基于间隙阻抗的微细孔电解加工伺服控制

牛献礼，孔全存，刘桂礼，祝福莉

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，精密测量技术与仪器研究所，北京100192）

随着工业产品的尺寸向微小型化方向发展，作为实现零件尺寸微型化的关键技术——微细加工及相关领域的研究和应用越来越受到重视与关注，特别是在高端柴油发动机喷油嘴、化纤喷丝板、打印机喷墨头微喷孔、高精度光学模具等领域应用广泛[1-8]。同时，随着技术不断进步，对零部件加工的尺寸精度和表面质量提出了更高的要求，针对微小直径高深宽比的微细孔、槽、微三维结构生物模具的微细加工，是未来的重要研究方向。

在微细孔电解加工中，孔的加工精度取决于电解加工的工艺参数和对加工间隙的控制[9]，加工过程中间隙的变化直接影响孔的加工精度、加工效率及表面质量。在加工过程中对间隙进行检测与控制，对提高微细孔的加工质量与加工效率具有重要意义。

通常，微细电解加工间隙在几十微米以下，在如此小间隙内进行电解加工将造成换液困难、间隙难以检测控制，导致加工效率和加工精度降低。研究证明，采用高频脉冲电源可有效提高微细孔的加工定域性；高压中空冲液的方式可加速电解过程中加工产物的排出，使电解液更新及时；侧壁绝缘电极可排除侧壁对微细孔的加工，提高微细孔的加工质量。综合以上，在高频脉冲电源、高压中空冲液和侧壁绝缘电极的工艺方式下，如何提高加工间隙伺服控制系统的性能，是提高微细电解加工精度和加工效率的关键技术之一。

常用的伺服控制方法包括超声检测法、视觉测量法、平均电流、平均电压、峰值电压、双电层电容和模糊控制法。Hopenfeld等[10-11]提出的探针测量法、Clifton等[12]研究的超声 测 量装置、Alexandre等[13]设计的模糊逻辑控制算法伺服控制设备、康敏等[14]开发的基于机器视觉的测量方法、孔全存等[15]提出的基于双电层电容的微细电解加工间隙在线检测方法、史先传等[16]提出的低电压湿对刀法，都对微细孔电解加工的伺服控制提供了借鉴意义。

超声检测法和视觉测量法可实现有效的在线测量，但占用加工空间，且随着加工的进行，检测误差较大；平均电压法简单灵活，但随着脉冲频率增大误差也增大；峰值电压法信噪比高，但与间隙的线性度较差，不能代表间隙大小的变化特性；湿对刀法与双电层检测法检测误差小，但需停车对刀，影响加工效率；模糊逻辑控制算法复杂，运算量大。

电解加工过程是非机械接触加工，加工过程中的间隙变化规律对掌握电解加工工艺规律、保证加工过程的稳定从而控制加工精度有重要意义。针对高深宽比微细孔加工效率低的问题，本文提出基于间隙阻抗的微细孔电解加工伺服控制方法，通过开展100～200μm孔径、高深宽比的电解加工实验，验证伺服控制方法的可行性。

1 微细孔电解加工模型

1.1 工艺路线

在高深宽比的微细孔加工中，高频脉冲电源能有效提高加工精度、加工效率，从而保障加工工艺的稳定性。脉冲电源主要利用脉间去极化脉冲压力波效应，脉间去极化过程能增强电解液的非线性特征，提高加工定域性与表面质量；而脉冲压力波效应可改善间隙内的流场环境，改善加工进程，提高电解液的蚀除速率与工件质量[16]。

在微细孔加工过程中，由于加工孔径小，对工具电极也有一定的要求。采用非侧壁绝缘工艺电解加工时，阴极工具表面产生氢气，电极下端面和侧壁同时对金属工件进行加工，加工成形面和加工间隙内产生的电解产物较多，加工孔的锥度较大。而采用侧壁绝缘工艺制备的电极加工时，电极侧壁被绝缘层包围，屏蔽了侧壁电场，加工区域被约束到电极端面，生成的加工产物相对较少，且加工孔的锥度相对较小，孔型较为一致。

随着加工深度的增加，电化学反应持续进行，生成的产物逐渐增多，在微小间隙内开始累积，局部因产物无法排除而产生短路现象，影响加工精度且损坏电极。而在电解加工过程中采用中空电极工艺，电解液系统通过增压过程，经密封装置进入中空电极内部，电解液以每秒超十米的速度流入加工间隙内，带走间隙内的电解产物，更新加工区域内的电解液，降低区域温度场。因此，采用高压中空冲液方式对微小间隙内的流场动态环境有提升帮助，产物和电解液在高压动力带动下加速电解进程。

综上，在加工中采用侧壁绝缘电极、高压中空冲液和高频脉冲电源的工艺，高频脉冲电源提高加工定域性，侧壁绝缘电极约束加工区域，高压中空冲液保证产物排出顺畅，电解液更新及时。图1是本试验中微细孔电解加工示意，基于以上三种微细孔加工工艺，探索加工间隙的变化过程。

1.2 模型建立

针对具有高深宽比微三维结构的微细电解加工，加工间隙是影响加工效率与精度的核心因素，如何保证在加工过程中对间隙精准掌握和控制、达到稳定均匀的小间隙是加工的核心问题。因此，针对微细电解加工间隙检测的伺服控制方法，是提高加工效率与精度的未来研究方向之一。

设在初始间隙中的电解液流速为μ，阴极与工件之间的外加电压为U，工具阴极以速度Vc进给，此时工件表面的溶解速度va可表示为：

式中：η为电流效率；ω为电化学当量；κ为电解液的电导率；Δ为加工间隙。

图2是加工过程的间隙示意，在整个电解加工过程中，阴极表面形状、尺寸基本不变；加工面相对阴极间隙为Δ，初始间隙为Δ0，经过t时间后的间隙Δ可表达为：

由式（2）可得：

总之，语文教师应该站在儿童视角上，充分利用教材有效地对其进行阅读教学，还给学生自由阅读的权利，允许学生自主选择阅读的方向，鼓励学生按照自己的方法和兴趣去阅读，从而让阅读真正走入儿童的心灵，让他们体会到阅读的快乐。

其中：

图2 加工间隙示意图

将式（4）代入式（3）可得：

如前所述，令C=ηωκUR，则可得：

下加工间隙不随时间而发生变化，这时的加工间隙称为平衡间隙Δb，即：

当阴极与工件之间的间隙为Δ时，两电极间存在的电解液电阻R为：

式中：S为电极截面积。

2 微细孔电解加工实验

2.1 阻抗模型的优化

利用微细电解非侧壁绝缘中空电极，在脉冲电源的工艺条件下配合中空冲液方式，针对常用铁基材料304不锈钢，开展直径为100～200μm、深为500μm的高深宽比微细阵列孔电解加工实验，探究间隙阻抗与加工间隙之间的关系。

表1是实验采用的加工参数。为了降低流场、电极等因素对加工结果的影响，对加工过程及参数做归一化处理，具体约束如下：①在不同的进给速度下，采用相同的供液压力和冲液方式；②采用相同结构尺寸的微细中空非侧壁绝缘电极；③采用相同电参数、初始间隙。

表1 实验加工参数

分别记录在不同的进给速度下，在加工深度为100、200、300、400μm处的加工电压及加工电流数值各10组，取平均值绘制得图3、图4。

图3 加工电压随加工深度的变化

图4 加工电流随加工深度的变化

由图3可看出，在不同的加工速度下，电压随着深度的增加都出现逐渐变小的趋势，其中，在进给速度为5、7、9μm/s下，由于加工速度过小、加工间隙较大，导致电压变化不明显；由图4可看出，在不同的加工速度下，加工电流随着深度的增加都逐渐增大。在这个实验条件下，加工过程无回退，恒速最大进给速度为15μm/s。为了进一步提高加工效率，缩小孔径，进而研究间隙阻抗与加工间隙之间的关系，得到间隙阻抗与加工深度的关系见图5。可看出，在微细电解加工过程中，间隙阻抗随着加工深度的增加而逐渐变小，结合式（8）可知，随着加工的进行，加工间隙随之变小，间隙阻抗也不断变小。

图5 间隙阻抗随加工深度的变化

随着电解加工的进行，电极不断进给，间隙阻抗、加工间隙也不断发生变化。根据图5所示的加工数据，在保证产物顺畅排出、电解液及时更新的条件下，加工间隙越小，加工精度越高，取最大进给速度下阻抗R与加工深度h之间的关系：

将式（10）代入式（9）可得：

2.2 不同控制方法下的孔径比较

根据已优化的加工参数，采用电压8 V、脉宽和脉间均5μs、中空冲液压力0.8 MPa的条件，在不锈钢薄片上开展电解加工实验，得到不同控制方法加工后的孔径尺寸见图6。

图6 不同控制方法下的孔径大小

从图6可知，采用恒速进给方法、平均电压电流控制方法、基于间隙阻抗的控制方法加工出的最大和最小孔径分别为192.61、184.44、170.24μm和185.66、172.21、164.25μm，对比可知，基于间隙阻抗的控制方法加工出的孔径较小。

2.3 高深宽比阵列孔加工

根据优化的模型参数，在500μm厚的304钢片上开展高深宽比微细阵列孔电解加工实验，得到的正、反面孔形见图7。通过对比微细孔的孔径尺寸及加工时间，进一步验证其应用可行性。

图7 不同方法加工的微细阵列孔形

结果显示，恒速进给加工出的孔径较大，入口直径为194μm、出口直径为141μm，加工时间为34 s；采用平均电压电流法加工出的孔入口直径为182μm、出口直径为138μm，加工时间为25 s；基于间隙阻抗的控制方法加工的孔径最小，入口直径为173μm、出口直径为134μm，加工时间为20 s。综上所述，在相同加工参数下，采用基于间隙阻抗的控制方法加工所得孔的出、入口尺寸小，加工时间短，为最优选的加工方式。

3 结论

针对当前微细电解加工效率不高的现状，提出基于间隙阻抗的控制方法，在304不锈钢表面开展实验，得到以下结论：

（1）分别采用匀速进给、平均电流电压及基于间隙阻抗的模型控制方法开展验证实验，结果表明，基于间隙阻抗的模型控制方法加工时间短、加工效率高，所得孔的出、入口尺寸小。

（2）利用基于间隙阻抗间隙检测及伺服控制方法，在500μm厚的304不锈钢片上加工出了入口173.6μm、出口134.8μm的高深宽比微细阵列孔，其加工时间比恒速进给加工减少41%、比平均电压电流法加工减少20%，验证了该方法的可行性。