基于微细线电极的轴对称微结构电解磨削加工试验研究

安森旺，陈志远 ，孙 琦 ，岳晓明 ,2

（ 1. 山东大学机械工程学院，山东济南 250061；
2. 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061 ）

近年来，随着微机电系统（MEMS）的快速发展，微细轴类零件的需求量快速增长， 然而随着新材料和难加工材料的广泛应用， 微细轴类零件的制造变得愈加困难， 能在难加工材料上加工复杂微细轴类零件的制造方法受到了越来越多的研究者关注。

轴类零件的传统加工方法有车削加工和磨削加工，这两种方法非常适合加工高精度的轴类零件。然而，随着复杂轴类零件的结构变得越来越小，同时各种新材料和难加工材料的大量应用， 采用车削和磨削加工复杂微细轴类零件面临巨大挑战， 例如微细零件低刚度问题和微细刀具制作困难等。

非传统加工方法如电铸加工技术[1]、超快激光加工技术[2]、微细电火花加工技术[3]和微细电解加工技术[4]在微细加工方面表现出巨大优势。

早在1985 年，东京大学的曾泽隆久等[1-2]提出了线电极电火花磨削加工技术（wire electro-discharge grinding，WEDG），加工时线电极沿导向槽缓慢单向移动，避免了线电极振动和磨损对于加工精度的影响，成功实现了微细电极的精密加工。

然而，WEDG 加工点放电的特性导致加工缓慢，单向走丝的特性使电极丝消耗较大，导致加工成本较高。

电解加工是通过电化学阳极溶解原理来达到工件材料去除，可以实现微纳米精度加工。

与电火花加工相比，电解加工具有加工效率高、表面质量好、工具电极无损耗等优点，是微细轴类零件制造的一种具有潜力的低成本高质量加工方法。

目前国内外学者研究采用线电极进行微细电解切割加工研究，王昆等[7]通过微细电解线切割在镍片上切割出了带90°直角的微结构，曾永彬等[8]利用电极振动技术成功对直径10 μm 的钨丝加工出微方柱阵列电极，Shin 等[9]利用直径10 μm的钨线电极加工出了宽度9 μm悬臂梁和外径580 μm微型齿轮。

上述研究结果证实了微细线电极电解切割加工技术在微细加工领域的应用潜力。

东京大学韩伟等[10-11]通过借鉴WEDG 技术， 采用NaOH 工作液和双极性电源在WEDG 机床上实现了钨电极的微细电解磨削加工，并称此技术为线电极电解磨削加工 （wire electrochemical grinding，WECG）。

然而，上述 WECG 加工技术依然采用了WEDG 的线电极沿导向槽缓慢单向移动的方式来避免双极性电源对电极丝的损耗，会引起导向槽磨损等问题，并且由于电极丝需要嵌入到导向槽内部而无法实现具有复杂结构轴类零件的线电极磨削加工。

为解决上述问题，本文借助电解加工阴极无损耗的优点改进上述WECG 加工技术，将线电极沿导向槽缓慢单向移动的方式改为固定线电极并采用低浓度NaNO3电解液来加工微细轴类零件，改进后的加工技术成本更低、加工能力更强、加工表面质量更好，有望解决难加工材料微细轴类零件的制造难题。

自研发的线电极电解磨削加工实验装置由精密三轴运动平台、脉冲电源、电解液回收系统、信号采集装置和线电极固定装置组成（图1）。

高速精密主轴安装在三轴运动平台的Z 轴上，圆柱形工件夹紧在高速精密主轴的卡盘上。

将微细电极丝放置在两个跨度为20 mm 的悬臂梁上， 两个12 g 的重物连接在线电极的末端来保持电极丝张紧；
为了增强电解液的流动，电解液通过针管喷射至工件加工表面。实验条件见表1。

表1 实验参数

图1 线电极电解磨削加工实验装置示意图

为了获得更高的加工精度和加工稳定性， 首先研究加工参数对WECG 加工过程的影响。实验采用直径50 μm 的铜电极丝，首先通过机床的接触感知功能将线电极定位至距离圆柱工件表面50 μm 处；
然后， 线电极沿圆柱工件径向方向进给100 μm；
最后， 线电极沿着圆柱工件轴向方向进给500 μm，得到微细轴。

图2 是线电极加工微细轴的示意图。

本文分别测量微细轴两端直径（D1和D3）和中间直径D2来研究各加工参数对WECG 加工的影响。

图2 线电极电解磨削加工示意图

2.1 加工电压对WECG 加工的影响

固定脉冲频率50 kHz、占空比30%、电解液质量分数4%、进给速度1 μm/s，研究加工电压分别为10、13、15、17 V 对微细轴直径的影响见图 3。结果表明，随着加工电压的增大，微细轴的剩余直径逐渐减小，采用10 V 加工电压时微细轴因严重短路而加工失败。

当加工电压高于13 V 时可确保稳定的加工过程，然而较高的加工电压会导致加工精度偏低，后续实验采用15 V 的电压进行加工。

图3 加工电压对微细轴加工的影响

2.2 脉冲频率对WECG 加工的影响

固定加工电压15 V、占空比30%、电解液质量分数4%、 进给速度1 μm/s， 研究脉冲频率分别为10、50、100、500 kHz 对微细轴直径的影响见图 4。结果表明，随着脉冲频率的增加，微细轴的剩余直径逐渐增大， 在脉冲频率为500 kHz 的加工条件下频繁发生短路，这是由于高频条件下材料的去除速度小于进给速度导致的。在50 kHz 的脉冲频率可以确保稳定的加工过程和加工精度，后续实验采用50 kHz的脉冲频率进行加工。

图4 脉冲频率对微细轴加工的影响

2.3 占空比对WECG 加工的影响

固定加工电压15 V、脉冲频率50 kHz、电解液质量分数4%、进给速度1 μm/s，研究占空比分别为10%、20%、30%、50%和70%对微细轴直径的影响见图5。

结果表明，随着占空比的增加，微细轴的剩余直径逐渐减小。

当使用10%的占空比加工难以进行，这是由于占空比过小时工件材料去除速度小于电极丝的进给速度， 易引起短路；

当占空比超过50%时，微细轴的加工精度会变得非常差。

因此，后续实验采用30%～40%的占空比进行加工。

图5 占空比对微细轴加工的影响

2.4 电解液浓度对WECG 加工的影响

固定加工电压15 V、脉冲频率50 kHz、占空比30%、进给速度 1 μm/s，研究 NaNO3电解液质量分数分别为2%、4%、6%和8%时对微细轴直径的影响。

如图6 所示，随着电解液浓度增大，微细轴的剩余直径逐渐减小。

电解液浓度过高会导致严重杂散腐蚀，过低会导致频繁短路。考虑到较低的电解液浓度可提高加工精度， 后续实验采用质量分数为4%的电解液进行加工。

图6 电解液浓度对微细轴加工的影响

2.5 进给速度对WECG 加工的影响

固定加工电压15 V、脉冲频率50 kHz、占空比30%、 电解液质量分数4%， 研究进给速度分别为0.5、1、1.5、2 μm/s 对微细轴直径的影响见图 7。结果表明，随着进给速度的提高，微细轴的剩余直径逐渐增大。

虽然更高的进给速度可以获得更高的加工精度，但也会导致短路频发；
然而，缓慢的进给速度使加工时间延长、杂散腐蚀严重，降低加工精度。

后续实验选择1 μm/s 和1.5 μm/s 的进给速度进行加工。

图7 进给速度对微细轴加工的影响

3.1 微细轴电极加工与原位通孔加工

微细轴电极的线电极电解磨削加工过程分为三个阶段：① 以加工电压15 V、脉冲频率50 kHz、占空比30%、NaNO3电解液质量分数4%和进给速度1 μm/s 加工直径为 500 μm 的圆柱工件， 通过接触感知定位线电极与圆柱工件相对位置后先沿圆柱工件径向方向进给100 μm，再沿着圆柱工件轴向方向进给 800 μm， 获得直径约 300 μm 左右的一段细轴；

②以相同参数沿着圆柱工件的径向方向进给50 μm，再沿着圆柱工件的轴向方向进给650 μm 得到直径150 μm 左右的细轴；

③ 以加工电压13 V、脉冲频率100 kHz、占空比20%、NaNO3电解液质量分数4%、 进给速度1.5 μm/s 的加工条件沿圆柱工件径向方向进给50 μm， 再沿着圆柱工件轴向方向进给 550 μm，最终得到约 85 μm 的微细轴，加工结果的扫描电镜见图8。

图8 线电极电解磨削加工微细轴扫描电镜图

微细轴电极制作完成后进行微通孔原位加工，工件为厚度100 μm 的不锈钢薄片， 采用加工电压10 V、脉冲频率 100 kHz、占空比 20%、NaNO3电解液质量分数4%、进给速度1 μm/s 的条件，首先通过接触感知将微细轴定位于工件上方30 μm 处，再沿Z 轴正向进给130 μm，得到的微细通孔见图9。

图9 原位加工通孔扫描电镜图

3.2 复杂轴对称微结构线电极电解磨削加工

复杂轴对称微结构的线电极电解磨削加工过程分为两步。

第一步，通过实验装置的接触感知功能，将直径50 μm 铜电极丝定位在距圆柱工件50 μm处，在加工电压15 V、脉冲频率50 kHz、占空比30%、NaNO3电解液质量分数4%和进给速度1.5 μm/s 的条件下，铜电极丝沿圆柱工件径向进给100 μm，再沿着圆柱工件轴向进给 1500 μm， 获得直径 300 μm 左右的微细轴工件；

第二步， 在上述微细轴工件的基础之上， 采用直径为30 μm 的钨电极丝在加工电压15 V、脉冲频率100 kHz、占空比20%、NaNO3电解液质量分数4%和进给速度1 μm/s 的条件下， 通过数控编程控制三轴运动平台做复杂轨迹运动， 从而实现复杂轴对称微结构的加工，加工得到的微结构见图10。

图10 微细线电极电解磨削加工复杂轴对称微结构

图10 可清晰地看见微结构的光学图像和扫描电镜图， 可见采用较细的线电极可以电解磨削出来结构特征小于100 μm 的轴对称微结构， 并且加工表面光滑， 证明WECG 技术针对难切削材料是一种低成本、高效率制造复杂轴对称微结构的有效加工方法。

本文设计线电极电解磨削加工实验，研究了加工电压、脉冲频率、占空比、电解液浓度和进给速度对实验结果的影响， 基于优化的加工参数通过线电极电解磨削成功地获得了微细轴电极， 并通过微细轴电极原位加工出微细通孔， 最后成功加工出复杂轴对称微结构， 证明了线电极电解磨削针对难切削材料是一种低成本、高效率制造复杂轴对称微结构的有效加工方法。

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