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清華大學(xué)使用碳化硅和樹脂材料、韓國國立首爾大學(xué)使用瓷釉，成功制備了可用于微細(xì)電解加工的側(cè)壁絕緣電極，初步的加工實驗結(jié)果驗證了側(cè)壁絕緣電極應(yīng)用于微細(xì)電解加工的可行性。關(guān)于側(cè)壁絕緣電極在微細(xì)尺度下提高微細(xì)電解加工的加工精度的工藝規(guī)律以及側(cè)壁絕緣膜的材料及制備方法可靠性等方面討論和研究還有待進(jìn)一步開展?；谝陨戏治觯瑸榻鉀Q絕緣膜在微細(xì)電解加工中的應(yīng)用中的材料選取、制備工藝及加工穩(wěn)定性等問題，本文在微細(xì)電解加工的電場和流場分析的基礎(chǔ)上，提出絕緣膜疏水性質(zhì)在微細(xì)電解加工中可以起到提高加工穩(wěn)定性和加工定域性的作用。并制備了基于硅膠疏水材料的側(cè)壁絕緣膜，進(jìn)行了微細(xì)電解掃描加工實驗，實驗驗證了疏水側(cè)壁絕緣膜在微細(xì)電解加工中在提高加工穩(wěn)定性和加工定域性方面的有效性。

絕緣膜對電解加工過程影響的理論分析

電解加工中工具電極和被加工工件是不接觸的，通過電場的作用，使得強(qiáng)極化區(qū)域的工件產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而被溶解加工，其核心的加工參數(shù)是加工間隙。加工間隙的大小、間隙內(nèi)電解液流動等決定了電解加工的加工精度、加工效果和加工穩(wěn)定性。本節(jié)將分析了微尺度下側(cè)壁絕緣膜的應(yīng)用如何對加工域和加工間隙內(nèi)流場運(yùn)動產(chǎn)生影響。

1.絕緣膜約束加工域的理論分析

根據(jù)電化學(xué)加工原理，工件上材料的蝕除加工，取決于材料所在位置電場強(qiáng)度大小，電場強(qiáng)度大于某一閾值，則材料在陰陽極的電化學(xué)反應(yīng)中，將被蝕除加工。因此工件和工具之間相互作用而形成的電場分步就成為影響蝕除區(qū)域和非蝕除區(qū)域，也即加工精度邊界的主要因素。微細(xì)尺度下的加工原理也是一樣，而且有與加工間隙小，只有數(shù)微米，因此，電極的側(cè)壁是導(dǎo)致二次加工和雜散腐蝕的主要原因。而側(cè)壁絕緣電極的使用，如圖1所示（基于有限體積法的FLUENT軟件進(jìn)行電場仿真效果），電場分布將被約束電極和加工工件之間的電極端部附近，因此，可良好地消除電極側(cè)壁產(chǎn)生的雜散腐蝕。圖2所示的是側(cè)壁絕緣電極向下進(jìn)給加工時，側(cè)壁絕緣膜對加工電極的覆蓋程度對微細(xì)電解加工邊界的電場仿真圖。有圖可以看出，側(cè)壁絕緣膜的裸露長度L越小，側(cè)面加工間隙越小，加工精度越高。說明側(cè)壁絕緣膜對電極側(cè)壁的覆蓋程度對加工結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響。因此，側(cè)壁絕緣膜的完整性對于提高加工精度和加工穩(wěn)定性起著重要作用。

2.絕緣膜材料性質(zhì)對加工過程影響的流場分析

電解過程中，電極和加工工件不接觸，絕緣膜會受到電解液沖刷等因素影響而受到破壞，影響加工精度和加工穩(wěn)定性。微細(xì)尺度下，在數(shù)百微米的電極絲側(cè)壁形成數(shù)微米厚度、薄而均勻的膜的制備技術(shù)更加不完善。圖3(a)所示是在沒有電解液流動的條件下，在絕緣電極和工件之間施加一定電壓產(chǎn)生電解反應(yīng)時，氣泡的運(yùn)動情況，可以看出大量微細(xì)電解加工實驗中發(fā)現(xiàn)厚度僅有約數(shù)微米的側(cè)壁絕緣膜更容易受到破壞，尤其是在側(cè)壁絕緣膜的前端與電極的結(jié)合處。分析其加工過程，電極的側(cè)壁絕緣膜遭到破壞的原因主要有二，一是電極與絕緣膜結(jié)合處受到電解液的流動的沖擊；二是結(jié)合處受到氫氣泡引起的氣液兩相流動的持續(xù)擾動，如圖3(b)所示。由于電解液流速一般不快，產(chǎn)生的破壞擾動有限，而電解反應(yīng)中會持續(xù)大量產(chǎn)生的氫氣泡。因此由氫氣泡所引起的氣液兩相流動是引起側(cè)壁絕緣膜破壞的主要原因。微尺度下表面力起主導(dǎo)作用，與常規(guī)尺度加工相比，絕緣膜材料的親疏水性質(zhì)會對氫氣泡引起的氣液兩相流動產(chǎn)生更大的影響。圖4所示的是二維情況下氫氣泡在兩種不同親疏水性質(zhì)的絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處的停留狀態(tài)。與如圖4（a）所示的親水高分子樹脂側(cè)壁絕緣膜處氫氣泡相比，由于受到疏水表面力的影響，如圖4（b）所示的疏水的絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處的氫氣泡具有更大的接觸角θ2，氫氣泡更貼近絕緣膜一側(cè)，從而使得氫氣泡更不易被電解液沖刷走。圖5所示的是氫氣泡在體積較大時，在靜液條件下，在疏水側(cè)壁絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處，由于疏水絕緣膜表面和電極表面的親水角的不同，導(dǎo)致其向疏水膜一側(cè)運(yùn)動，直至氣泡完全運(yùn)動到疏水膜上方。

綜上所述，疏水側(cè)壁絕緣材料不僅可以改變附著于其上的氫氣泡的形狀，而且可以吸引體積較大的氣泡運(yùn)動到其上。這種對氫氣泡的吸附效果在微細(xì)電解加工中不僅對絕緣膜與電極緊密結(jié)合起著保護(hù)作用，而其可以減小側(cè)壁加工間隙，加工域由d0減小到d，提高加工精度，如圖6所示。同時可以添補(bǔ)絕緣膜與電極前端結(jié)合處的機(jī)械缺陷，減小側(cè)面間隙內(nèi)電解液更新流動的阻力，提高了加工穩(wěn)定性。

疏水絕緣膜的微細(xì)電解分層掃描加工實驗

電場及流場仿真分析顯示，側(cè)壁絕緣膜在微細(xì)電解加工中能起到約束電解加工域的作用，并且疏水性質(zhì)的絕緣膜能吸附氣泡，改善加工精度以及加工間隙電解液的更新條件。為了驗證電場分析及流場分析的正確性，選取了兩種典型的親水和疏水絕緣材料，高分子樹脂絕緣和704硅膠，制備了相應(yīng)的側(cè)壁絕緣電極。絕緣膜厚度約為5~20微米，取決于旋涂法制備參數(shù)，具體參數(shù)見參考文獻(xiàn)10[10]。并使用制備的電極進(jìn)行了相應(yīng)的加工實驗。工具電極的側(cè)壁絕緣膜是利用一種旋轉(zhuǎn)涂膠的工藝方法制備的[4]；該方法原理是將液態(tài)絕緣材料滴于工具電極的表面，覆蓋電極端面和側(cè)面，然后使電極高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將多余的膠液甩離電極表面，從而在電極表面涂覆一層均勻的液膜，固化后，再經(jīng)過超細(xì)砂紙對端部打磨處理露出端部。制備的絕緣電極如圖7（a,b）所示。一般制備高分子樹脂絕緣膜需反復(fù)涂覆多次，以減少絕緣膜上的缺陷，固化時間較長，制備效率較低，而制備704-硅膠絕緣膜只需涂覆一次即可。

1.親水絕緣膜與疏水絕緣膜的對比加工實驗

分別使用親水性質(zhì)的高分子樹脂絕緣電極和疏水性質(zhì)的704硅膠側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行了方腔直角三角柱結(jié)構(gòu)的微細(xì)電解分層掃描加工實驗，加工參數(shù)如表1所示。圖7（a）和圖7（b）分別顯示了加工前后側(cè)壁涂覆絕緣膜的工具電極的情況及加工的三角柱結(jié)構(gòu)。絕緣膜的完整性方面，實驗過程中發(fā)現(xiàn)，親水性質(zhì)的高分子樹脂絕緣膜易受電解液侵蝕破壞，發(fā)生撕裂和吸漲現(xiàn)象，造成絕緣性能下降和過切加工現(xiàn)象。加工前后，704硅膠側(cè)壁絕緣膜則相對保存完整，無明顯吸漲和剝離現(xiàn)象。加工結(jié)果方面，使用高分子樹脂側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行分層銑削加工的三角柱邊緣與四邊形腔體邊界的距離為245μm，加工的三角柱結(jié)構(gòu)雖然表面邊界比較清晰，但是側(cè)壁的棱邊出現(xiàn)鋸齒狀，說明加工間隙不均勻，說明側(cè)面間隙在加工過程中隨著加工深度的增加出現(xiàn)變化。#p#分頁標(biāo)題#e#

加工前后電極的照片對比可以看出，遠(yuǎn)離電極端部的側(cè)壁絕緣膜相對保存完整，但是側(cè)壁絕緣電極的端部附近絕緣膜發(fā)生部分剝離和吸漲現(xiàn)象，如圖7（a）所示。而使用具有疏水性質(zhì)的704硅膠絕緣膜加工的三角柱結(jié)構(gòu)邊緣與四邊形腔體邊界的距離為211μm。加工前后，疏水絕緣膜基本保持完整。與高分子樹脂側(cè)壁絕緣電極相比，使用疏水絕緣膜工具電極的單邊加工間隙減小約17μm，加工邊界清晰且側(cè)壁垂直，說明側(cè)壁間隙隨著加工深度的增加保持一致，沒有過切加工和欠加工現(xiàn)象。因此，與具有親水性質(zhì)的高分子樹脂側(cè)壁絕緣膜相比，由于絕緣膜的疏水性質(zhì)可通過吸引氫氣泡，使其停留在絕緣膜與工具電極端面結(jié)合處，減少絕緣膜與工具電極端面的結(jié)合處的電解反應(yīng)，使得疏水性質(zhì)的704硅膠側(cè)壁絕緣膜具有更強(qiáng)的抗電解破壞能力，微細(xì)電解加工精度和穩(wěn)定性優(yōu)勢明顯，而且在制備工藝上也更簡潔、方便。

2.無絕緣膜與疏水絕緣膜的對比加工實驗結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗證使用疏水硅膠絕緣膜進(jìn)行微細(xì)電解加工的加工穩(wěn)定性，分別使用無絕緣膜的工具電極和側(cè)壁涂覆疏水硅膠膜電極進(jìn)行了典型側(cè)壁垂直結(jié)構(gòu)的分層掃描銑削微細(xì)電解加工，使用的加工電參數(shù)、溶液參數(shù)等也如表1所示。圖8顯示的是使用無絕緣膜工具電極和側(cè)壁涂覆疏水絕緣膜工具電極進(jìn)行微細(xì)電解加工的典型側(cè)壁垂直結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果圖片。使用無絕緣膜工具電極和疏水絕緣膜工具電極進(jìn)行端面分層銑削加工的軌跡是相同的；模型設(shè)計尺寸和幾何測量結(jié)果如表2所示。其中，加工的三角槽結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，加工時間為46分種；方腔三角柱如圖8（b）所示，加工時間為202分鐘；圓腔方柱如圖8（c）所示，加工時間為228分鐘。材料去除率為2.1×104μm3/s。與無絕緣膜工具電極的加工結(jié)果相比，使用疏水絕緣膜工具電極加工時單邊加工間隙減小約60μm，入口的邊緣圓弧過渡也基本消除，形成銳利的棱邊，側(cè)壁垂直，對已加工側(cè)壁雜散腐蝕得到明顯抑制，微細(xì)電解加工精度得到很大的提高。如表2所示，圖8(a,b,c)中側(cè)壁絕緣電極加工的結(jié)果與CAD設(shè)計尺寸的誤差均小于10μm，相對誤差最大值為2.2%，與相同條件下無絕緣膜的微細(xì)電解加工相比，加工精度和加工定域性有了較大提高，且加工速度、加工效率基本保持一致。尺寸誤差主要來源于系統(tǒng)X-Y平臺定位誤差、運(yùn)動誤差、以及測量誤差等。

結(jié)語

應(yīng)用側(cè)壁涂覆絕緣膜的工具電極進(jìn)行微細(xì)電解加工，不僅可大幅度提高電解加工的精度，而且還能使得加工速度、加工效率得以保持，是一種可兼顧加工效率和加工精度、有著良好應(yīng)用前景的工藝方法。微細(xì)電解加工中工具電極和工件之間的加工間隙是影響加工效果的核心因素?；诜抡娣椒?，本文分析了絕緣膜對端面加工間隙和側(cè)面加工間隙的規(guī)律。同時首次分析了疏水性質(zhì)對電解加工中產(chǎn)生的氫氣泡運(yùn)動的吸附作用對微細(xì)電解加工的影響。氫氣泡在絕緣膜與電極的結(jié)合處的吸附和停留，一方面有利于減少結(jié)合處的電解反應(yīng)，保護(hù)結(jié)合處不被破壞，另一方面有利于添補(bǔ)絕緣膜與電極前端結(jié)合處的機(jī)械缺陷，提高加工定域性、加工精度及加工的穩(wěn)定性。

與親水絕緣膜相比，疏水絕緣膜具有更強(qiáng)的抗電解破壞能力，保持更穩(wěn)定的電解加工過程。與無絕緣膜的加工相比，可在保持速度和加工效率的前提下，大幅度提高加工精度。實驗結(jié)果顯示704疏水硅膠絕緣膜可有效阻隔側(cè)壁與電解液接觸，消除側(cè)壁的雜散腐蝕作用，形成側(cè)壁垂直結(jié)構(gòu)，加工域良好約束的微細(xì)電解“端面”分層掃描加工。（本文圖略）

本文作者：胡滿紅 李勇 張躍 王健 朱曉谷 單位：北京 中國計量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)研究所 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實驗室