纳秒脉冲电流提高微细电化学加工精度的研究

纳秒脉冲电流提高微细电化学加工精度的研究

张朝阳1　朱　荻2

1.江苏大学,镇江,212013

2.南京航空航天大学,南京,210016

摘要:分析了电极反应的暂态过程,探讨了超短脉冲电流提高电化学加工精度的机理,并根据法拉

第定律和巴特勒伏尔摩方程建立了电化学暂态加工的数学模型。在微细电化学加工系统中,采用纳秒

级的超短脉冲电流,通过加工试验验证了理论分析,加工出了直径为20

μm 的微小孔。关键词:微细电化学加工;纳秒脉冲电流;理论模型;加工精度

中图分类号:T G662 文章编号:1004—132X (2008)14—1716—04

R esearch on Improving the Machining Accuracy of Micro -ECM by N anosecond Pulse Current

Zhang Zhaoyang 1　Zhu Di 2

1.Jiangsu U niversity ,Zhenjiang ,Jiangsu ,212013

2.Nanjing University of Aeronautics and Ast ronautics ,Nanjing ,210016

Abstract :According to t he t ransient p rocess of electrochemical reactions ,t he mechanism of t hat ult ra -short p ulse current can imp rove t he machining accuracy of ECM was investigated.And t he t heoretical model of ECM transient process was developed based on t he Faraday ’law and Butler -Volmer equatio n.The t heoretical analysis was verified wit h t he subsequent machining experiment s.

U sing t he application of nano second p ulse current ,t he micro -hole wit h 20μm in diameter is machined in t he micro -ECM experimental system.

K ey w ords :micro -ECM ;nanosecond p ulse current ;t heoretical model ;machining accuracy

收稿日期:2007—07—02

基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(50635040)

0　引言

电化学去除加工技术———电解加工(elect ro 2chemical machining ,ECM )是利用电化学反应溶解去除工件材料,实现成形加工的制造技术。由于工件被加工表面不会出现熔凝层、热影响区和残余应力等加工缺陷,而且工具电极不存在损耗等特点,使其具有一定的优势,尤其是对于毫米或微米级的微小零件的加工更是如此[1,2]。然而,电化学加工过程中的杂散腐蚀现象会严重影响微细加工的精度。最近国外的研究人员在电解加工系统中采用参比电极和辅助电极技术,精确控制电极电位,并利用纳秒脉冲电源,抑制杂散腐蚀作用,实现了微米级去除量的可控电化学反应[3]。本文通过纳秒脉冲电解加工与一般电解加工的比较,分析了纳秒脉冲对电化学反应的影响作用。根据电极反应的暂态过程,探讨纳秒脉冲微细电解加工的机理,建立加工过程的数学模型,并利用加工试验验证所作的理论分析。

1　纳秒脉冲电解加工的特点

纳秒脉冲电解加工作为一项新技术与以往的

电解加工有很大区别。一般电解加工采用直流电源,对工具阴极和工件阳极连续供电,电解液流过两极之间的加工间隙构成导电通路。阳极表面在电化学反应作用下不断溶解,实现工件材料的去除,加工效率高,但加工精度只有012～017mm 。为提高加工精度,脉冲电源逐渐替代了直流电源。脉冲电解加工时电源周期间歇供电,利用加工过程中压力波的脉冲效应产生去极化、散热的效果,提高加工间隙内流场、电场的均匀性以及加工过程的稳定性,强化电流效率η对电流密度i 的非线性特性。早期的脉冲电解以低频(数十赫兹)宽脉冲(毫秒级)电流周期供电,使加工精度提高到了011～012mm 。但加工效率较低,脉冲效应未能充分体现。于是研究人员提出了高频(千赫兹)窄脉冲(数十微秒)电解加工,脉冲效应随着频率提高而相应加强,使电解加工的非线性特性被进一步强化。同时脉宽变窄,使单个脉冲能量减小,导致间隙热平衡温度下降,稳定加工的最小间隙

变小,加工精度可以达到50μm ,使其进入了微细加工领域。

随着加工精度的提高,加工间隙减小至数十微米,电解产物的及时排出变得越来越困难。因为金属工件在NaNO 3等非线性电解液中的加工

中国机械工程第19卷第14期2008年7月下半月

产物会化合成氢氧化物沉淀,阻塞加工间隙,最终导致短路。而以往排出电解产物通常采用冲液方法,但对于微细电解加工,冲液会造成微细工具电极的振动,严重影响加工精度。这就需要利用酸性电解液或高速旋转电极,以解决电解产物问题。由于工具电极直径只有数十微米,其旋转的线速度很低,为了使电解液对流、排出产物,其转速需达上万转,而且对微细电极的形状精度以及加工机床的旋转精度要求很高。如果采用酸性电解液(如HCl、H2SO4等),电解产物呈溶解状态,不会产生沉淀,就可以使加工间隙减小至几微米[4],但加工中杂散腐蚀比较严重,为了增强定域蚀除能力,进一步提高加工精度,纳秒脉冲电源被应用于微细电解加工中。

纳秒脉冲微细电解加工使用纳秒脉冲电源对电极/溶液界面的双电层进行充电,引起电极极化。由于电流持续时间非常短,电极极化还未达到稳定状态就进入了脉冲间歇,电化学反应条件不断变化,属于暂态加工过程。因此应该利用电极过程的暂态分析法,研究通电前后电极/溶液界面上所发生的物理、化学变化和电极间的等效电路,探讨其加工机理。而直流电解和脉宽在微秒级的脉冲电解都是利用电极过程进入稳定状态后的电化学反应实现工件材料的去除加工,常用极化曲线研究,属于稳态加工过程。这正是纳秒脉冲电解加工与以往电解加工在加工机理上最重要的区别。

2　纳秒脉冲电解加工的数学模型

电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理,将工件加工成形的。对于浸入电解液中的金属电极,在通电条件下所发生的变化称为电极反应过程。该过程主要包括电极界面双电层的充放电过程、电化学反应过程、反应物的传质扩散过程和带电粒子的电迁移过程等几个基本步骤。金属电极在电极反应过程中会发生电化学极化和浓差极化,使电极电位偏离平衡电位,产生过电位。电化学极化和浓差极化都是影响电极反应速度的重要因素。工件材料的蚀除是通过电化学反应实现的,因此需要抑制浓差极化,使电化学反应成为控制电极反应的决定性步骤。

电极表面液层中的带电粒子由于电极反应会造成浓度梯度,并向溶液内部扩散,扩散速度可用扩散电流密度i l反映。对于纳秒脉冲条件下平面电极的电化学反应,由扩散传质引起的非稳态极限扩散电流密度为

i l=nFC0

D

πt(1)式中,n为电极反应中的电子数;F为法拉第常数;C0为溶液深处浓度;D为扩散系数;t为电极反应时间。

由式(1)可知,非稳态扩散电流随极化时间的延长而减小;反之极化时间越短,扩散电流越大,浓差极化越小。

对于0.1mol/L的HCl电解液,H+的初始浓度C0=10-4mol/cm3,D=10-5cm2/s,n=1,脉冲电流持续时间t=50ns,可得i l=79A/cm2。其扩散电流如此之大,说明纳秒脉冲条件下电极暂态过程可以排除浓差极化的影响。而一般电化学加工主要受浓差极化影响,高频脉冲电化学加工则受浓差极化和电化学极化混合影响,采用高速旋转电极也是为了减小浓差极化。虽然电极反应过程的理论基础是法拉第定律,但对于浓差极化应根据Fick扩散定律研究其极化过程,而分析电化学极化主要根据Butler-Volmer方程[5]。

在纳秒脉冲的每个周期内,随着脉冲电流对电极/溶液界面双电层的充电,电极上过电位φ逐渐增大;脉冲结束时,φ还未达到稳态值。工件加工区和非加工区双电层上的过电位随脉冲的变化如图1所示。其中t on为脉冲宽度;t off为脉冲间隔;

E0为阳极工件的分解电位。

图1　电极电位随时间的变化

由图1可知,对于纳秒脉冲的电化学极化过程,双电层的充电时间非常短,电极上过电位φ随时间变化,总是处于暂态过程中。φ的表达式为

φ=φ∞[1-exp(-t

τ)](2)式中,φ∞为稳态过电位;τ为双电层充放电的时间常数。

当极化时间t≥5τ时,电极电位才能够达到稳态过电位的99%,电极反应过程达到稳定状态。直流电解和脉宽在微秒级的脉冲电解都是利用电极过程进入稳态后的电化学反应实现加工的。

将式(2)中的指数项用泰勒级数展开,并略去高次项后,可以得到简化式:

φ=φ∞t

τ(3)对于工具阴极、工件阳极和电解液构成的电

纳秒脉冲电流提高微细电化学加工精度的研究———张朝阳　朱　荻