针对慢波微结构的电解射流加工电流密度调制研究

荆 奇 ，李飘庭 ，张勇斌 ，李 建 ，吉 方

（ 1. 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳 621900；2. 复旦大学光科学与工程系，上海 200438；3. 四川大学制造科学与工程学院，四川成都 610065 ）

随着制造业的迅速发展，带有复杂微小结构特征的零件被广泛应用于航空航天、医疗器械和电子工业等领域。 在许多典型的军事领域，能产生太赫兹波的太赫兹辐射系统具有重要的应用前景。 行波管是一种基于真空电子学的太赫兹辐射源，有着宽带宽、高功率等明显优势。 慢波微结构是行波管的关键组件，随着太赫兹系统工作频率的提高，慢波微结构的特征尺寸越来越小，加工精度和表面粗糙度要求也越来越高，给现有的微细加工技术带来了严峻挑战。

在众多针对微小特征的加工方法中，电解射流加工（electrochemical jet machining，ECJM）技术是一种基于阳极溶解原理的加工方法，有高效、无毛刺、无热影响区和重铸层、无刀具损耗等优势[1]。 在电解射流加工中，电解液通过阴极喷嘴喷射到金属阳极表面进行去除加工，通过控制喷嘴移动而获得各种复杂的微小特征。 电解液束的微小形态决定了电场的集中分布， 从而保证了电解射流加工的高定域性，同时高速的电解液流动能够及时带走电解产物和热量，补充加工区域的电解液，使加工持续稳定进行。 Hackert 等[2]用电解射流加工方法加工出了直径约为喷嘴内径2.2 倍、尺寸高度一致的阵列凹坑，通过控制喷嘴的运动方式得到不同形状、 深度、宽度的孔与沟槽，展现了电解射流加工在点蚀、切割、钻孔和铣削加工方面的可观能力。

电解射流加工中电流密度对加工精度和表面质量有重要影响[3]。 虽然电解射流加工已将电流密度约束至电解液束的尺寸范围内，但由于喷射排液的限制， 喷嘴出口与工件表面的距离不能过近；另外， 受限于电解液束的流场分布及较低的电导率，电解液束喷射至工件表面时的电流密度分布仍不够集中，降低了电解加工的定域性，导致加工出的微小特征存在较大的过切，且深度有限，影响深径比的提升，也会影响特征表面质量与边缘质量。

为进一步提高射流电解的定域性，研究人员采用拉制的毛细玻璃管作为喷嘴，采用几百甚至上千伏的加工电压进行电液束喷射加工[4-5]。 该方法在大深径比孔的高效加工方面具有较大优势，但较高的电压使两极之间出现辉光放电现象，产生放电蚀除和烧蚀，降低了加工质量，而且易损坏毛细喷嘴；另外，由于毛细玻璃管极易碰撞损坏，不容易控制其进行扫描铣削加工，同时过小的喷嘴内径易造成堵塞，对循环系统也有着苛刻的要求。Goel 等[6]采用轴向辅助吹压缩空气的方法，有效避免了喷嘴与工件之间由于液体表面张力作用造成的电解液包覆喷嘴现象，从而避免了加工电流密度的降低，进一步提高了电解射流加工的定域性。 Guo 等[7-8]提出一种电解液回流式电化学加工方法，能够可控地将电解液集中在电极下方的微小区域内，避免了电解液的飞溅，有效地集中了电流密度；但由于受重力和表面张力的限制，这种加工方法电解液的流速和电极进给速率都远低于电解射流加工方法。 为提高加工效率和表面质量，Liu 等[9]将电解射流加工与磨料射流加工结合， 在电解液中混入氧化铝磨料颗粒，实验结果表明，这种方法的加工效率更高且能够获得相比于单一电解射流加工更高的表面质量。

为实现特征尺寸小、表面质量高的慢波微结构的加工，需要将电解射流加工的电流密度调制在更加集中的范围内，本文提出一种电极丝前置电解射流加工技术，通过在电解液射流束的中部加入电极丝，使其伸出喷嘴出口并被高速电解液约束。 在阐述了加工原理的基础上，建立了电场模型对其电流密度分布和加工过程进行了仿真试验研究，并通过工艺实验验证了电极丝前置电解射流加工方法的可行性。

1 加工原理与仿真研究

1.1 加工原理

图1 是几种加工的原理示意，相比电解射流加工，电极丝前置电解射流加工在喷嘴中部加入电极丝，并从喷嘴出口悬伸出一定长度。 电解液从喷嘴喷出形成稳定的液束，包覆在电极丝周围约束住电极丝，工件接电源正极、电极丝接电源负极，通过控制喷嘴和电极丝靠近工件，实现对工件阳极的电解去除加工。 如图1c 所示，若在试验前对电极丝进行侧壁绝缘处理，即为侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工。

电极丝前置电解射流加工通过调整电极丝悬伸出喷嘴出口的长度，并且检测电极丝端面与工件之间的电信号， 以获得合适的极间距离和工作距离，避免短路发生。 如同电解射流加工，高速的电解液射流可迅速带走电解反应产物和热量，使极间能够及时充分地补充新鲜的电解液，保证电解加工的稳定。

1.2 仿真模型与结果

采用Comsol 软件对图1 中三种加工方式的电流密度分布及加工过程进行电场建模和仿真研究。电解射流加工采用的喷嘴为圆形出口，加工过程中液束和电极丝都可假定是轴对称，因此采用二维轴对称模型，且事先确定了射流束的流动形貌，并保持喷嘴与工件初始表面的相对位置不变，模型均采用自由三角形网格划分， 所得的电解射流加工、电极丝前置电解射流加工、侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工的模型与网格分别见图2～图4。 其中，区域Ⅰ均代表喷嘴，区域Ⅱ和Ⅲ均代表电解液，区域Ⅳ代表电极丝，区域Ⅴ代表绝缘层。

区域Ⅲ的电解液薄层是为了减少变形计算区域而设置的，其厚度为5 μm，对计算结果的影响可以忽略。 模型的喷嘴内径为500 μm，电极丝直径为100 μm，工作距离为 500 μm，极间距离为 60 μm，绝缘层厚度为10 μm，此外各区域材料属性见表1。

表1 材料属性

在Comsol 软件中选用“电流”模块进行电场计算， 由于实验时在电路中串接固定的电阻保护电源，并保持电源总电压不变，所以三种加工方式的两极电压不同， 通过测量三种加工方式的加工电流，计算出其两极之间的实际电压。 选用“变形几何”模块模拟工件表面的轮廓变化，根据法拉第定律，电解射流加工时工件表面的法向变形速度取决于其法向电流密度[10]，见下式：

式中：η 为电流效率；M 为工件材料的相对分子质量；zA为相对化合价；ρ 为材料密度；F 为法拉第常数为法向电流密度。

经过数值计算，获得了上述三种加工方法的初始电流密度分布和加工10 s 后工件轮廓的情况，分别见图 5～图7。

从仿真结果可看出，电解射流加工的电流密度在电解液束范围内呈现中心高边缘低的分布，但电流密度整体处于较低的水平，中心与边缘的差异较小；在加入电极丝后，由于电极丝的电导率较高，电极丝前置电解射流加工技术的电流密度整体处于较高水平， 且主要集中于中部电极丝所处的范围内，电解液束中心的电流密度明显高于边缘，电流密度的集中作用非常明显；进一步，对电极丝进行侧壁绝缘处理后，通过绝缘层阻断了电极丝侧面的电流，使侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工的电流密度主要集中于中部电极丝的端面，进一步约束了电流密度，使电解液束中心的电流密度达到更高水平，同时有力抑制电解液束边缘的电流密度，有效地将电流密度调制集中于电解液束的中心位置。

图8 是提取初始阶段工件表面的电流密度分布，可更加直观地看出在工件表面的电流密度分布情况。 可见，侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工方式的电解液束中心电流密度最大但在边缘的电流密度最小， 从中心到边缘的电流密度下降速度较快，反映为对工件材料去除的定域性更高。

2 实验装置与结果分析

2.1 实验装置与参数

图9 是实验搭建的平台， 由电解液储液槽、齿轮泵、压力传感器、三维位移平台、电极丝前置喷头、加工槽、直流稳压电源、电流表、时间继电器等部位组成。 工件由夹具固定于加工槽内，通过三维位移平台控制电极丝前置喷头移动靠近工件，并调整至所需的工作距离和极间距离；调整齿轮泵的转速达到合适的电解液压力，形成稳定的电解液射流束喷射至工件表面，电极丝前置喷头的电极丝接电源负极、工件接电源正极，实现对工件的稳定电解去除。

为了研究无电极丝、加入电极丝和加入侧壁绝缘电极丝后的加工效果，设置对比实验，电极丝前置电解射流加工技术采用直径100 μm 铜丝， 侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工采用直径100 μm 绝缘铜丝，其余实验参数见表2。

表2 实验参数

2.2 结果与分析

图10 为三种方法加工10 s 时凹坑的扫描电镜照片，可见，在加入电极丝和侧壁绝缘电极丝后凹坑的直径均略有增大。 对比左侧凹坑边缘和右侧凹坑中部的放大照片可见，在没有电极丝时，凹坑边缘的孔隙粗大，杂散腐蚀现象明显，凹坑中部表面粗糙，颗粒感明显；加入电极丝后，由于电流密度整体提升，凹坑边缘的电流密度少量提升、凹坑中部电流密度较大提升，凹坑边缘仍然存在较为明显的杂散腐蚀现象，表面孔隙粗大，凹坑中部的表面更为细致光滑；加入侧壁绝缘电极丝后，由于电流密度得到有效的集中调制，中部电流密度处于更高的水平，边缘的电流密度得到有效的抑制并处于较低水平，凹坑边缘孔隙变得细小，杂散腐蚀现象减弱，凹坑中部表面变得更加细致光滑。

图11 为三种方法加工10 s 时凹坑的轮廓对比情况，可见，没有电极丝时凹坑直径和深度最小，去除效率最低； 加入电极丝时凹坑直径和深度最大，去除效率最高；加入侧壁绝缘电极丝时，凹坑直径与没有电极丝时基本相同，凹坑深度略小于有电极丝时，去除效率介于两者之间，使仿真结果中加入侧壁绝缘电极丝时的凹坑深径比最大。 从实验结果可知，实验轮廓的深度与仿真轮廓的深度均良好吻合， 但实验轮廓的直径均大于仿真轮廓的直径，特别是加入侧壁绝缘电极丝的凹坑直径与仿真结果相差较大，这是由于仿真中采用的是固定射流束形状的模型，但在实际加工过程中，射流束冲击至凹坑时会发生溅射导致工件表面的流场发生变化，影响凹坑的轮廓[10]。另外，由于在实验中控制回路的总电压保持不变，随着加工的进行，凹坑深度增大，加工回路的电流会因为极间距离的增大而减小，限流电阻的分压逐渐降低， 两极之间的电压逐渐升高，而仿真中的电压选取的是在初始阶段计算得到的电压值，使仿真得到的凹坑轮廓尺寸均偏小。

图12 是三种方法实验加工10 s 时凹坑的深径比对比情况，可见，相对于没有电极丝时，加入电极丝后能明显提升加工凹坑的深径比，加入侧壁绝缘电极丝后凹坑的深径比有进一步提升。

3 结论

（1）相比于电解射流加工方法，电极丝前置电解射流加工技术和侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工方法可将电流密度调制集中于电解液束中心区域。 侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工使电流密度主要集中于侧壁绝缘电极丝的端面，进一步约束了电流密度，使电解液束中心的电流密度达到更高的水平， 同时抑制了电解液束边缘的电流密度，定域性明显提升。

（2）相比于电解射流加工方法，电极丝前置电解射流加工技术和侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工方法均能够增大凹坑的深径比，明显提升凹坑内的表面质量，并且有更高的加工效率。 其中，侧壁绝缘电极丝前置电解射流加工采用侧壁绝缘电极丝，能够有效减少边缘的杂散腐蚀现象，更大程度地提升凹坑的边缘质量。