大長寬比微細槽的微細電解銑削實驗研究?

程培勇 張長富 艾海紅 蔣新廣 閆正虎 贠 康

(西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安710021)

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，大長寬比微細槽在生物醫(yī)療、航空航天、集成電路等領域的應用越來越廣泛[1-3］。大長寬比微細槽在電子器件、微流道和針管等方面，具有冷卻流體、散熱和引流等作用[2，4］。Lee等人[5］將微細槽結(jié)構(gòu)應用于牙齦成纖維細胞的相關基因行為的研究。Brunette等人[6］將微細槽結(jié)構(gòu)應用于成纖維細胞的形狀和取向研究。西安交通大學在進行生物醫(yī)療制造技術(shù)研究時，需要針對不銹鋼材料進行大長寬比微細槽結(jié)構(gòu)(作為微流道)加工。

微細電解加工技術(shù)由于具有不受材料硬度限制、工具電極無損耗、不產(chǎn)生應力和變質(zhì)層等優(yōu)點[7］，已成為微細槽結(jié)構(gòu)的常用加工方法。王艷萍等人[8］應用電解加工技術(shù)在304不銹鋼上加工出寬度在200～250 μm的微細槽結(jié)構(gòu)，并研究了電流密度和加工時間對加工質(zhì)量的影響。陳輝等人[9］采用微細電解加工技術(shù)在304不銹鋼上加工出了長度為300 μm、寬度為70 μm的微細槽，但長寬比較小。目前，大長寬比微細槽加工的主要問題是:加工穩(wěn)定性難以保證和加工精度有待提高。針對大長寬比微細槽電解加工中存在的問題，本文研究了加工電壓、脈沖寬度和進給速度等關鍵參數(shù)在微細電解銑削加工時對側(cè)面間隙的影響程度大小順序并對加工參數(shù)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)大長寬比微細槽高精度穩(wěn)定加工。

1 實驗設備及工具電極的在線制備

1.1 微細電解銑削實驗設備

微細電解加工實驗設備主要由微細電解加工機床本體、加工電源(直流電源和納秒級脈沖電源)、運動控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)和氣浮減震平臺等組成，如圖1所示。該設備可實現(xiàn)X、Y和Z軸三軸聯(lián)動，3個方向的行程分別為50 mm、50 mm和100 mm，重復定位精度為0.1 μm。電解液循環(huán)系統(tǒng)可以使加工區(qū)域的電解液得到及時的更新，有利于提高電解加工的精度。大理石氣浮平臺可以有效阻隔來自外界的震動，浮動精度為2 μm。

1.2 微細工具電極的在線制備

為了避免工具電極的二次裝夾帶來的誤差，微細工具電極通常采用電解反拷法在微細電解加工機床上進行在線制備，原理如圖2所示。為了保證微細工具電極具有較好的剛度，實驗中將其制備成階梯狀結(jié)構(gòu)。

采用直徑為300 μm的金屬鎢絲作為原材料，將其裝夾車主軸上作為工件陽極(接加工電源的正極)；將加工有不同孔徑的微小圓孔的不銹鋼板裝夾在電解槽中，作為工具陰極(接加工電源的負極)；利用2 mol/L的KOH溶液作為電解液。控制主軸運動，將鎢絲的不同段置于陰極板上不同孔徑的圓孔中心，通過控制不同段的加工參數(shù)，實現(xiàn)階梯軸工具電極的在線制備。本文利用如表1所示的參數(shù)，制備了工作段直徑為40 μm的微細工具電極。

表1 工具電極制備參數(shù)表

2 微細槽電解銑削實驗

微細槽電解銑削的加工精度很大程度上取決于工具電極的直徑和側(cè)面加工間隙。側(cè)面加工間隙越大，則加工定域性越差，加工精度越低；反之亦然。因此，減小電解銑削的側(cè)面間隙是提高電解加工精度的一個重要途徑。研究發(fā)現(xiàn):加工電壓、脈沖寬度和進給速度等參數(shù)對側(cè)面間隙的大小有重要影響。因此研究這3類參數(shù)對側(cè)面間隙大小的影響，對提高大長寬比微細槽的加工精度具有重要意義。

2.1 正交實驗設計

為研究加工電壓、脈沖寬度和進給速度等參數(shù)對微細電解銑削微細槽的側(cè)面間隙的影響程度大小，并優(yōu)化電解銑削微細槽的較優(yōu)參數(shù)組合，進行了L9(34)的正交實驗設計。具體參數(shù)組合見表2、表3。

表2 因素和水平數(shù)據(jù)

表3 L9(34)實驗數(shù)據(jù)

實驗在如圖1所示的微細電解加工機床上進行。將厚度為300 μm的304不銹鋼板作為工件裝夾在電解液槽中，利用工作段直徑為40 μm的微細工具電極，以橫向銑削的方式進行微細槽的電解銑削加工實驗。實驗考察的因素及其水平見表2，加工電壓、脈沖寬度和進給速度在各次實驗中的數(shù)值如表3所示。其他主要參數(shù)為:電解液為20 g/L NaNO3與0.2 mol/L H2SO4(體積比為7:3)的混合溶液；脈沖電源脈沖周期為1 μs；初始加工間隙為5 μm；橫向進給長度為1 000 μm。

2.2 實驗數(shù)據(jù)的處理及參數(shù)優(yōu)化

如前文所述，側(cè)面間隙是影響電解銑削加工精度的核心參數(shù)。為了獲得各次實驗的側(cè)面間隙，對加工所得微細槽的寬度D進行多次測量并取其平均值，并通過公式(1)計算出側(cè)面間隙:

式中:Δ為側(cè)面間隙；D微細槽的寬度；d工具電極工作段的直徑。

各次實驗的側(cè)面加工間隙的計算結(jié)果如表4所示。根據(jù)實驗結(jié)果，利用極差值法研究加工電壓、進給速度和脈沖寬度對側(cè)面間隙影響，如表5示。

表4 微細槽的側(cè)面間隙值

表5 因素極差值表

表5中，K1j、K2j和K3j分別表示加工電壓、脈沖寬度和進給速度在j水平時側(cè)面間隙的均值；Ki1、Ki2和Ki3表示第i個因素分別在1、2和3水平時側(cè)面間隙的平均值；MAX和MIN分別表示所在行的最大和最小值；R為極差值，是MAX與MIN的差值。極差值R用于判斷正交實驗中因素對結(jié)果的影響程度大小。由表5可知:R3＞R1＞R2，即進給速度對加工結(jié)果的影響程度最大，脈沖寬度的影響程度最小。

此外，極差值R還可用于確定因素的較優(yōu)水平組合。在微細槽的電解銑削加工中，側(cè)面間隙越小，說明加工定域性越高，微細槽的加工精度也就越高。所以因素Kij值越小，加工精度越高、加工質(zhì)量越好。從表5中可以看出，K11K22K31(脈沖電壓7 V、脈沖寬度500 ns和進給速度為20 μm/s)的參數(shù)組合為正交實驗的較優(yōu)水平參數(shù)組合。

3 較優(yōu)參數(shù)組合驗證實驗

采用正交實驗優(yōu)選出的工藝參數(shù)(脈沖電源的電壓為7 V，脈沖周期為1 μs，脈沖寬度為500 ns；銑削速度為20 μm/s)，進行了3次大長寬比微細槽的電解銑削加工實驗。實驗采用在線制備的階梯軸式工具電極(工作段直徑為40 μm)，電解液為20 g/L NaNO3與 0.2 mol/L H2SO4的混合溶液(體積比例為7∶3)；工件為304不銹鋼薄板。3次實驗結(jié)果的掃描電鏡圖如圖3所示。

對加工結(jié)果進行寬度測量。從距微細槽上端100 μm的位置開始，每間隔150 μm測量一次寬度，共計測量得到5個微槽寬度值，如圖4所示。圖4中a、b、c分別對應為圖3中a、b、c微細槽的多點測量寬度值，圖4中d為3個微槽的寬度平均值。

圖4a、b和c顯示出微細槽的電解銑削側(cè)面間隙最大值按式(1)計算分別為12.5、12和12.5 μm。此側(cè)面間隙的波動主要是由304表面的微觀凸凹引起的，當銑削加工至工件表面凸起處，根據(jù)電流密度公式i＝k UR/Δ可知，工具電極與工件表面間隙變小，電流密度則會增大；由材料去除速率公式Va＝ωi可知，電流密度變大，材料的去除速率也會增大。在銑削速度不變的條件下，材料去除速率增大，相同時間內(nèi)的材料去除量變大，所加工的微細槽寬度變大。反之，當銑削加工至工件表面凹陷處，所加工的微細槽寬度就會變小。

由前文已知，側(cè)面加工間隙越小，定域性越好，加工精度越高。雖然正交實驗中第一組實驗的側(cè)面間隙為8.5 μm，小于圖3中3個槽的側(cè)面間隙，但實驗過程中發(fā)生數(shù)次短路，加工過程不穩(wěn)定，其加工精度低于較優(yōu)參數(shù)下的加工精度。由圖4a～c可知:微細槽寬度最小值為54 μm，最大值為 65 μm，波動值較小，加工一致性好、過程穩(wěn)定。由圖4d可知，利用較優(yōu)工藝參數(shù)組合所加工的3個微細槽的平均寬度分別為59、61和59 μm，與目標寬度值非常接近。

4 結(jié)語

通過進行微細電解銑削微細槽的正交實驗，得到了加工電壓、脈沖寬度和進給速度等3類關鍵參數(shù)對微細槽電解加工側(cè)面間隙影響程度的大小:進給速度＞加工電壓＞脈沖寬度；利用極差值法篩選出微細槽電解銑削加工的較優(yōu)水平參數(shù)組合，即:脈沖電壓7 V、脈沖寬度500 ns和進給速度20 μm/s。

利用較優(yōu)水平參數(shù)組合進行微細槽的重復加工實驗，得到一致性較好的長度為1 000 μm、寬度為60 μm左右的大長寬比微細槽，加工過程穩(wěn)定，定域性好，加工精度高。