電化學放電加工中氣膜厚度及其影響研究＊

劉 顥 阿達依·謝爾亞孜旦

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830017）

近年來，由于良好的光學透明性、化學穩定性、耐高溫性和絕緣性能等，玻璃類硬脆材料廣泛應用于生物醫學、微流體和微機電系統等領域的微型產品制造[1-2]，例如固體氧化物燃料電池、DNA 陣列制造、微加速計、微反應器、微泵和一些醫療設備（流量傳感器或藥物輸送設備等）[3-4]。由于玻璃作為一種非導電硬脆材料，傳統的加工方法對其進行加工具有極高的難度，因此一些非傳統的加工方法被關注，如超聲加工、激光加工和磨料流加工等。但這些非傳統加工方法不能很好地解決玻璃微加工中的微裂紋等問題，限制了其廣泛應用[5-10]。基于這些問題，國內外學者研究提出了一種新型復合加工方法，即電化學放電加工（elctrochemical discharge machining，ECDM）。電化學放電加工由電化學加工時出現的電極放電效應發展而來，1844 年，Foucault M L 等在電解水的實驗中觀察到，非常細的鉑電極上會出現放電，他們將該現象稱為電極效應，該電極效應即是后來的電化學放電效應[11]。電化學放電加工方法最早由Kurafuji H 和Suda H 于1986 年提出[12]，作為一種針對絕緣硬脆材料的有效微細加工技術，該方法具有成本低、加工柔性好和加工效率高等特點。

作為ECDM 中放電產生的主要介質，氣膜質量將顯著影響加工后的蝕刻坑或微孔質量。因此，對氣膜的特性和質量的研究尤為重要。2004 年，Wüthrich R 和Bleuler H 報告了通過垂直圓柱形電極形成氣膜的理論模型和臨界條件，為進一步研究ECDM 中的氣膜特性提供了理論基礎[13]。隨后，Wüthrich R 等發現氣膜厚度是ECDM 的主要限制性因素。此外，有研究表明，添加表面活性劑可以有效地減小氣膜厚度[14]。2010 年，Cheng C P 等通過輪廓形狀和尺寸來表征氣膜，并研究了氣膜穩定性對放電穩定性的重要性。此外，電流信號提供的信息揭示了氣膜結構的變化，為后續研究改變工藝參數以提高加工效率和精度提供了寶貴的參考[15]。其他研究人員采用響應面設計和完全因子試驗等方法研究了各種加工條件下的氣膜特性，其中，氣膜的表征被認為是一個關鍵的研究領域。2018 年，Kolhekar K R 和Sundaram M 通過應用完全因子參數研究方法，驗證了一種使用放電電流數據來表征氣體薄膜的技術[16]。 Singh T 通過對旋轉模式（RM）ECDM 的三重混合過程中的氫氣膜厚度進行了實驗調查，報道了氣膜厚度對RM-ECDM 工藝中能量通道化行為的影響，并提高了加工質量[17]。 Goud M等總結了ECDM 中材料去除機制的概念。探討了眾多元素對材料去除的影響，以及提高材料去除率的可能性。這篇詳盡的評論文章總結并闡述了ECDM 的演變，這無疑對未來ECDM 的研究和發展提供了方向[18]。其他一些研究報道了用計算機模擬或軟計算等方法對電化學放電加工過程進行建模，預測加工結果，并通過改變加工參數優化實驗參數。這些調查毫無疑問地促進了ECDM 研究的發展[19-21]。但是，由于ECDM 中參數的高度不確定性，各種因素之間的相互影響必須得到更多關注，對氣膜特性及其對加工質量影響的研究必須進一步完善。

上述研究表明，氣膜作為ECDM 過程中將加工狀態從電解狀態轉換為電火花放電狀態的最重要的介質，對加工質量和精度有很大的影響。而且，由于電化學放電加工中參數的不穩定性，其電壓、電解液濃度等參數對氣膜以及加工質量有非常大的影響。根據上述分析，電源參數及其交互作用對電化學放電加工的影響研究不足。電源參數（電壓、頻率、占空比）作為電化學放電加工過程中的重要參數，本研究通過三因素三水平的全因子試驗設計進行工藝參數優化，分析了不同電源參數的組合對氣膜厚度的影響，并研究了氣膜厚度變化對電化學放電加工的影響。

1 實驗方法與系統

1.1 實驗裝置

圖1 所示為電化學放電加工實驗平臺，實驗裝置由電化學放電加工裝置和實驗觀測裝置組成，其中電化學放電加工裝置由三坐標控制平臺及計算機控制系統、直流脈沖電源、位于工作臺上的電解液槽、電解液、陽極（輔助電極）和陰極（工具電極）組成，觀測裝置由高速攝像機和示波器組成。電解液槽由透明有機玻璃制成，便于高速攝像機實時捕獲氣膜圖像和電化學放電加工的整個過程。高速攝像機曝光度調為100 來捕捉更為清晰的氣膜，同時根據實驗需求，相鄰兩張圖像采集時間間隔為100 ms。示波器用于記錄放電過程中的電流和電壓信號圖。

圖1 電化學放電加工實驗平臺

1.2 材料

實驗中提供一個直流脈沖電源作為加工電源。電化學加工槽由有機玻璃（瑞慈PMMA）制成。輔助陽極材料選擇大小為50 mm×40 mm×4 mm 的石墨板（埃墨里石墨AIMOLI004）。工具電極材料為長150 mm、直徑300 μm 的柱狀碳化鎢（科研高純材料定制）。電解質選用1 mol/L 的氫氧化鈉（品牌：析標）溶液。工件材料選擇1 mm 厚的K9 光學玻璃（諾卓NZ026）和石英玻璃（亞特光學）。表1 顯示了電化學放電加工各實驗裝置及材料參數選擇。

表1 電化學放電加工各實驗裝置及材料參數

1.3 方法

試驗采用三因素三水平全因子試驗設計，試驗參數如電極間距、電解液濃度和電解液水平等通過文獻推薦，選擇大電極間距、小的電解液濃度和電解液水平，見表1。選擇電壓、頻率和占空比作為輸入參數，并通過前置實驗選取參數區間，見表2。使用高速攝像機和示波器對試驗圖像進行采集，ImageJ 和Minitab 19 分別被用來提取數據和分析高速攝像機采集的氣膜圖像。

表2 考慮水平變化的工藝參數

圖2 所示為電化學放電加工氣膜圖像捕獲及加工系統示意圖。實驗分為兩部分，第一部分為氣膜生成及圖像采集，第二部分為實驗加工。第一部分實驗中工具電極夾裝在三坐標平臺Z軸，且和輔助陽極部分浸沒在NaOH 電解液中，兩個電極分別連接在脈沖電源的正負極。為了更好地觀測氣膜形成的整個過程，將脈沖電源的緩沖值設為50，這時電壓上升過程會較為緩慢。開始加工之后，通常在第8 s 到達臨界電壓并且擊穿氣膜，產生放電。高速攝像機對氣膜形成過程圖像進行采集，取氣膜被擊穿前形成的穩定而致密的氣膜圖像作為響應的圖像，通過Matlab 邊緣檢測提取氣膜邊緣，從25 個位置通過ImageJ 測量工具追蹤邊緣計算氣膜的厚度。氣膜厚度的計算公式為

圖2 電化學放電加工氣膜圖像捕獲及加工系統示意圖

式中：H為氣膜厚度；d(n)為第n個位置處的氣膜厚度，n為測量位置的數量；D為工具電極的直徑。將測量得到的氣膜厚度數據導入到Minitab 19 中，使用全因子分析方法，分析數據的可靠性并得出試驗結果。第二部分實驗中則對兩種玻璃進行加工，驗證最終實驗結果。

2 試驗結果與討論

2.1 氣泡生長融合

電化學放電加工過程中氣泡的生長融合主要受到實驗過程中氣泡表面張力和作用于氣泡的浮力影響。其中，氣泡表面張力有利于氣泡附著在電極表面，作用于氣泡的浮力會試圖驅逐氣泡，同時也促進了不同氣泡的融合。圖3 所示為電化學放電加工中工具電極上氣泡生長融合與氣膜成形過程，此過程施加40 V 電壓。

圖3 氣泡生長融合與氣膜成形過程

如圖3a 所示，此時電源沒有接通，電化學反應尚未開始，工具電極周圍沒有氣泡產生。當電源接通后，電壓由0 V 躍變為40 V，電化學反應開始發生。如圖3b 所示，1 ms 時，工具電極上有一層氣泡附著，由于此時電化學反應剛剛開始，生成的氣泡體積較小，僅有薄薄一層附著于工具電極，不能明顯地看見氣泡。電化學反應進行到3 ms 時，由圖3c 可以觀察到氣泡層厚度增加，工具電極上有較為明顯的氣泡生成。電化學反應進行到6 ms時，如圖3d 所示，隨著工具電極上氣泡進一步增長融合，電極表面有較大氣泡融合生成。電化學反應進行到9 ms 時，由圖3e 可以發現，生成的氣泡開始逐漸融合為一個大氣泡包裹工具電極，生成的氣膜逐漸趨于穩定。電化學反應進行到12 ms 時，如圖3f 所示，工具電極周圍的氣泡進一步變大，在電極底部生長融合形成氣膜包裹工具電極，這是因為隨著浸入深度的增加，工具電極底部受到的浮力也在增加，促進了氣泡的生長融合，此時所形成的氣膜更致密穩定。

2.2 氣膜形成

圖4 所示為電化學放電加工過程電壓-電流特性曲線，畫框區域為一次電化學放電加工從氣膜形成到擊穿產生放電的過程，箭頭所指圖片為其電壓-電流特性曲線。通過圖像可以更加科學直觀地分析整個氣膜形成過程，結合圖5，整個過程可大概分為5 個區域。

圖4 電化學放電加工過程電壓-電流特性曲線

圖5 電化學放電加工過程

OA段為截止區：這個階段由于電壓低，基本沒有電流生成，電化學反應未開始，沒有氣泡產生。

AB段為線性區：此階段電壓和電流關系服從歐姆定律，電流隨著輸入電壓的增大而呈線性增大；且電化學反應開始產生，兩電極間形成通路，少量的氫氣泡開始在工具電極表面生成。

BC段為飽和區：從B點開始，工具電極表面產生的氣泡增多，并開始聚集合并，逐漸形成氣膜。雖然此時氣膜不夠致密和穩定，但會導致兩電極之間的電阻值增大，且電流變化逐漸趨于平穩。

CD段為躍變區：這個階段隨著電壓持續增大，大量的氫氣泡在工具電極表面生成、聚集以及合并，使得氣膜變成一種致密而穩定的結構。此外，密集而穩定的絕緣氣膜產生后，電流會逐漸收斂為0，氣膜內外形成電位差，并開始產生一些微小的不穩定火花放電。同時輔助陽極表面也有大量氧氣泡產生，但由于其具有較大的表面面積，并不能使得氣泡附著生成氣膜。

DE段為放電區：這個階段，形成的氣膜致密而穩定，并隨著輸入電壓的持續增大，氣膜內外電勢差增大，當電勢差超過臨界值時將會擊穿氣膜，產生電化學放電，電化學放電加工的實際加工過程發生在這一階段，圖5 中DE部分為氣膜被擊穿產生火花放電。

2.3 氣膜厚度

據表3 展示了氣膜厚度的方差分析，F值和P值來確定影響因素的顯著性。F值較大和P值小于0.05 的因素被認為是顯著的，由表3 可知，電壓、占空比、電壓和占空比的交互作用、頻率和占空比的F值較大。電壓、占空比、電壓和占空比的交互作用P=0，頻率和占空比的交互作用P=0.010。由此可知，電壓、占空比、電壓和占空比的交互作用、頻率和占空比交互作用對于氣膜厚度有較大的影響。

表3 氣膜厚度的方差分析

氣膜厚度均值的主效應圖如圖6 所示。由圖6可知，電壓和占空比對于氣膜厚度有較大的影響，頻率對氣膜厚度的影響較小；最小的電壓、最大的占空比和頻率是形成薄氣膜的最佳工藝參數組合。如圖6a 所示，隨著電壓的增大，氣膜厚度也隨之增加。由于單位時間內產生更多的氣泡，氣泡積累速度隨著電壓的增大變快，氣膜厚度變厚；伴隨著電壓的升高，電化學放電也變得更為劇烈，這個過程中會伴隨著大量的熱量產生，電解液會被蒸發，產生大量氣體。這兩個因素是導致隨著電壓升高、氣膜厚度過大的主要原因。如圖6b 所示，頻率對氣膜厚度的影響十分微小。如圖6c 所示，占空比對氣膜厚度也有較為顯著的影響，當占空比達到最大（80%）時，一個脈沖過程中通電時間所占的比例降低，這可能避免電壓過大產生的大氣泡的合并聚集，減小氣膜厚度。通過效應圖可知，獨立因素下氣膜厚度的最佳實驗參數組合為50 V 電壓、30 kHz頻率、80%占空比；氣膜厚度的極端實驗參數為60 V 電壓、20 kHz 頻率、60%占空比，其氣膜厚度分別為214 μm 和335 μm。

圖6 氣膜厚度均值的主效應圖

表3 的方差分析顯示，上述獨立因素的影響并不能更全面地說明這些因素對氣膜特性的影響，所以考慮2 因素的交互作用效果。表3 顯示，電壓-占空比和頻率-占空比對氣膜厚度的影響是顯著的。圖7 所示為電壓-占空比和頻率-占空比對氣膜厚度的交互作用效果圖。由圖7a 可知，占空比為60%時，氣膜厚度隨著電壓的降低而線性下降；占空比為70%時，氣膜厚度隨著電壓的降低而降低，但影響不大；占空比為80%時，小電壓更有利于薄氣膜的形成。一般來說，當占空比不變時，氣膜的厚度隨著電壓的增加而減少。然而，由于小占空比導致脈沖電源的充電過程延長，氣泡數量的增加導致氣膜的厚度增加。為了獲得更薄的氣膜，小電壓和大占空比的組合是一個更理想的選擇。由圖7b可知，占空比超過70%時，薄膜厚度會隨著頻率的降低而降低。最大占空比和最小頻率的組合為形成薄膜提供了有利的條件，原因可能是在大占空比下，電源在一個周期內的通電時間減少，從而減少了氣泡的產生，減小了氣膜的厚度。

圖7 電壓-占空比和頻率-占空比的氣膜厚度交互效應圖

綜上所述，電壓、占空比、電壓和占空比的交互作用、頻率和占空比的交互作用是對氣膜厚度有較明顯影響的因素。結合單因素和2 因素交互作用對氣膜厚度的影響分析，通過對數據的響應優化，最終確定最小電壓、最小頻率和最大占空比為形成薄氣膜的最佳工藝參數組合。最佳的工藝參數組合是電壓50 V、頻率20 kHz、占空比80%，極端的工藝參數組合是電壓60 V、頻率25 kHz、占空比60%，它們的氣膜厚度分別為189 μm 和338 μm。圖8 所示為極端實驗參數和最佳工藝參數下的氣膜厚度的比較。

圖8 極端實驗參數和最佳工藝參數下的氣膜厚度（插圖為計算氣膜厚度的邊緣檢測圖像）

3 氣膜厚度與加工質量

實驗結果表明，當ECDM 中使用最佳工藝參數組合時，生成的氣膜有更薄的厚度。為了驗證薄氣膜是否有利于提高加工質量，采用已確認的工藝參數組合（表4）在石英玻璃和K9 光學玻璃上進行實驗加工，以此提高加工質量。為節省實驗時間，使用1.5 μm/s 的進給速度，對兩種玻璃進行了100 s的加工。

表4 已確認的工藝參數組合

表5 所示為通過實驗結果計算出入口的徑向過切、圓度（兩點法）和孔的深徑比。實驗結果表明，與極端實驗參數組合加工的微小孔相比，在最佳工藝參數組合下，兩種玻璃加工的微小孔都有較小的徑向過切、較小的圓度誤差和較大的深徑比。

表5 實驗結果匯總

圖9 所示為所加工微孔的入口形狀及徑向過切。由表5 和圖9 結合分析可知，最佳工藝參數組合下，兩種玻璃上加工的微小孔徑向過切都有明顯的減小，這表明薄氣膜有利于電化學放電加工過程中徑向過切的減小。這是由于在最佳工藝參數組合下，所產生的氣膜厚度較小。在實際加工過程中，材料去除主要通過氣膜被擊破產生的電化學放電達成，由于加工過程中氣膜包裹著工具電極，若氣膜厚度的增加則相當于增大了工具電極的直徑，導致加工中徑向過切增大。此外，隨著氣膜厚度增加，工具電極上產生的側壁放電與所加工孔壁距離減小，使得工件側壁材料去除增加。因此，通過減小氣膜厚度來減小電化學放電加工過程的徑向過切是可行的。雖然氣膜厚度的減小對孔深的提升較小，但氣膜厚度減小極大地減小了所加工微小孔的徑向過切，所以會使得微小孔深徑比也有較大的提升。

圖9 不同工藝參數電化學放電加工兩種玻璃的入口過切

圖10 所示為不同工藝參數組合加工出來的盲孔三維表面形貌。由表5 和圖10 結合分析可知，使用最佳工藝參數組合加工的微小孔圓度誤差小、圓度大，且入口處加工產生的碎屑較少。這與氣膜的穩定性有一定的關系，因為氣膜穩定的提高會使加工過程中氣膜形狀保持較好，產生的放電更加穩定，對工件的表面微觀形態提升有較好的影響。這也從另一種角度說明，氣膜厚度的減小在一定程度上提升了氣膜的穩定性，從而提升加工質量和加工精度。但氣膜厚度過小對加工也是不利的，過薄的氣膜會反而會由于加工過程中湍流擾動等原因降低氣膜穩定性，使氣膜難以維持。實驗結果也表明，最佳工藝參數組合下，良好的氣膜特性使得電化學放電加工的微小孔有更小的圓度誤差，且表面更加光滑，起皺少。在極端工藝參數時氣膜較厚，且氣膜穩定性差使得氣膜各位置厚度分布不均勻，導致所加工玻璃微小孔不同位置的材料去除程度有很大差異。如圖10 所示，氣膜厚度較大的位置放電能量少，導致材料去除過少會形成不規則的凸起；氣膜較薄的位置產生的放電能量多、材料去除過多。在微小孔形貌上表現為其圓度誤差更大。

圖10 電化學放電加工微小孔三維形貌

根據上述研究結果，在最佳的工藝參數組合下，ECDM 過程中會形成一層薄而穩定的氣體膜，因此電化學放電產生的放電能量在各個位置的分布更加均勻。此外，研究發現，減少氣膜的厚度也會降低對氣膜穩定性的影響。由于更薄的氣膜需要更少的放電能量來破裂，導致氣膜在電解質周圍被擊穿所帶來的湍流更少，氣膜的穩定性更好，在加工結果中表現為微孔的圓度誤差較小。

4 結語

首先，通過實驗從氣泡生長、融合再到氣膜成形分析了電化學放電加工過程中氣膜形成的過程。其次，采用三因素三水平全析因實驗分析了電化學放電加工過程中的氣膜厚度的變化。以電源參數為變量，氣膜厚度作為衡量氣膜質量的主要因素進行研究，確定了能得到最小氣膜厚度的最佳的工藝參數組合。然后，利用圓度誤差、徑向過切和深徑比對表面微觀形貌的影響進行了表征和分析，研究了氣膜厚度在電化學放電加工中的影響。實驗結果表明，應用最佳工藝參數組合生成189 μm 厚的氣膜，相比極端工藝參數組合氣膜厚度減小了149 μm，在石英玻璃和光學玻璃兩種類型的玻璃進行微結構加工，結果表明，小電壓、小頻率和大占空比的組合是產生高質量氣膜的條件，且有利于提升加工質量。