复合加工中电化学放电加工绝缘硬脆材料

复合加工中电化学放电加工绝缘硬脆材料

张子彦

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摘要：绝缘硬脆材料具有绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、硬度高等特点，目前在航空航天、生物医学、化工、冶金等领域受到广泛应用。由于其本身的高硬度和高脆性特点，传统的机械切削加工方法难以完成微细结构的加工，电化学放电加工方法是目前较为合适的一种加工方法。本文针对绝缘硬脆材料微细结构的加工技术，开展了电化学放电加工方法的研究。

关键词：电化学放电加工，绝缘硬脆材料

1、研究背景和意义

近年来,微型化和精密化是目前先进制造业发展的一个重要方向。现代科技的发展，对产品的微小特征尺寸有了越来越多的要求。另目前金属材料和半导体材料在微机电系统产业和微电子产业中的广泛应用已为人熟知，随着微机电系统日益蓬勃的发展，绝缘硬脆材料的应用也越来越广泛。包括玻璃和陶瓷在内的绝缘硬脆材料以其高硬度、耐高温、耐腐蚀等特点,作为精密加工的原材料发挥着极其重要的作用。然而,这些绝缘硬脆材料高硬度、易脆裂的特性,使其加工工艺性非常差,微细加工就更加困难。经过多年的科研探索,针对这些材料的加工技术已取得长足的进步。

对于绝缘硬脆材料，加工难度大，加工精度、表面质量和损伤层深度将对器件的性能产生影响。由于这类材料本身的硬脆性特点，传统的微细切削技术难以胜任，而常用的电加工方法如微细电火花加工和微细电化学加工适用于导电材料，对这类材料很难加工。所以,绝缘硬脆材料广泛应用也为这类材料的微细加工技术提出了新的要求,目前常用加工方法很难满足其加工要求，寻求一种高效、精密的用于非导电陶瓷,耐热玻璃、石英等材料的微细加工技术已成为当务之急。

2、加工机理研究现状

电化学放电加工是近年来在特种加工领域出现的一种新技术，常用于耐热玻璃、陶瓷、工业金刚石、石英等非导电材料的加工。电化学放电加工的工作原理，施加在工具电极（负极）和辅助电极（正极）之间的电压较低时（如 12V)，正负极之间仅有电化学反应发生，并在工具电极（负极)表面生成氢气气泡，在氢气气泡生成速率达到能相互合并形成氢气气膜后，氢气气膜阻绝电极与电解液之间的导通，当电极与电解液之间的电压超过一定临界值时，就会击穿氢气气膜而产生如放电加工的放电现象，紧靠工具电极的工件材料则受到电化学放电产生的高温以及高温时化学蚀刻的影响而发生材料的移除，达到加工的目的。

关于电化学放电加工的机理研究，目前较为认同的观点是，材料的去除是火花放电的热蚀除和化学蚀除的复合作用。从影响材料去除率的因素来讲，加工电压影响最大，其次是电解液。

3、加工工艺研究现状

气膜是电化学放电加工中的关键因素，它是产生火花放电的绝缘相，加工中的电流电压特性受气膜影响。气膜的稳定性和厚度等因素决定了加工效率、重复性和加工质量等。首先，气膜的厚度是微细加工能力的主要制约因素。Wuthrich对 ECDM的微细加工能力进行了研究。通过在原子力显微镜上开发出一套实验系统，研究发现即使使用尖端弯曲曲率只有20nm的电极，所能加工的最小尺寸特征也只有25μm。气膜厚度受电极润湿性和表面张力的影响，通过在电解液中加入表面活性剂，增加工具电极润湿性，可以减小气膜的厚度，同时产生放电现象的临界电压明显降低。其次，气膜对加工的重复性影响很大。ECDM中加工的重复性差是目前最大的一个缺点，在相同条件下的连续多次加工，得到的结果浮动范围在10-20%,这也是ECDM没能进入工程应用的很大的制约因素。Wuthrich等也对气膜进行了研究。他建立了一个能够测定气膜厚度的理论模型,通过测量电流-电压特性得出气膜厚度。实验发现，气膜厚度减小后，其稳定性相对变好，同时放电临界电压降低。但是，相应地，加工时间明显增加。

4、加工进给方式研究现状

从目前研究成果看来，电化学放电加工在非导电材料的加工方面是一项具有很大发展和应用潜力的加工方法。该方法对于非导电材料的加工，具有加工精度高、加工效率高、柔性好等优点，同时设备要求简单，加工成本较低，可以加工出复杂的三维结构。但是目前仍存在气膜生成不稳定、加工孔锥度大、加工中，加工屑会滞留在加工间隙内，随着孔深增加，排屑更为困难、微小孔加工中，孔的圆度较差等一些问题。

电化学放电加工方法是加工绝缘硬脆材料的一种有效方法，应该针对微细电化学放电加工微孔的问题展开研究。在微孔加工时，随着加工深度的增加，电解液更新困难，气膜很难形成，导致加工速度急剧下降甚至停止，放电集中在入口处，导致加工质量下降。因此，在探索电化学放电加工机理的基础上，对非导电材料的电化学放电加工技术进行研究，尽早改善加工孔锥度、提高加工效率实现大深径比的微小孔加工具有非常重要的意义。

5、总结

通过分析电化学放电加工机理，深入研究其加工特性，发现目前常规加工方式下存在的问题。因此，提出倒置电化学放电加工方法，将工具电极和工件倒置，即采用工件在上工具电极在下的布局形式。在此基础上，设计了工具电极倒置旋转加工装置，采用伺服电机驱动，通过多模带传动形式带动主轴上工具电极旋转。该装置也解决了防止工作液腐蚀、旋转密封、旋转通电等问题。

电化学放电加工技术在绝缘硬脆材料加工方面具有很大应用潜力，但是对于微孔加工,其存在较多的问题,如随加工深度增加，加工速度急剧下降甚至停止，加工孔入口处直径过大等问题。

参考文献

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