微细电解加工装置的研制及其应用李小海，王振龙，赵万生 哈尔滨工业大学特种加工与机电控制研究所，哈尔滨，15 0 0 0 1籀要：微细电解加T 足微细加T 领域很有发展前景的擞细加丁技术之一。适合j ：徽细电解加T 的装置被研制出来，它包 括机床进给机构、微细电极制作装置、短路检测模块、脉冲电源及其他一些辅助装置。其中，高频、窄脉冲电源是微细 电解加工最重要的核心技术之一。根据微细电解加工的特点，设讨+ 了微细电解加工用的M O S F E T 脉冲电源，该微能脉 冲电源能很好的满足微细电解加工的要求。运用该微细电解加工装置进行加工实验，在低的加工电压和低的电解液浓度 条件F ，利用微细旋转电极加工微小孔和像小铣刀一样进行微细电解铣削加工微结构，得到了满意的工艺效果，因而进 一步说明电解加工在微细加工领域很有发展潜力。 关键词：电解加工，微细加工，脉冲电源，微小孔，微结构1 前言近年来，机械电子设备不断的向小型化、微型化方向发展，材料微、纳米级尺寸的加工方法已经 越来越引起人们的关注，尤其是具有优良性能的金属微细加工( 特别是一些极限作业环境下所要求的 高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等性能的合金材料) 。用传统切削加T 方法进行微 细加工，就会存在刀具制作困难，刀具有磨损和产生切削热等缺点，且加工时的切削力会使零件产生 变形和加工过程中所产生的残余应力也会影响零件的质量和性能，所以很难胜任金属的微细加工。在 微细特种加_ 上方法巾，微细电火花加工、激光束加上、集中离子柬加J 二和电子束加工等都具有很好的 微细加工能力。然而，微细电火花加工在加工中会有工具损耗和热影响层，激光束加工在加工过程中 也会产生热影响层，集中离子束加工和电子束加工均需在真空中进行，设备昂贵，使用受到很多限制。 电解加工以其加工效率高、工具无损耗、加工表面无热影响层、被加工结构表面光滑、无内应力、 无裂纹、不受加工材料硬度限制等优点而在航空航天发动机零件加工领域中得到极为快速的发展。然 而在普通电解加工中，加工问隙很大，一般都在0 小加7 m m 范围内，又由于电解加工中电解液中的杂 散电流作用，工具电极L j 被加工工件最终形状会存在着偏差，电解加工的最后工件形状并不是T 具电 极的直接反拷，闭此电解加1 二就会因为难以控制被加：1 工件的形状而难以成为微细加T T 艺方法。但 是，电解加工是一种基于阳极金属以“离子”形式溶解去除材料的方法，这在加工机理r 为微细加工、 超精密加T 以至于纳米细工提供了可行依据。电勰加工间隙是获得较好形状精度的关键冈素，如果能 保持很小的加工间隙，就会提高形状精度，从而使电解加工能成为徽细加工的手段。随着电化学理论 的完善、微细加T 技术与控制技术的发展和高频、窄脉冲电源在电解加工中使用，能大大减小电解加 T 问隙和加强集中蚀除的能力，使微细电解加工技术在微细加工领域已成为很有发展前景的技术“。4 。 日本学者C h i k a m o r i 进行一项研究，从减小间隙入手来尝试电解微细加工实验，通过采用脉冲电源、降 低加丁电压和降低电解液浓度，成功地将加工间隙控制在1 0 “m 以下”。 目前我们在微细电解加工方面展开研究，研制了一套微细电解加工装置，利用简单的微细圆柱工 具电极，在较低的加T 电压和电解液浓度下，实现了微米级尺寸的加丁，而且获得了很好的加 ：丁艺效果。2 微细电解加工装置2 1 多功能微细加工机床微细电解加T 实验是在自行研制的多功能微细加工机床上进行，该多功能微细加工机床可以进行 微细电火花加T ，超声加T 和微细电解加工。该机床采具有三轴联动进给工作台，与x ，Y ，z 轴精密 伺服机构一起构成了实现三维运动的基本部件，每个方向运动部件由直流伺嫩电机带动精密滚珠丝杠 驱动，最小进给分辨率为0 1 岫。精密旋转主轴直接安装在z 轴运动部件上，x ，Y 轴运动部件带着 旋转主轴分别作左右、前后运动，以实现旋转主轴的x 轴和Y 轴迸给运动。工具电极安装在旋转主轴 头上，由z 轴运动部件带动旋转主轴实现z 轴进给运动。精密旋转主轴带动微细电极高速旋转，转速 1 0 0 0 2 5 0 0 0 转分钟而且能够连续可调，工具电极回转精度不超过l 哪，工具电极的高速旋转是微细 电解加T 能正常进行的关键。花岗岩具有良好的吸振性和较小的导热系数与热膨胀系数，所以选择花 岗岩作多功能微细加工机床的床身。花岗岩床身上装有2 5 0 m m x l 5 0 m m 8 0 m m 的电解槽。该多功能微 细机床配备两套电源，一套微细电火花加工电源和一套微细电解加工电源，机床采用不同的伺服策略进行微细电火花线电极磨削方法制作微细电极和进行微细电解加工。微细电火化线电极磨削方法实现 了微细电极制作与微细电解加工一次性装卡。用微细电火花线电极磨削制作出来的微细电极具有良好的形状精度和较大的长径比，且最小能得到直径为1 0 1 m a 以下的微细电极。 在微细电解加工过程中控制计算机通过数控系统和短路检测系统控制进给机构，保证T 具电极 与被加T 下件之间有合理的加工间隙，以防止短路破坏微细电极。T e k t r o n i x2 0 0 M 数字示波器是刚来通 过观察电解加工正、负极之间的加工电压波形，来检测微细电解加工脉冲电源的脉冲频率、脉宽和脉 问大小、脉冲电压幅值大小和加工是否正常进行。最大放大倍数为2 6 0 倍的C C D 在线实时观测加一r 状 况，如微细电极制作时观测电极的尺寸和形状。在电解加工时观察气泡逸出情况和是否在加i I ：过程中 出现微火花等。图l 为微细电解加工装置和结构组成。图l微细电解加工装置及其组成2 2 微细电解加工脉冲电源微细电解加工中，高频、窄脉冲电源是最重要的核心技术之一。从加工机理上讲，高频、窄脉冲 电源在电解加T 过程中会在加T 间隙中H 现特殊的物理、化学特性。使得高频、窄脉冲电$ 剖3 t lr 尺 寸精度、形状精度、表面质量、加工效率、加工过程稳定性方面有很大的提高。加T 中合理设篙脉冲 的脉宽和脉问的火小，在很短的脉冲加工时间内反应产物就很少，使得极间电解液在脉冲间歇时间极 易得到更新和恢复，这样电解加工的尺寸精度、形状精度、表面质量都会有很大的提高，使电解帅工 成为微细加1 2 的疗法变为可能。我们根据微细电解加工的特点，研制出微细电解加丁刖的脉冲电源。 该脉冲电源分为以下几部分：主振级、驱动级、功放级。主振级由S c e n i x 单片机做脉冲发生器，该 单片机的速度特别快，外接5 0 M 晶振。通过编程使用单周期指令使单片机i o 口置“0 ”簧1 ，可发 出晟小脉宽为2 0 n s 的方波脉冲，根据加工情况脉宽和脉间大小置多档可调；驱动级是将S c e n i x 荦片机 发出的脓冲信号送到速度很快的7 4 F 0 7 芯片和M O S F E T 的专用驱动模块T P S 2 8 1 2 驱动M O S F E T 场效应 管；功放级是M O S F E T t 豸效麻管I R F 7 3 0 进行电流放大，上升t 痢下降时间t f 分别只有1 5 n s 和1 4 1 3 S ，f 用 I R F 7 3 0 高速开启关断给微细电解加工提供脉冲电流。因M O S F E T 开启与关断速度特别快，而且P v l O S r E T 导 通阻值很小，开通后管子压降就很小，所以管子的自身发热就很少。功放级I R F 7 3 0 所需的直流输入电 压是使用能连续调压的白耦变乐器接2 2 0 V 、5 0 H Z 交流电，能精确输出O 1 0 V 交流电压，再经过全桥 整流和滤波得到的直流电压。直流电压直接加在M O S F E T 管I R F 7 3 0 上，不加限流电阻，n J 以通过调整 自耦凋压器精确控制加工电压，并且町以获得较大的加工电流。在短路检测模块中，有一个电流传感 器，f h j 在微细电解加工中加工电流很小，所以通往微细工具电极的导线绕电流传感器缠绕 圈，感 应出的电流就扩大十倍。然后，感应电流通过一个采样电阻，F 照流大小就会以电压的形式被采样，通j “ P I C 单J 机A ，D 送入上位帆一卜位机根据采样电阻的电压值来判断是否发牛短路进行伺服迸给或幽 退。接l _ ： 电路的设计是为了实现上下位机能进行通讯。本文设计的微细电解加工用的高频、窄脉冲电 源既可以采用双口R A M ，也可以采用串口来进行上下位机的通讯。一方面，上位机把将要设置的参数 ( 频率和脉宽) 通过烈口R A M 或串口传给下位机P I C 单片机；另一方丽，下位机将采集到采样电阻的 电压通过P I C 单片# I , A D 的数字信号通过双口R A M 或串口传给上位机，控制计算机通过判断来实现倒服 控制动作。在加1 j 状态检测模块中，有一保护电路，当短路时，从采样电阻取得的电压就高于设援的 参考电压，电位比较器的输出端口由高电平变低电平，S c o n i x 单片机就停止发脉冲信号，起到保护作用。3 0 9 一该电源能稳定输出展小脉宽为3 0 0 n s 、电压0 I O V 和电流0 2 A 可调的脉冲电源，经实验证明该电源能 很好满足微细电解加工的需要。图2 是微细电解加工脉冲电源结构组成及原理 4 】。图2 微细电解加工脉冲电源结构组成及原理取 样 电I 【f 【3 加工实验微细加工材料去除量微小，加工精度要求很高，所以微细电解加工要实现微小尺寸加工，电解反 应就必须定域在很小的范围内发生，因此较大的加工间隙是电解加工精度受到限制的重要因素之一。 在一定的加_ J ：= 电压和电解液浓度下，加工电极与被加工工件表而的间距越小，加工间隙内的电流密度 越大，集中蚀除能力就越强，加工主要集中在加工间隙内，从而就能获得越好的加工精度，利用电解 进行微细加工的可能性也将增大。由法拉第定律和欧姆定律，我们能导出在电解加工巾，平衡加工间隙h O ：是o = z D f t l ：( E o 。E ) ( f 力( 1 )其中= 为电化学当量、I 习为占空比系数、_ 是电流效率，K 为电解液的电导率，E 为加工电压，翘是电 极电位差，是微电极进给速度、p 是阳极被溶解的金属密度。从公式( 1 ) 我们知道影响加丁间隙的因 素。因此微细电解作用必须在低电位、低电流密度下进行，且必须采用钝化电解液，例如N a N O 、或N a C I O ， 电解液，此时的微细电解) J O T 处于电流效率曲线钝化区范围内进行。 在微细电解加工实验中，首先在多功能微细加工机床上利用微细电火花线电极磨削方法制作微细 _ T 具电极。采用钨w 作微细电解加工的工具电极材料，金属钨w 具有较好的热传导性、电传导性和 抗腐蚀性，很适合作微细电解加工用的工具电极。图3 就是利用微细电火花线电极磨削方法加工的微 细电极扫描电镜照片，被加工的微细电极直径大约为3 0 9 m ，加T 出的钨微细电极具有很好的刚性，在 高速旋转时，能保证很高的回转精度。在微细工具电极非加工表面涂一层很薄的绝缘树脂，进行区域 绝缘化处理。微细电解加工时，由于T 具电极直径只有几十微米，冲液会影响加工精度，所以采用静 液加工，无须冲液装置。 选用低浓度的N a N 0 3 钝化电解溶液，被加工工件材料是不锈钢片l C r l 8 N i 9 T i ( S U S 3 0 4 ) 。在微细 电解加T 时，因为是在较低的加工电压和电解液浓度下进行的，加T 电流很小，在微脉冲电流密度作 用下被加工工件表面上生成致密的钝化膜。由于钝化膜的生成，会使电解加工马上停止，阻止电解 反应持续地进行下去。然而，利用精密旋转主轴带动微细j 1 具电极高速旋转，不仅有利于改善电解产 物排除条件及电解液的循环更新过程，而且在加工间隙内微细电极带动钝化电解液在很小的加工间隙 内快速流动，高速冲刷被加工表面，消除了钝化膜，使微细电