右,长度在100μm左右。
3 实验安排与分析
加工间隙是微细电解加工的核心参数,包括端面加工间隙和侧面加工间隙。间隙越小,间隙内的电流密度越大,集中蚀除能力就越强,则加工精度越高。微细电解加工中材料的去除量很小,加工的尺寸在微米级,对加工精度的要求更高。另外,加工间隙还直接影响到加工效率和表面质量。因此要实现高精度的微细电解加工,就必须减小加工间隙。
为了获得较小的加工间隙和良好的加工稳定性,本文进行了一系列的参数实验。实验利用纳秒脉冲电源和直径10μm的柱状电极,采用GH3030进行微槽的加工工艺实验,研究不同加工参数,如加工电压、脉冲参数、不同电极直径等对加工精度的影响。因端面加工间隙不易测量,故本文通过分析侧面间隙的大小来研究GH3030微细电解加工的精度,侧面间隙Δs的测量公式为
Δs=(b-d)/2 (1)
式中,b为微槽的槽宽;d为工具电极的直径。
3.1 加工电压对侧面间隙的影响
加工电压是电解加工中的关键因素之一,是使电解加工得以进行的原动势能。实验材料及参数如下:浓度为0.2mol/L的H2SO4电解液,工件为厚度300μm的GH3030板,脉冲电源周期为1μs,脉冲宽度为95ns,电极直径为10μm,进给速度为0.2μm/s,向下进给深度为10μm。实验测得的侧面间隙随电压的变化趋势如图5所示。
由图5可知,加工电压越高,侧面间隙就越大,相应产生的误差就越大,零件的加工精度就越低。同时,加工电流随着加工电压的增大而增大,根据法拉第定律,材料的蚀除量随着加工电流的增大而增大,一旦电解产物未能及时排出,就会造成短路。但过小的加工电压不足以克服双电层电势和溶液欧姆压降而建立起的必要的极间电流场;过大的电压导致单位时间内材料的蚀除量过大,电解产物不能及时排除。电压过小或过大均会导致短路现象的发生,因而,在确保满足所要求的电流密度且保证加工精度和加工稳定性的前提下,电压一般取4.5V。
3.2 脉冲宽度对侧面间隙的影响
在脉冲参数中,脉冲宽度是重要的一项,它反映了双电层的充电时间。实验材料及参数如下:浓度为0.2mol/L的H2SO4电解液,工件为厚度300μm的GH3030板,加工电压为4.5V,脉冲周期为1μs,电极直径为10μm,进给速度为0.2μm/s,向下进给深度为10μm,脉宽范围为60~150ns。实验测得的侧面间隙随脉宽的变化趋势如图6所示。
由图6可知,随着脉宽的增加,侧面间隙增大。这是由于加工过程即为对双电层进行充放电的过程,当脉宽变大时,双电层的充电时间延长,加工电流增大,工件的蚀除量增加,因而侧面间隙变大,加工精度下降。因而在保证加工稳定性的前提下,应尽量减小脉冲宽度,一般取80~100ns。
3.3 电极直径大小对侧面间隙的影响
为验证电极直径大小对侧面间隙的影响,进行了一组实验。该组实验材料及参数如下:浓度为0.2mol/L的H2SO4电解液,工件为厚度300μm的GH3030板,加工电压为4.5V,脉冲电源周期为1μs,脉冲宽度为95ns,进给速度为0.2μm/s,电极直径为4~18μm。实验所得电极直径大小对侧面间隙的影响如图7所示。
由图7可知,总体而言,侧面间隙随着电极直径的增大而增大,在电极直径较小(4~7μm)时,侧面间隙较小,但实验稳定性不佳;随着电极直径的大幅增加,侧面间隙随之急剧增加,但加工过程趋于稳定。因此为减小侧面间隙以保证加工精度,同时保证加工稳定性,一般加工实验采用直径10μm左右的电极。
3.4 薄分层电解铣削策略
对于高深宽比的微型腔加工,一次电解铣削方法在加工时加工深度较大,加工间隙内电解液难以及时更新,电解产物排出困难,很难保证加工精度和加工稳定性,加工效率也很低。为获得良好的加工效果,实验采用分层工艺进行微细电解加工,将高深宽比的复杂结构分解成多层的简单轮廓。薄分层电解铣削策略将每层铣削厚度控制在3~5μm之间,使得电解液能及时进入加工间隙,带走电解产物,消除了局部产物堆积产生的短路现象,提高了加工稳定性;另外,每层铣削厚度较小,单位时间内工件被蚀除量很少,可以以较高的速度进行加工,从而提高了加工效率。
为探索薄分层电解铣削工艺对微细电解铣削加工过程的改善,在GH3030上进行了微槽的加工实验,研究每层铣削厚度对进给速度和加工稳定性的影响(加工稳定性以100μm长的微槽加工过程中的短路次数来衡量)。每层铣削厚度为1~5μm,实验结果如图8所示。
由图8可见,在每层铣削厚度小于3μm时,进给速度和加工稳定性均处于较理想的水平,随着每层铣削厚度的增加,进给速度突然下降且短路次数急剧增大,因此从加工稳定性考虑应该将每层铣削厚度控制在3μm以内。另外,材料蚀除率RMR与每层铣削厚度的关系为
RMR=bhv (2)
式中,h为每层铣削厚度;v为进给速度。
每层铣削厚度h与RMR的关系如图9所示,可见当h=3μm时,材料蚀除率最大,加工效率最高,因此为兼顾加工效率和加工稳定性,每层铣削厚度一般取3μm。
4 实验结果
基于以上实验与分析,在优化参数的基础上进行了较高深宽比的二维结构和三维型腔的微细电解铣削分层加工。图10是在厚度为300μm的GH3030片上电解铣削加工出的二维方腔结构,方腔深35μm,相关实验参数如下:H2SO4电解液的浓度为0.2mol/L,加工电压为4.5V,脉宽为95ns,脉冲周期为1μs。图11所示的三维结构加工条件与图10相同,加工结果为型腔深40μm,槽宽28μm,中心舌状结构尺寸为80μm×6μm,与设计尺寸(设计型腔深40μm,槽宽30μm,中心舌状结构80μm×5μm)基本相符,误差较小;另外从局部放大图可以看出其深宽比较大,棱角分明,形状精度高,显示了很强的定域性加工能力。
5 结束语
本文以镍基高温合金为加工对象进行微细电解铣削加工实验。采用电化学腐蚀法制备了形状精度高的柱状微细电极,在镍基高温合金GH3030上进行了一系列的参数对比实验,研究发现采用低加工电压、小脉冲宽度、小电极直径可有效提高加工精度。通过应用薄分层电解铣削工艺,成功加工出高质量的二维结构和三维型腔。 ()
摘要：针对高深宽比、复杂结构的微型腔,提出了分层电解铣削的工艺。在三轴联动微细加工平台上制作了柱状的微细电极,并在镍基高温合金上进行了微细电解铣削加工实验。研究了加工电压、脉冲参数、不同电极直径对加工精度的影响规律,成功地加工出二维结构和三维型腔。该工艺加工精度高、加工稳定性好。
关键词：镍基高温合金,柱状电极,分层铣削,微三维结构
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微细电化学加工 篇5
关键词：激光技术,微细加工,金刚石,石墨化,蚀除
1 引言
金刚石晶体属于立方晶系, 具有面心立方晶胞结构, 每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外四个碳原子形成共价键, 这样的特殊结构使其具备极高的硬度、导热率和优异的化学稳定性, 被广泛应用于切削刀具、磨具、导热器件、光学窗口等领域[1,2,3]。
基于极高的硬度和化学稳定性, 难以使用机械加工的方法对金刚石进行切割、抛光、成型等加工。而激光的高能量密度, 高方向性, 高单色性的特点使激光可以实现对金刚石进行加工, 尤其是微细加工。对此, 国内外学者对金刚石表面的微结构制备工艺与机理进行了较多的研究[4,5,6,7];而激光加工在金刚石工具应用领域又主要集中在激光修整金刚石砂轮方面的研究[8,9,10,11], 可以说激光微细加工金刚石拓宽了金刚石相关材料的应用领域。随着超短脉冲激光技术的不断进步, 研究者对激光加工金刚石的机理也不断深入, 脉冲激光加工金刚石材料的理论和应用技术研究得到更多的关注。本文综述了国内外对脉冲激光微细加工金刚石机理的研究, 重点总结了脉冲激光加工金刚石的石墨化机制和材料去除机制。
2 脉冲激光诱导金刚石的石墨化机理研究
2.1 脉冲激光诱导金刚石的石墨化
金刚石在空气中加热到温度T>Tg≈700℃开始向石墨转化。石墨化的过程使金刚石晶格中以sp3结合的原子获得足够的能量, 经过能量扩散, 跳跃到sp2结合的状态。在石墨化的同时, 相邻碳原子的距离在增大, 石墨化后的物质密度比金刚石小, 因此石墨化更易发生在自由的空间如金刚石的表面以及靠近缺陷的地方[12]。
激光辐照金刚石石墨化的过程是内部自由电子通过逆韧致辐射吸收能量的过程。根据激光能量, W和脉冲宽度τ分成两种不同的石墨化模型:第一种是在低能量W和长脉冲宽度τ的时候, 使用一系列的脉冲产生逐步的光吸收以及缺陷累积, 电子吸收激光能量是在均衡加热的情况下, 晶格慢慢加热到T≈Tg。这可以通过选择金刚石在纳秒或者更长的激光辐照下实现, 相对应的石墨化方向是垂直表面沿体层发展, 激光处理导致金刚石-石墨分界面的形成;第二种是在激光能量W很高, 激光脉宽τ极短时, 激光辐照能量被高度吸收, 电子雪崩可能出现, 因为电子的温度超过了晶格原子的温度, 并且电子浓度远远大于均衡加热情况下的电子浓度, 初始碳原子受到直接影响开始电离, 激光的能量被等离子体吸收转化, 晶格的温度升高到T≥Tg, 这可以通过选择飞秒激光辐照或辐射高吸收的材料如低品级CVD金刚石, 纳米晶金刚石 (NCD) 以及类金刚石薄膜 (DLC) 实现, 相对应的石墨化是平行于表面按分层方式发展的[13,14]。在这两种模型中, 辐射后的金刚石表面都会覆盖一层石墨层, 不论哪种石墨化方式发生, 石墨化后都将导致晶格的不稳定, 并且随着SP2键的增加以及缺陷的出现, 对激光的吸收都会大大增加[15]。
拉曼光谱分析是验证激光加工金刚石表面石墨化的重要手段。如图1中可以看到未加工金刚石表面的拉曼光谱仅在1332.9cm-1存在金刚石特征峰, 而经过激光辐照后拉曼光谱图出现的1350cm-1和1580cm-1 (相对应的D峰和G峰) 处存在两个石墨峰[16,17,18,19]。另外, 金刚石的电阻率远远大于石墨的电阻率, 因此测量石墨层的电阻率也是检测石墨化的另一种方法。在Lade[20]使用波长为193nm的准分子激光器辐照CVD金刚石的实验中, 在高能量和足够的脉冲个数情况下, 材料的电阻率从δ≈1014Ωcm下降到δ≈10-3Ωcm。同样Rothschild[21]使用波长为193nm的准分子激光器辐照Ⅱa型单晶金刚石, 被激光辐照后的样品上测量电阻率结果为δ≈10-3Ωcm~10-4Ωcm。
(1) 激光辐照前原始金刚石表面 (2) 激光辐照后金刚石表面
2.2 脉冲激光诱导金刚石石墨化厚度
Kononenko[22]给出CVD金刚石材料在激光辐照后产生石墨层厚度lg的公式是:
其中lb是观察得出高出原始表面的凸面高度, ρg=1.9g/cm2是石墨的密度;ρd=3.5g/cm2是金刚石的密度。
激光参数对石墨层的厚度影响最大的是脉宽τ, 与激光波长和多脉冲作用没有明显的相关性。Kononenko[23]总结了不同的激光器, 不同的波长, 不同的脉冲宽度和多脉冲辐照的石墨层的厚度, 如图2所示。并得出石墨层厚度lg的大小与脉宽τ的变化规律公式:
这里是材料的热扩散系数, c是材料的热容, ρ是材料的密度, k是材料的导热系数) 的厚度。在高能的激光辐照后石墨化过程是一个热刺激的过程, 石墨层的厚度lg取决于热影响区的深度。在脉宽较大时 (τ0.1ns) 热扩散占主导地位, lg正比于并且lg不取决于脉冲宽度, 石墨的吸收系数α0=αg=2×105cm-1实验数据与公式2吻合。值得注意的是, 在飞秒激光作用的一些情况下, lg仅仅几个纳米, 这样极薄的石墨层很难被检测到[21]。
激光诱导金刚石石墨层的出现不仅仅是作为单脉冲或者多脉冲作用在金刚石表面出现光热改变的结果, 当激光的能量密度足够高时, 金刚石表面石墨化在初始脉冲时就会产生, 之后剩余的脉冲能量将被样品更有效地吸收, 并且使表面温度T≈Ts (升华温度) , 结果石墨材料开始消融, 在消融区产生一个凹坑[25]。在凹坑底部观察, 显示底部总是覆盖一层石墨层, 石墨层的厚度和性质通常接近于未消融的石墨层, 这可以通过拉曼光谱、导电性、化学刻蚀激光产生凹坑的物质来检测。
3 脉冲激光去除金刚石机理研究
3.1 金刚石的气化去除
3.1.1 金刚石的气化去除模型
激光辐照金刚石一旦金刚石表面石墨化产生 (不论初始脉冲或者一系列的脉冲序列) 并且激光的强度足够高的时候, 样品的表面加热到石墨的升华温度Ts≈4000℃, 石墨就会被大量去除, 这种去除方式称作气化去除。Komlenok[26]使用KrF激光器能辐照DLC表面, 研究了金刚石石墨化到消融去除的转变, 单脉冲激光辐照金刚石材料, 在Ea>E>Eg (Ea≈0.8J/cm2是激光气化烧蚀阈值, Eg≈0.1J/cm2是金刚石石墨化阈值) 时, 激光辐照金刚石以石墨化为主导, 由于材料石墨化后膨胀的原因, 出现一个凸点, 高度增加, 当E>Ea时, 可以检测到石墨材料开始去除, 当E>>Ea时, 材料的去除速度更快, 石墨化的速度远小于消融去除的速度, 以至于一个单脉冲就可以产生凹坑, 发生气化去除。
3.1.2 金刚石的气化去除速率
气化消融的速率是由激光能量密度决定的, 同时与气氛环境有关。
激光能量在烧蚀阈值附近时, 根据材料的不同和激光参数的变化, 分为两种消融模型[27]。在长脉冲宽度以及高热导材料上, 当时, 烧蚀的厚度是由材料的热扩散决定的, 如果样品的温度在激光辐照的时候保持在T≈Ts, 直到材料的蒸发产生, 消融的速率 (每个脉冲去除的深度) 可以用下面公式表示:
公式中A是样品的吸收率;Lb是金刚石石墨化然后气化去除的厚度;W是激光光束的强度, 由于缺少以及A以及Lb的数值, 计算V使用公式 (3) 十分复杂。Ralchenko[28]使用KrF纳秒激光烧蚀CVD金刚石实验充分证明V正比于E, 与公式 (3) 吻合, 如图3所示, 三种金刚石的材料刻蚀速率V与E是呈线性关系的, 只是每条曲线的斜率 (由决定) 存在轻微的差异。
在短脉冲激光辐照的情况下 ( (χτ) 1/2lg) , 激光辐照的能量用来石墨层的气化, 内部以及热损失可以忽略不计, 这种情况下, V的公式为:
Preuss[29]飞秒激光实验加工高热导系数的金刚石材料证明刻蚀速率V公式4相吻合, Danyi[30]纳秒激光加工较低热导性的DLC膜的消融速率同样与公式4吻合。
公式 (3) 和 (4) 通常应用在能量密度在烧蚀阈值周围的情况下, 在更高的能量密度下, 激光烧蚀速率将会饱和, 不同脉宽下V (E) 曲线[31]高于烧蚀阈值时, 消融速率起初根据公式 (3) 与公式 (4) 确定, 但当能量密度远高于烧蚀阈值时, V (E) 曲线趋于平滑, 最大的V (E) 是在τ=1.5μs, EEa时, V (E) 可以达到5~8mm/脉冲。
Gloor[32]用ArF准分子激光器 (193nm, 脉宽20ns) 在不同气氛环境下对5μm厚的CVD金刚石膜进行辐照, 利用烧蚀深度表示烧蚀速度。研究发现, 在真空和轻气体中 (氦气与氢气) 烧蚀速度高于其他气体, 这可能因为激光产生的蒸汽在真空和轻气体中扩散的比空气中快 (真空中最快) , 氧气气氛下烧蚀速率比空气中和氮气中快, 因为石墨层被化学刻蚀与氧气反应的原因。
3.2 金刚石的化学去除
3.2.1 金刚石的化学去除模型
激光加工金刚石材料通常是在空气中进行, 当激光加工金刚石材料温度接近或者超过石墨化的温度Tg时, 石墨与空气中的氧发生反应产生挥发性的气体如CO2与CO气体, 这种去除材料的方式称作化学去除 (氧化去除) 。连续激光辐照金刚石, 表面温度低于石墨气化温度Ts时化学去除尤为明显。Konov[33]使用20ns的KrF激光加工DLC薄膜, 在E>Ea=0.4J/cm2时, 气化材料去除发生, 去除速率超过10nm/脉冲, 并且在真空和空气中差异不大。然而, 当E<Ea时, 只有在空气中有少量的去除, 在真空中没有去除, 考虑到石墨化的烧蚀阈值Eg=0.07J/cm2, 可以得出当温度T大于石墨化的温度Tg小于气化温度Ts时, 氧化去除是材料的去除方式。同时研究表明空气只影响化学刻蚀的速率, 而对石墨化是没有影响的。
3.2.2 金刚石的化学去除速率
化学去除速率与激光能量参数对其影响不大, 却与氧浓度有密切关系。Yu[34]使用连续激光器 (λ=488nm) 辐照1.25um厚的氢化非晶碳 (α-C:H) 薄膜, 得到化学刻蚀速率公式:
上式中h是刻蚀深度, a是常量, D是氧扩散系数, δ是氧浓度下降气体层的厚度, Ta是反应温度。在低的温度 (a·exp (-Ta/T) CoxD) 时, 公式5可以变换为简单的公式:
相反对于高的激光能量, 对应的高温度T正比于P, 公式5可以变换为:
公式中V是由温度经过D微弱的控制, 对于小的烧蚀点δ可以近似的取值d/2。
4 结论
在脉冲激光微细加工金刚石的过程中, 金刚石首先经过SP3键的破坏形成更多的SP2, 从而转化为石墨相, 这种碳形态的转变在激光加工金刚石过程中有着重要的作用;脉冲激光能量密度的提高, 石墨化为主的相变逐渐转变为气化材料去除, 气化去除速率由脉冲激光能量密度决定;随着脉冲宽度的减小, 石墨化的厚度也越小, 飞秒激光石墨层厚度只有纳米尺度范围;金刚石的化学去除与外界环境有关, 化学去除速率与空气中氧气浓度密切相关。
微细电化学加工 篇6
微细电火花加工技术具有强大的微尺度制造能力, 同其他微细加工方法相比, 具有非接触式加工、设备简单、可实施性强、所能处理的材料广泛等特点, 该技术可应用于加工微型轴、孔、槽以及其他类型三维复杂微结构, 其加工表面的粗糙度Ra可以达到0.1μm[1]。
但是, 微细电火花加工中不可避免地存在着电极损耗的问题。电极侧面间隙存在的蚀除颗粒容易导致二次放电, 致使电极出现锥度;电极的端部因为损耗变成半球状[2]。电极的损耗严重影响了加工精度, 如何减小甚至消除电极损耗导致的变形成为一个重要问题。
对于损耗的补偿措施, 众多学者做了大量研究, 如用多个新电极重复加工直至达到形貌要求[3], 但加工效率低、成本高而且不能准确预测电极的数量;通过加大损耗端面并尽可能地更新侧面的方法减小侧面损耗[4], 虽然取得了一定成果, 但同样增加了成本和周期;组合电极方法是在薄壁空心套插入一圆柱杆固定电极, 工作液从套内进入, 套外流出[5], 可以有效避免侧面放电, 但增加了电极制作难度;Yu等[6]提出了电极等损耗理论, 但在加工深孔时难以实现。
电化学复合沉积技术为增强电火花侧面抗电蚀能力提供了新的选择, 具体方法是在电极表面电沉积一层含有高熔点陶瓷颗粒的材料。本文选用的ZrB2粉末具有高熔点、导电、耐腐蚀性好等特点, 常用在航空航天领域的高温环境中。
本文提出新型复合电极并制作出样件, 电火花加工实验结果表明该方法能有效保证电极的形状精度, 具有操作可行性。
1 电极损耗原因和减小损耗的策略
在电火花打孔过程中, 电极的端面和侧面均存在损耗, 使电极端面棱角处变钝, 电极出现锥度。电极端面棱角处变钝的原因大概有以下3个方面:
(1) 电极端面棱角处可看作“尖端”, 由物理学知识知, 导体表面曲率大的地方电场较强, 因此, 电极端面棱角处通常是电场较强的地方。
(2) 微细电火花加工中脉冲电源脉宽极短, 一般为微秒或纳秒级, 由此将产生高频的电压、电流信号, 频率甚至可达兆赫级[7], 因此集肤效应显著。集肤效应改变了电极中电场强度的分布, 电极边缘的电场强度可以达到中间处的几十倍。
(3) 部分电火花加工的蚀除产物在运动过程中与孔底的侧壁发生碰撞而减速, 其运动状态很可能受电场作用发生改变。将碎屑看成导电小球, 如图1所示, 由于导电小球的介电系数要远远大于工作液的介电系数, 处在电场中小球的a、b面分别受拉力fa和fb[8], 因b面处的电场强于a面的电场, 故fb>fa, 导电小球将有可能不随液体流出孔外, 而是向电极端面棱角附近运动, 从而在电极棱角处搭起“小桥”, 使该处的介质击穿放电。
因此, 电极端面棱角处最容易发生放电, 且其放电间隙大于电极内部放电间隙。此外, 电火花打孔的过程中, 电极端面棱角处的材料要同时承担蚀除孔底及孔壁工件材料的任务, 因此, 其损耗量大于电极内部材料损耗量, 加工一定深度后, 电极端面变成圆球状, 电极端面和工件间的电场分布趋于均匀, 各部分的放电间隙相近, 形状变化不大。
导致电极出现锥度的主要原因是发生在电极侧面和孔壁间的二次放电。
根据以上分析, 提出在电极侧面镀敷一层抗电蚀材料, 可以有效减小端面棱角处的钝化, 其原因是:当电极棱角处发生放电时, 由于这个区域的材料抗电蚀性强, 所以损耗掉的材料大大减小, 随着电极和工件材料的去除, 极间电场重新分布, 极间距离较小的电极内部开始放电, 发生在这个区域的放电情况与普通电极相似, 结果是电极端面棱角处的损耗量接近了中心部分的损耗量, 加工一定深度后, 电极端面棱角处只发生轻微的钝化。另外, 抗电蚀材料可以减小二次放电造成的电极损耗, 减小孔的锥度。考虑可行性和经济性, 本研究采用Cu-ZrB2做镀敷材料。
2 实验验证
2.1电极制备
本文使用的ZrB2微粒为丹东化工研究所生产的ZrB2微粉, 平均粒径为2.5μm, 纯度为95% (质量分数) 。为了去除微粒中含有的对电解液有害的金属杂质和有机物, 并保证微粒在加入镀液过程中不发生团聚现象, ZrB2微粒在加入镀液前必须进行活化处理。处理工艺如下:丙酮溶液中浸泡1h (磁力搅拌) →去离子水洗→0.5MHNO3溶液浸泡2h (磁力搅拌) →去离子水冲洗至pH≈7→过滤→加入少量镀液搅拌均匀→将此悬浊液加入镀槽。
实验的工艺流程为:电极
阴极采用直径为0.4mm的铜管, 内径为0.1mm, 施镀长度为70mm。阳极采用直径为54mm的铜管, 镀液组成如表1所示。
实验选用智能多组换向脉冲电镀电源。用S25-2型恒温磁力搅拌器搅拌镀液, 使镀液中的Cu-ZrB2微粒均匀悬浮。复合电镀后的电极见图2。
2.2电火花深小孔加工
用沙迪克电火花加工机床打孔, 设定主轴位移为20mm。工件材料为NAK80模具钢, 电极分别采用黄铜管电极和Cu-ZrB2复合电极, 加工参数见表2。
用VHX-600E超景深三维显微镜观察孔的剖面, 如图3所示, 图中左边3个孔和右边3个孔分别为传统电极和复合电极加工所得孔。
3 实验结果分析与讨论
电火花加工前后的电极形状对比见图4。由图4可见, 电火花加工深小孔后, 传统电极靠近加工端面的一段呈明显的锥度, 而复合电极圆柱度较好, 没有明显的锥度, 端面也较平。
用RTWR代表电极体积相对损耗率, 根据公式:
进行计算, 结果见表3。其中, dout为电极外径;din为电极内径;l为电极损耗长度, 通过加工前和加工后两次对刀触碰工件的读数差而得;L为孔深;D为孔径, 传统电极加工所得孔的直径按孔入口处的直径计算。得到的电极体积相对损耗率将比实际值偏小, 复合电极加工孔所得直径由于圆柱度较好, 所以由孔入口至孔底测5次取平均值。将电极编号为1～6, 依次对应图3中由左至右的6个孔。
由表3可知, 复合电极的体积相对损耗率小于传统电极的体积相对损耗率。
实验结果表明, Cu-ZrB2复合镀层提高了电极侧面的抗电蚀能力, 复合电极加工的孔的形状较普通电极有明显改善。Cu-ZrB2复合镀层抗电蚀的原因可归结为3个方面:
(1) 在电沉积过程中, Cu-ZrB2微粒对阴极表面的遮挡作用导致了阴极局部电流密度的提高, 即Cu-ZrB2微粒的加入对铜还原沉积具有极化作用。阴极过电位的提高使晶体的成核作用超过了晶体的长大作用, 从而引起了镀层晶粒的细化。用SEM观察纯铜和Cu-ZrB2复合镀层的结构, 如图5所示。
(2) 电加工过程中, 由于Cu-ZrB2熔点 (3100℃) 远远高于铜的熔点, 甚至超过铜的沸点 (2567℃) , 而且Cu-ZrB2和铜均具有较好的导热性, 因此放电产生的热量大部分被融化或气化的铜带走, 使Cu-ZrB2微粒表面温度降低而不会被蚀除。这样, 分布于放电点周围的具有较低表面温度的Cu-ZrB2微粒对于熔融铜就可起到阻挡与黏滞作用, 能够加速熔融铜的重新凝固, 从而可以有效抑制熔融铜的流动与抛出, 降低电极损耗。
(3) 由于电加工过程中绝大部分的热量由铜基体传走, Cu-ZrB2几乎没有损耗, 所以电极表面的温度更接近铜的熔点 (1084℃) 。而NAK80模具钢工件表面的温度则接近于铁的熔点 (1530℃) , 即在加工过程中Cu-ZrB2电极的表面温度远低于模具钢工件的温度, 使飞溅到工具电极上的工价材料凝固在电极上, 减小了工具电极损耗, 如图6所示。
此外, Cu-ZrB2复合镀层的导热性与纯铜相当, 放电发生在电极端面棱角处时, 部分热量向电极中心传递并由铜基体带走, 减小了电极棱角处的损耗。
4 结束语
微细电火花加工深小孔中存在“尖端效应”、集肤效应、加工碎屑搭建成桥以及二次放电等现象, 使电极失去形状精度。本文提出的利用不同材料的电蚀性能差异改变电极侧面材料的方法能够提高电极的形状精度。ZrB2微粒细化了镀层中的铜晶粒, 减少了电极材料的抛出, 部分电极材料在电极表面重结晶, 能够保证电极端面和侧面的形状完整。通过调整电沉积工艺参数, 可以改变镀层的抗电蚀性, 从而可与不同电极材料合理匹配, 具有广泛的适用性。
摘要：微细电火花深孔加工中电极的损耗变形严重影响了加工精度。分析了造成电极形状失真的原因, 提出了增强电极侧面抗电蚀能力的方法, 通过复合电镀技术, 在电极侧面电沉积Cu-ZrB2复合镀层, 制成的复合电极在电火花机床上加工深孔, 结果表明, Cu-ZrB2复合镀层提高了电极的抗电蚀能力, 该方法能够有效地保证电极端面的等损耗, 减小加工孔的锥度。
关键词：微细电火花加工,深孔加工,电沉积技术,电极损耗,抗电蚀能力
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微细电化学加工 篇7
冠心病对人类健康的威胁日益加剧,介入治疗因效果显著且副作用小,已成为心血管疾病治疗的首选[1]。镁合金血管支架兼具高分子材料的可降解性以及金属材料的高强度,能在有限的服役期内对血管壁起到支撑作用,并在病变血管组织形成新的血管壁之后,经体液的腐蚀逐渐降解并消失,大大降低了在植入处发生血栓及并发炎症等病变的可能性[2]。21世纪以来,镁合金血管支架已经成功地在动物[3,4]和人体内[5,6,7]进行过多次植入试验,显示出了良好的应用前景。镁合金血管支架通过对微细管进行激光雕刻,得到管网状结构,以便于其在服役中的弯曲和膨胀变形。在实际应用中,这些微细管材在满足一定力学性能的同时,其尺寸需要达到直径在2.5~4.0mm、壁厚在0.1~0.2mm之间[8,9]。生物医用镁合金微细管材在人体内服役,与体液长时间接触,且支架植入病变部位后,需用球囊将其撑开,因此相比于工程用镁合金管材,生物医用镁合金微管对耐蚀性及高强度与高塑性的匹配具有更高的要求。常见的镁合金微细管材的制备流程如图1所示,其中坯料处理和小规格管材成形两个步骤尤为关键。坯料组织及性能的优劣决定了较大规格管坯制备的成功与否,而小规格管材的成形对加工方法及过程控制要求高,制备难度大。
众所周知,镁合金为密排六方晶体结构,在室温下塑性很差,当温度升高时,晶体潜在的滑移系会被激活,从而塑性提高。因此,传统的镁合金管材加工方法主要是热加工(热挤压、热拉拔等)。然而,热加工时合金易氧化,晶粒易长大,制得的管材尺寸精度、力学性能及表面质量较差,无法满足生物医用的要求。为了克服镁合金塑性差的缺陷,制备出优质的医用镁合金微细管,近年来科研工作者着重从调控镁合金坯料显微组织、优化镁合金管材精密加工参数及开发新型加工方法3方面进行攻关,取得了一系列进展。
1 超细晶镁合金坯料的制备
在镁合金坯料组织超细晶化的过程中,材料的细晶强化作用得以充分发挥,坯料的力学性能得以显著改善,从而使最终制备的微管力学性能提高,能够满足血管支架的使用要求,相关研究如表1所示。
近年来大塑性变形技术如等径角挤压(Equal channel angular pressing,ECAP)等在变形镁合金中的应用得到了很大的发展,为镁合金坯料组织的细化提供了条件。Furushima等[10]以AZ31镁合金为研究对象,通过等径角挤压和传统热挤压的方法成功制备出了外径2mm、壁厚0.5mm的微细管材,如图2(a)所示。管材显微组织呈均匀等轴晶,其平均晶粒尺寸仅为1.5μm,且具有超塑性,在温度为673K时,伸长率达到最大值688%。
镁合金通过大塑性变形细化组织后,不但力学性能提高,而且使得后续的挤压成形更容易进行。相关研究表明[11],对铸态ZM21镁合金依次在200℃和150℃下进行多道次等径角挤压,可得到平均晶粒尺寸仅为0.52μm的超细晶组织。合金的屈服强度由铸态的180 MPa提高到了340MPa,同时保持了相当高的塑性。用所得超细晶坯料在150℃下成功挤压出了外径4mm、壁厚1mm的微细管,其晶粒尺寸仅为0.5μm,且硬度从50HV提高到了74.8HV,增加幅度明显。此项研究也表明了通过ECAP法获得的超细晶结构在低温下进行挤压是可行的。
鉴于通过大塑性变形制备的超细晶组织坯料还需经过后续的挤压来成形管材,Faraji等[12]从缩短制备周期的角度出发,采用沿径角管材挤压(Tubular channel angular pressing,TCAP)的方法在200℃下直接对铸态的AZ91镁合金管坯进行多道次挤压,如图2(b)所示,获得了外径8.75mm、壁厚2.5mm的超细晶管材。实验中发现,经过第一道次的挤压后,管材的显微硬度从初始态的67HV提升到了98.5HV,屈服强度和极限抗拉强度相比于初始铸态分别提升了4.3倍和1.4倍。最终所得管材的平均晶粒尺寸从铸态的约150μm减小到约为500nm,晶粒得到显著的细化。由于TCAP法是直接对管材进行剧烈塑性变形,因而更适合于优化管材的微观组织[13]。
2 镁合金管材精密加工参数的优化
加工参数的优化主要是通过对塑性加工中的具体工艺参数(如温度、速度、变形量等)进行调控,从而在最佳的工艺条件下制备镁合金微细管。近年来随着加工设备性能的不断提高,尽管传统的热加工存在自身的缺陷,但若合理控制加工参数,仍然能制备出小规格的镁合金微细管,相关研究如表2所示。
2.1 热挤压工艺参数的优化
镁合金管材挤压时,由于坯料受到三向压应力,因而变形抗力较大,模具磨损严重。同时,当挤压的管材直径小、管壁薄时,坯料变形量较大,对金属流动性要求高,壁厚和表面质量不易控制。因此,镁合金微细管材的挤压必须严格控制变形工艺,采用合理的润滑方式。
Ge等[16]以锻造态的ZM21和AZ31B镁合金棒坯为原料,在挤压温度为410℃、应变速率为2.78×10-3s-1的挤压参数下制备出了外径4mm、壁厚0.5mm的微细管材。与正向挤压类似,通过选取合理的加工参数亦能有效提升反向挤压的能力。相关研究表明[18],运用反挤压的方式加工AZ31镁合金,挤压过程中通过合理调整挤压参数成功制备出了最小外径为3mm、壁厚为0.2mm的AZ31镁合金微细管材,且壁厚误差率在4%以内。与AZ系镁合金相比,稀土镁合金中的第二相多为硬脆相,合金具有高强耐热的特性,挤压过程更难进行。李伟[15]通过调整工艺参数,在挤压温度为440℃、挤压速度为28mm/s、挤压比为143条件下对Mg-6.5Y-2.5Nd-0.6Zr合金进行挤压,顺利挤出了外径3 mm、内径2.5mm的细管。经过460℃×2h+200℃×20h固溶时效处理后,其抗拉强度和屈服强度分别达到了291.4 MPa和214.2MPa,延伸率达16.3%。
由于热挤压过程中存在摩擦热效应,镁合金管材晶粒容易长大。针对此问题,于洋等[21]从改善润滑条件,减小摩擦的角度出发,采用静液挤压[22]并结合热挤压和机加工的方法制得了外径为3.2~4.1mm、内径为2.3~3.3mm的不同规格的高强韧AZ31镁合金薄壁细管。静液挤压中,挤压轴上的挤压力不再直接推动坯料,而是通过中间的挤压介质传递到坯料上,从而实现挤压成形。该技术由于利用摩擦热效应,有效改善了模具边界摩擦,因此使低温挤压形变强韧化工艺得以实现,晶粒细化效果明显[23,24];不仅微细管性能优异,而且表面精度及尺寸精度高。
2.2 热拉拔工艺参数的优化
镁合金管材拉拔过程中材料受到较大的拉力和摩擦力,沿轴向的拉应力很容易诱导裂纹的产生。因此,需要严格控制拉拔工艺参数(如拉拔速度、温度等),才能保证拉拔过程的顺利进行。
何淼等[14]探究了WE43镁合金管材拉拔过程中壁厚的变化特点,分析了拉拔工艺参数对拉拔力的影响,并对不同工艺参数条件下的拉拔力进行了实测,优化了拉拔工艺参数。最终在拉拔速度为0.25m/s、棒材拉拔温度为420℃、管材拉拔温度为350℃的条件下,采用10道次棒材拉拔和3道次管材空拉拔的工艺制备出了Ф4.0mm×0.25mm的WE43镁合金细管。管材的力学性能可达到Rm>200 MPa,A>15%。除了在实验过程中探索合理的加工参数外,预先对加工过程进行数值模拟,从而选取最优的工艺参数亦是一种有效的途径。罗倩倩[19]采用数值模拟软件分析了AZ31镁合金的热拉拔加工过程,优化了拉拔模具定径带宽度及拉拔工艺参数。拉拔实验中采用3道次空拉和11道次长芯杆拉拔,得到了Φ4mm×0.2mm的AZ31镁合金微管,管材抗拉强度达247.3MPa,伸长率达16.8%。且发现当拉拔温度为300℃,空拉速度为0.25mm/s,长芯杆拉拔速度为0.3mm/s时,随着变形程度的增加,镁合金晶粒显著细化,力学性能也有所提高。
3 新型加工技术的开发及应用
新型加工技术的开发主要是在选取合理的加工参数的同时,采用变形抗力更小、塑性成形能力更好的加工方式制备镁合金微细管,相关研究如表3所示。
管材拉拔过程中拉拔力的控制尤为关键,拉拔力越小,越有利于拉拔过程的进行。有研究表明[27],浮动芯杆拉拔相对于长芯杆拉拔来说拉拔力更小,更容易脱芯[33]。这种拉拔工艺介于固定芯头拉拔和长芯杆拉拔之间,拉拔过程中,如图3(a)所示,管坯和浮动芯杆之间的摩擦力可以带动芯杆一起被拉出模孔。相对于长芯杆拉拔,该工艺只需要夹持住管材,不需要同时夹持住芯杆。拉拔结束后,芯杆的底座与拉拔模相接触,夹头继续向前运动,芯杆与管材相脱离,不需要后续的脱管工序。研究也证实了这种拉拔方式可以实现ZK30镁合金的管材拉拔,且尺寸精度容易控制。
在微细管材常规拉拔过程中,当管壁很薄时,管材与模具接触的部位容易断裂。针对此问题,Furushima等[25]采用无模拉拔的加工方式实现了镁合金微细管的成形,经过3个道次的无模拉拔,最终加工得到了内外径分别仅为0.5mm及0.9mm的AZ31镁合金的极细管,如图3(b)所示。通过对管材局部感应加热来改变材料的流动应力,并在管材两端施加载荷,根据高温下合金的流动应力远低于低温下的流动应力,使得高温部分首先以局部颈缩的方式实现尺寸的减小,然后沿着管材轴向移动加热源,调整拉拔速度与加热源移动的速度,使得管材尺寸的减小均匀扩散到整个微细管中。
图3浮动芯杆拉拔(a)及无模拉拔(b)示意图Fig.3 Schematic of drawing with a moving mandrel(a)and dieless drawing(b)
为了避免热加工时材料发生氧化,同时确保管材有优良的表面质量和尺寸精度,近年来相关研究者用冷加工的方式来成形镁合金微细管(通常作为最后几道工序),取得了显著效果。大塑性变形工艺的发展极大地细化了镁合金的晶粒,有效地提高了镁合金的强度、塑性等综合力学性能,为镁合金的室温成形提供了可能[34]。镁合金管材的冷成形方法主要有冷拉拔和冷轧两种。
拉拔变形时,管材沿拉拔方向受到拉应力作用,因此相对于在三向压应力状态下的塑性变形(如挤压等),变形抗力有所降低。此外,在室温下拉拔获得的产品尺寸精度高,表面光洁度好。基于拉拔变形的这些特点,近年来研究人员将热挤压和冷拉拔结合起来用于制备镁合金微细管,取得了一定进展。Hanada等[28]在室温对热挤压得到的Mg-0.8%Ca和AZ61管材进行多道次固定芯头拉拔,制备出了外径为1.5~1.8mm、壁厚为0.15mm的微细管,其外径尺寸误差小于0.4%,壁厚误差小于2.5%,平均晶粒尺寸仅为14μm。此外,相关研究表明[31],通过反向热挤压和4道次冷拉拔相结合的工艺制备出的Ф2.9mm×0.2mm的ZM21镁合金细管,其平均晶粒尺寸仅为10μm。实验中还发现,反向热挤压过程中变形抗力非常大,因而管材的壁厚均匀性很难控制;而冷拉拔具有很好的尺寸纠偏作用,可明显改善热挤压过程引起的尺寸不均匀,经过第四道次拉拔后管材的平均壁厚为200.5μm,其标准误差为8.9μm,此值仅是拉拔前误差的16.14%。
冷轧时,受轧机轧辊的径向与周向(即管材环向)压应力和轴向拉应力作用,管材内部组织充分破碎,塑性变形均匀,进而能得到优良的力学性能[35]。基于轧制变形所具有的优点,科研工作者将热挤压、轧制及拉拔3种加工方式结合起来用于制备镁合金微细管。王耀旭[26]通过热挤压、冷轧及冷拉拔相结合的方式制备出了Ф2.0mm×0.3mm的微细管,管材壁厚均匀,力学性能良好。此外,相关研究表明[32],通过热挤压、冷轧和冷拉拔相结合的方式可制备出Ф3 mm×0.18mm的Mg-Nd-Zn-Zr(JDBM)、AZ31和WE43三种镁合金的微细管,与王耀旭的实验结果相比,管材壁厚有所减小,且壁厚、外径和内径的尺寸误差分别小于2.8%、0.5%、0.4%。管材经过450℃下保温1h的退火处理后,其平均晶粒尺寸分别为10.9μm、12.9μm和15.0μm。然而要注意的是,在李阳[30]的研究中,在坯料同为AZ31镁合金的情况下,调整工艺次序,即运用热挤压-热拉拔-冷轧的工艺流程,同样制备出了Ф3.0mm×0.25mm的细径薄壁管,管材表面质量完好,抗拉强度达249.9MPa,延伸率为15.5%。
笔者以WE43和AZ31镁合金为研究对象,利用冷轧的方式得到了两种合金的细管。其中,WE43镁合金细管的外径小于8mm,如图4(a)所示,平均晶粒尺寸约为10μm;具有较高的强度和延伸率,可作为制备微细管的坯料。制备的最小规格的AZ31镁合金微细管的外径小于3 mm,如图4(b)所示,微细管的组织均匀,Rm≥220 MPa,A≥13%,壁厚误差小于5%,表面粗糙度小于3.2μm。
4 结束语
近年来,可生物降解镁合金血管支架成为研究热点。然而微细管材的制备是生产血管支架的首要条件,科研工作者着重通过调控坯料显微组织、优化加工参数以及开发新型加工方法来改善镁合金管材的组织性能、控制尺寸精度,从而得到符合要求的微细管材。其中,通过大塑性变形(ECAP、TCAP等)的方法使镁合金获得超细晶组织,从而提高塑性及力学性能得到了广泛关注;热挤压在镁合金微细管材的加工中依旧占有重要地位,然而,无模拉拔、浮动芯杆拉拔、冷加工等新型加工方法已经引起了国内外部分学者的关注,相关研究已经展开。此外,冷成形是改善管材表面质量、提高尺寸精度的有效方法,冷加工与热加工方法的联合使用是未来镁合金微细管加工成形的主导方向。
目前,镁合金微细管材的加工成形已经取得了很大进展,但与血管支架的使用要求还有一定的差距,尤其是管材高塑性与高强度的匹配、壁厚的均匀性等,都是未来镁合金微细管制备过程中需要重点突破的地方。为了能同时满足材料性能及尺寸精度两方面的要求,在实际的生产加工中,需要在改善坯料组织、性能的同时采用成形能力更好的加工方式,并选取最优的加工参数,这对镁合金微细管材的制备将有极大的促进作用。
摘要：镁合金作为新型可生物降解材料在血管支架等植介入产品领域具有广阔的应用前景,然而镁合金微细管材的精密加工特别是冷成形十分困难,这是制约其大规模临床推广应用的主要因素之一。全面综述了近期关于可生物降解镁合金微细管加工成形的研究进展,重点介绍了镁合金坯料显微组织的调控,镁合金微细管精密加工参数的优化和新型加工技术的开发及应用。最后,指出了可生物降解镁合金微细管加工成形的研究方向。