余宏兵 曾永彬,2 刘 勇 朱 荻

1.南京航空航天大学,南京,210016 2.哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室,哈尔滨,150001

0 引言

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。

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 t on,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]。

图1 微细电解铣削加工原理图

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WO2-4离子进入溶液,从而钨丝被溶解[6]。阴阳两极发生的电化学反应如下：

图2 微细电解加工系统示意图

图3 电化学腐蚀钨丝示意图

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。

图4 微细电极的工作端

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GH 3030微细电解加工的精度,侧面间隙Δs的测量公式为

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。

图5 加工电压对侧面间隙的影响

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 H 2 SO4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 0.2 μm/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。

图6 脉冲宽度对侧面间隙的影响

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。

图7 电极直径对侧面间隙的影响

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GH 3030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。

图8 每层铣削厚度对进给速度和加工稳定性的影响

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R MR与每层铣削厚度的关系为

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。

图9 每层铣削厚度对材料蚀除率的影响

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。

图10 典型二维微结构

图11 典型三维微型腔

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。

[1] Rajurkar K P,Levy G,Malshe A,et al.Micro and Nano Machining by Electro-physical and Chemical Processes[J].Annals of the CIRP,2006,55(2)：643-666.

[2] Saldana C,Yang P,Mann J B,et al.Micro-scale Compnents from High-strength Nanostructured Alloys[J].Materials Science and Engineering A,2009,503(1/2)：172-175.

[3] Schuster R,Kirchner V,Allongue P,et al.Electrochemical Micromachining[J].Science,2000,289(5476)：98-101.

[4] Kim B H,Ryu S H,Choi D K,et al.Micro Electrochemical Milling[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2005,15(1)：124-129.

[5] 张朝阳,朱荻,王明环.纳秒脉冲微细电化学加工的理论及试验研究[J].机械工程学报,2007,43(1)：208-213.

[6] 王明环,朱荻,张朝阳.电化学腐蚀法加工微圆柱体[J].机械工程学报,2006,42(6)：128-132.

[7] Lim Y M,Kim S H.An Electrochemical Ffabrication Method for Extremely Thin Cylindrical Micropin[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2001,41(15)：2287-2296.