彈性材料微小方孔的微細電解銑削加工技術研究*＊

張長富 孫立力 張振羽

(西安工業大學機電工程學院，陜西 西安710021)

3J21(Co40CrNiMo)是一種高硬度、高強度、無磁性、耐腐蝕的高彈性合金，被廣泛地用于制造關鍵的彈性元件。該材料微小方孔是航空航天、儀器儀表、模具等行業中常用的結構，但加工成形難度大。目前微細加工技術可以實現多種微小結構的加工制造并已成為制造領域的研究熱點［1-2］，但能夠實現高彈性材料3J21 微小結構無殘余應力、無再鑄層、無微裂紋的精密加工方法并不多。金屬微切削技術加工高硬度、高強度、高彈性材料的微結構比較困難。微細電火花加工技術存在加工效率低、表面質量差，會生成再鑄層和微裂紋，電極易損耗且精確補償算法比較困難等問題［3-4］。激光微加工技術存在精度低、表面質量差、會生成再鑄層和微裂紋等問題［5］。

微細電解加工技術是實現高彈性材料3J21 微小方孔結構加工成形的理想方法。該技術利用電化學溶解原理將工件多余材料以離子態形式去除達到加工成形目的，加工中工具與工件不發生直接接觸，無工具損耗，不會產生加工應力、變形和熱影響區，在微細制造領域已展現出很大的發展潛力［6］。但采用拷貝式電解加工方法進行彈性材料3J21 微小方孔加工的方案卻實現難度大，原因是方形電極尖角處電場集中會導致方孔不容易獲得直角結構(易形成圓角)，另外微小尺寸方形結構電極本身的制作也比較困難。微細電解銑削加工技術可以較好地解決3J21 材料微小方孔的加工問題，而且可以推廣應用于解決其他難切削金屬材料微小結構的難加工問題，具有較強的研究價值。

1 微細電解銑削加工原理

與常規電解加工原理相似，微細電解加工也是利用電化學反應來實現金屬工件的加工成形。加工電源正極接陽極工件，負極接陰極工具，電解液從陰、陽兩極的極間間隙流過，使工件加工區域表面發生電化學反應從而蝕除多余材料達到加工成形目的。與常規電解加工所不同的是，微細電解加工的加工電壓更低、電源功率更小、極間間隙更小、材料去除量更小、加工精度要求更高。

微細電解銑削加工將數控銑削加工技術引入到微細電解加工中，通過控制簡單形狀工具電極(如圓柱狀微細工具電極)運動軌跡，實現工件復雜結構的銑削成形，其主要工作原理如圖1 所示。

2 微細電解銑削加工系統

彈性材料3J21 微小方孔的加工成形采用專用的微細電解銑削加工系統進行，該系統主要由納秒脈沖電源、運動系統、加工控制與檢測系統、電極系統、電解液系統等組成，其系統構成圖和實物圖分別見圖2、圖3。

加工系統有X、Y、Z這3 個方向運動軸，均由精密直流伺服電動機驅動，進給分辨率為0.1 μm/步，往復定位精度1 μm。精密回轉主軸安裝在Z軸運動部件上，轉速在較大范圍內連續可調;工具電極通過夾頭安裝在回轉主軸上并利用在線制作方法實現其工作部位的加工成形;加工狀態通過CCD 系統進行觀測。該系統利用計算機控制檢測系統對整個加工過程進行監測控制，以確保加工的順利進行。

3 微細工具電極的在線制作研究

微細工具電極的制作是實現高精度微細電解加工的重要前提。為了盡量減小裝夾過程帶來的誤差，工具電極采用電解反拷法進行在線制作。在線制作工具電極時，將校直鎢絲裝夾在主軸上作為工件陽極，帶有微小圓形孔的不銹鋼板作為工具陰極，共同浸入KOH溶液中，利用電化學腐蝕方法將鎢絲加工到電極所需尺寸和精度，如圖4 所示。

通電后，鎢絲在KOH 強堿溶液中發生電化學反應，被氧化成WO42-離子進入溶液，從而被溶解成形。通過控制工作電壓、鎢絲浸入深度、加工時間等參數，可以制備出微米級直徑、尺寸均勻的圓柱狀工具電極。圖5 為直徑10 μm 的微細圓柱電極。

4 微小方形孔的微細電解銑削加工實驗及結果分析

利用在線制作好的工具電極，采取微細電解分層銑削加工方法，在300 μm 厚的彈性材料3J21 上加工出100 μm×100 μm 的微小方形孔，實驗采用2 種方案進行了研究。

第一種方案是利用回形銑削路徑由里向外加工，如圖6 所示。具體實驗及相關參數:工件為300 μm厚鎳鐵合金3J21 薄板，納秒級脈沖電源作為加工電源，工作電壓4 V，脈沖周期1 μs，脈沖寬度90 ns，電解液為0.2 mol/L 的稀硫酸，電極直徑10 μm，進給速度為25 μm/s，分層銑削時每層向下進給深度為10 μm。

實驗過程中發生多次短路現象，加工結果如圖7 所示(放大180 倍)。通過觀測，所加工的方形孔精度較差，尺寸為105. 3 μm×103.5 μm，表面粗糙度為Ra0. 9 μm。由實驗過程和結果分析得知，由于微細電解加工溶解去除量較小，分層銑削的層厚一般不會太大，因而銑削層數較多進而導致后續加工容易對已加工邊角造成二次腐蝕，越接近上表面的邊角受到二次腐蝕的時間越長，最終導致微小方孔的直邊、直角結構難以保證，形狀精度和尺寸精度較差。為了提高3J21 微小方孔的加工質量，進行了如下文所述的第二種方案的研究。

第二種方案是先采用粗加工快速去除大部分多余材料再利用精加工進行邊角輪廓全深度方向的精修。粗加工采用折線形銑削路徑快速去除大部分多余材料，加工后邊界預留20 μm 精加工余量，如圖8所示;精加工采用回形銑削路徑進行微小孔邊角結構全深度方向的內輪廓電解銑削精修，如圖9 所示。具體實驗及相關參數:工件為300 μm 厚鎳鐵合金3J21 薄板，電解液為0. 2 mol/L 的稀硫酸;粗加工采用直流電源進行分層銑削，加工電壓8 V，電極直徑30 μm，進給速度為25 μm/s;精加工采用內輪廓銑削(不分層)，采用納秒級脈沖電源，加工電壓4 V，脈沖周期1 μs，脈沖寬度90 ns，電極直徑為10 μm，進給速度為10 μm/s。

實驗過程比較穩定，具體實驗結果如圖10 所示(放大180 倍)。通過觀測，所加工的方形孔比較規整、菱角分明，尺寸為99.7 μm ×101. 3 μm，表面粗糙度為Ra0. 5 μm。由實驗過程和結果分析可知，這種加工方案可較好地兼顧加工精度和效率的關系，利用直流電源可以快速去除大部分多余材料，利用納秒級脈沖電源并采用相對較大進給速度和直徑更小的電極進行精加工，可以顯著提高微小方孔的加工精度，且有利于保證加工過程的穩定性。

通過2 種工藝方案的對比實驗，從實驗結果圖可以看出，第二種工藝方案優于單一回字形電解銑削加工方式;而且采用粗、精2 道工序這種工藝方法，相對更容易控制和調整工藝參數之間的匹配，從而有利于提高微小方孔的成形精度和表面質量。

5 結語

微細電解銑削技術可以實現高硬度、高強度彈性材料3J21 微小結構的加工成形，具有較高的加工精度和表面質量，加工后不存在變質層和殘余應力;直流電源折線粗加工結合納秒脈沖電源回形精加工這種微細電解銑削加工方式比單一的脈沖電源回形加工方式更適合加工微小形方孔，加工精度和表面質量更好，加工過程更穩定。

［1］Zhu D，Wang K，Qu N S.Micro wire electrochemical cutting by using in Situ fabricated wire electrode［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2007，56(1):241 -244.

［2］王昆，朱荻，張朝陽.微細電解線切割加工的基礎研究［J］.中國機械工程，2007，18(7):833 -837.

［3］Kruth J P，Humbeeck J Van，Stevens L. Micro structural investigation and metallographic analysis of white layer of a surface machined by Elec tro Discharge Machining［J］. Proceedings of the 11th International Symposium on Emergency Management (ISEM ＇95)，Lausanne，Switzerland，1995:849–862.

［4］王振龍，趙萬生.微細電火花加工中電極材料的蝕除機理研究［J］.機械科學與技術，2002，21(1):124 -126.

［5］Anderson S G.Review and forecast of the laser markets-Part I:Nondiode laser［J］. Laser Focus World，2001，37(1):88 -110.

［6］張朝陽，毛衛平，陳飛. 納米、亞微米的超窄脈寬微細電化學加工［J］.微納電子技術，2009，46(11):684 -690.