电解机械复合铣削陶瓷机理及技术分析

王健

摘 要：本文以陶瓷的微铣削工艺为研究对象，将其与机械微加工和电解微加工相融合，以探讨其铣削工艺的工艺性能。本文主要建立了一个了电解机械复合铣削陶瓷试验平台。对电解机械复合铣削陶瓷进行了实验。对刀具电极加工深度、刀具电极转速、刀具电极直径等因素对铣削液流场及冲蚀性能的影响进行了分析。研究了不同铣削时间对铣削过程中的流场规律。研究结果表明刀具电极的直径对铣削间隙颗粒的流动具有显著的作用，刀具的旋转速度次之，铣削厚度为最低。加工厚度对空隙粒子的流动特性没有明显的影响。刀具的旋转速度在[15000rpm，20000 rpm]时，刀具的电极附近的有效粒子数量最多，粒子的冲蚀最大。

关键词：微铣削工艺；陶瓷；机械微加工；电解微加工

1 前言

由于工程陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、承载能力强的特性，所以在汽车、航空、机械、化工等方面有着广阔的发展前景。在现代工业发展的今天，微型零件已成为微流体、微反应器、机电系统以及医学应用领域中的一个主要角色。用陶瓷材料代替传统的金属材料，是今后的发展趋势。陶瓷因其坚硬易碎的特点，使其成为具有代表性但处理难度极高的工艺。目前，陶瓷生产的生产费用较高，生产效率较差，但是随着现代陶瓷制造技术的出现，使得陶瓷工业的技术水平得到了极大的提高，电解机械复合铣削陶瓷技术便是其中之一。为此，本文对其进行了深入研究。

2电解机械复合铣削工程陶瓷机理研究

电解机械复合加工工艺是一项特殊的工艺技术，其应用范围非常广，但其适用范围并不大。由于工程陶瓷的生产费用高，对工艺的精确度和安全性能的要求也很高，因此很难对其进行表面品质的控制。且由于其熔点较高，不管是电化学或机械化学方法，只要对其进行研磨，其脆性就会引起材料的相变、残余应变、崩边、裂纹等问题。采用电化学与机械化学方法相结合，可以很好地处理某些问题。目前，对玻璃的铣削性实验的研究比较多，而对工程陶瓷的铣削性加工则相对较少见，而目前国外的主要工作是对工程陶瓷磨削、钻孔和切割。基于此，本文章重点阐述了电解机械复合铣削工程陶瓷的机理。

2.1电解机械复合加工原理

电解-机械复合工艺是将电解与机械相结合的有机组合，包括电解反应，气泡破裂释放能量及机械处理。其工作机理是：以刀具电极为阴极，并与供电端的负极相连；副极用作阳极，并与供电端的正极相连。在此过程中，副电极与工件会被浸泡在电解质中。工具电极，工作液，辅助电极形成循环。在连接上电后，两个极发生了化学反应，电解质会生成大量的气泡，这些气泡会在刀具上转动，然后通过离心的力量附着在刀具上，从而释放出巨大的电能。当电压升高时，气泡不断增多，从刀具的下端向溶液的表层移动。随着气泡数量的增加，电解过程中的电解过程会变得更加激烈，而电解过程中的反应会产生较高的热，从而加速了电解质和工件的电解过程。由于被电解加工的工件的表面会产生其它的杂质，从而使工件的表面的硬度下降。在刀具的快速铣削下，刀具的铣削过程中，铣削出硬度下降零件的表面。见图1。

2.2 电解机械复合铣削陶瓷原理

常规的陶瓷加工用普通工具难以完成，主要通过两种方式改善。第一种方法是一般的陶瓷必须进行特别的加工以确保其足够的硬度。通过对材料组成的变化及对其进行调控，确保常规工具能够对其进行铣削。例如玻璃陶瓷，复合陶瓷，多相陶瓷，氟金云母构造陶瓷，但其价格很高。第二种方法是用高强度的自定义工具对陶瓷进行处理。通常用于定制化的工具有 FIB和 WEDG两种。普通的高速钢、合金材料在处理陶瓷时容易发生断裂、陶瓷破碎。

一般工具难以对陶瓷进行铣削，可以通过电解来辅助一般的工具进行铣削。利用氢氧化钠电解质对陶瓷进行了辅助处理。在没有电源的情况下，氢氧化钠溶液与陶瓷的表面发生了很小的化学反应。用微型钻机加工是很困难的。在装置上电时，电解质中的氢氧化溶液会产生较高的温度，从而加速氢氧化氢钠与氧化铝之间的化学反应，从而产生一个偏铝酸钠区。

电解机械复合铣削工程陶瓷原理：工具电极与供电装置的阴极相连；采用石墨作副电极，并将副电极与供电端的正极相连。石墨的尺寸是140mm×140mm×30mm，放置于水池的上方。在 NaOH电解质溶液的作用下，副电极与工件都浸泡在水中。工具电极，工作液，辅助电极形成循环。打开电源后，刀具的电极附近会出现大量的气泡，从而引发电解质的化学反应，在刀具的四周聚集，在刀具的四周形成一个气罩，气罩会破碎，从而使电解质的高温释放出来，最终由刀具的高速銑削加工而成。

工具电极发生化学反应：

得到电子

2H++2e-----→（溢出氢气）

得到电子

2H2O+2e-----→2（OH）-+H2

陶瓷表面发生的化学反应：

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O

在工程陶瓷的铣削加工中，通过压力释放能量，气泡破裂释放能量，工具电极来回的机械移动来实现。其次，高压放电温度范围能加速陶瓷零件的表面与 NaOH的电解作用，从而使加工过程中的机械加工同步进行，从而避免了高速铣削时的直接变形和破碎。

在铣削工程陶瓷中，必须采取逐级分段铣削工艺，以免刀具电极附近的陶瓷表面产生较大的氧化还原区，使刀具的刀具极易断裂，或使其产生裂纹。

3工具电极铣削仿真

3.1 几何模型建立

通过分析刀具电极在铣削加工中的作用，探讨刀具电极在铣削加工中的流动特性。假定刀具用刀具铣出一条长x宽 xx高的狭缝：1.4mm×0.4mm×2mm。利用 Fluent中的动态网格法建立了一个铣加工原理和一个3D建模图。刀具电极与工件下表面之间的间隔为25um，左侧的缝隙为50um，刀具电极由左侧至右侧以固定的转速进行铣削，大约5s左右即可结束铣削。

3.2 边界设置

通过 CATIA软件实现了模拟模型的3D建模，并将其引入到 workbench中进行网格生成。具体过程如下：

（1）利用 CATIA建立一个3D建模系统，根据所述建立工件区域、工作液区域和工具电极区域。

（2）向 workbench内的 Geometry中引入3D建模，并集成了该模型块。

（3）在 Geometry中引入集成后的建模，分割了工作液体的工作液体区，将刀具和刀具的上表面分为固体区：将工件处理的内部和磨削水池的上部水面区域作为固定的墙壁，以转动的刀具电极作为轴线。刀具电极提升区的一端作为压力进口，而刀具电极提升刀区的另外一端作为提升刀具的出口。

（4）在 ICEM CFD中引入集成的建模，通过Tetra-/Mixed的方式分割了3D建模，并对其进行了分类，并对其进行了分类，并对其进行了分类。

（5）在 Fluid中引入资料，利用动态网格建模进行暂态模拟。主轴的移动定义在沿铣削沟x方向移动的过程中，其运动的形式由 UDF输出至 Fluent解算子。在 Viscous Laminar中选取k-epsilon模型，设置 Material，在 Fluent数据库中选取water-liquid、在单元 zone conditions中选取water-liquid、设置 Boundary conditions的边界设置。

（6）在用户定义中开启 function，添加了先前在 Visual Stdio 2017中所写的软件，构建器。

3.3 结果分析

刀具的加工速度为1um/s、1.5um/s、2um/s、2.5um/s。刀具用的是0.3um的直径和1.5um的刀具用的电极。用 fluent模拟，重复次数：10，000次。截面积 y=0 mm，并且流速曲线如下：

从图2可以看出：刀具的转动电极沿 z方向钻孔，并从右侧起铣削。铣削速率的变化对铣削流场的作用是不相同的。刀具的旋转速度是不变的，刀具的刀片以特定的研磨速率从左侧铣入刀具的右侧，在刀具的四周形成一个由左至右的旋转速度。刀具的旋转速度在[15000 rpm，20000 rpm]时，刀具的电极附近的有效粒子数量最多，粒子的侵蚀最大。在电极铣刀的铣削空腔流动过程中，如果不考虑铣削时的轴向作用力，则铣削过程中的流动速率较大，可以有效地清除铣削过程中的冲刷粒子，使铣削间隙的电解溶液得到及时的补充，从而改善加工后的工件的表面品质和工作性能。并对陶瓷的温度场进行了模拟。

4 电解机械复合铣削工程陶瓷试验

4.1 设备介绍

实验台包括：计算机，示波器，高速摄像机，运动台，加工槽，工件，高频脉冲直流电源，1欧姆电阻，示波器，电主轴，运动控制器，工作液体，变频器，等等。在图3中显示了测试平台和实际搭建的平台。

4.2试验内容

选择脉冲电压、刀具电极横向进给速度、刀具电极旋转速度、氧化钠溶液的含量等。本文采用四种不同的实验方法，探讨了影响陶瓷表面处理品质及沟槽宽度的主要因素，以求最佳工艺条件。

实验步骤：用压克力平板将陶瓷薄片与金属槽中的石墨相连接，在该金属薄片与电解溶液的表面相隔3～4um，刀具電极位于一个静止的地方，然后用磨床加工成一个狭长的凹口：0.7mm×1.4mm×0.3mm。采用四种不同的实验方法。

用M4螺钉将水池钉在了水池上，然后开始切割刀具。手工慢慢地将刀具电极与瓷板表面进行触摸，不要用力太大，以免造成瓷板破裂。开启动作控制器，利用软件对电动主轴进行25um的上下移动，起到缓冲的作用。开启高压脉冲直流功率开关，对其进行研磨。

从上述的微沟槽曲线可以看出，在加工的微槽附近有一个显著的在电解过程中，刀具四周的气泡会发生破碎，而在此过程中所形成的温度会对工件表面造成很大的影响。研磨后的陶瓷薄板周围存在着被加热过的高温氧化现象，在这些金属之间有大量的磨蚀的黑色微粒。整体加工的微沟处为中等深度。四面都是低矮的。经处理后的表层有浅黄色和黑色。对一系列的试件进行处理，不仅增加了陶瓷的研磨困难，而且还使陶瓷材料易于受到电轴的机械力而粉碎。

采用三维光学阶梯剖面扫描系统对四个实验数据进行了测试，并在实验过程中对铣削后的凹槽宽度和表面粗糙程度进行了测试。在此基础上，采用PS50型三维曲面形貌机对沟道进行了测量。

4.3脉冲电压对结果影响

脉冲电流对气泡的生成起重要作用。在电解温度下，脉冲电压起到了很大的促进作用。实验中，通过实验测量了不同的实验条件：1um/s的刀具电极、25um的刀具电极、25um的刀具、20 kHz的工作电流、20 kHz的电源电压、100 kHz的工作电流、0.01 mol/L的电解质溶液、1微米/秒的刀具电极的转速、25微米的处理间隔、20 kHz的供电电压和100%的工作循环。

参考文献

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