采用自锐化三明治电极的沉孔式微细电火花加工深窄槽阵列

《Journal of Materials Research and Technology》：Die-sinking micro electrical discharge machining of deep narrow groove arrays using self-sharpening sandwich electrodes

　　

基于复合材料电极（CME）的沉孔式微细电火花加工（EDM）定理，本研究提出使用两片高损耗率电极箔夹持并贴合一片低损耗率电极箔，堆叠制备可重复使用的三明治电极，并将其用于EDM加工深窄槽阵列。加工过程中，外侧的两个子电极快速损耗，因此加工窄槽的宽度和深度由低损耗率的中间子电极决定。在加工深窄槽的同时，三明治电极的放电磨削自适应完成，避免极薄的低损耗率子电极暴露时间过长而导致不稳定甚至损坏。基于该原理，研究人员制备了由Cu箔和H62黄铜箔组成的三明治电极。以在高速钢工件上加工间距为300 μm的窄槽阵列为例，研究了EDM最优开路电压、脉冲频率和Cu箔子电极厚度。在此基础上，加工了深度超过2.1 mm、长径比大于13的深窄槽阵列。基于CME沉孔式微细EDM定理建立了三明治电极自锐化模型，通过仿真迭代研究了自锐化过程及窄槽顶部杯形结构向微结构快速收敛的过程。

现代工业领域中，关键零部件常需在表面布置热控结构等功能性微结构，封闭式阵列深窄槽即为典型代表。切削加工可高效地在非有色金属表面加工微槽，借助超声等能场辅助，亦可在难切削高硬度材料表面加工微槽，但受刀具直径和材料硬度限制，其长径比很小。激光加工不受工件材料硬度限制，可用于表面织构化加工及复杂截面形状微槽的加工，然而烧蚀和排屑等问题使其难以实现大长径比，表面质量较低。沉孔式微细电火花加工（EDM）是在高硬度导电零件表面加工封闭式深窄槽的重要技术手段。工业界通常采用粗加工的硬Cu或W薄板作为电极坯料，经电火花磨削制成薄壁电极，再对高硬度工件表面进行连续沉孔式微细EDM，从而形成深窄槽阵列。但由于连续加工，薄壁电极的加工磨损累积显著，因此薄壁电极需具备足够高度以补偿磨损，这对电火花磨削的控制提出了很高要求。电极工作部分越细越长，磨削尺寸控制越困难，且在后续连续加工深窄槽过程中易发生损坏。针对这一挑战，已有研究探索使用Cu箔电极对钛合金进行EDM加工。本研究提出了一种具有自锐化特性的新型三明治电极结构，该工具电极在原则上可具备无限长度，能够反复用于在不同零件上加工深窄槽阵列，并可承受长期加工磨损的累积。

三明治电极是采用层压微电极技术制备的复合材料电极（CME）。已有研究利用热扩散焊接构建含有喷制微孔和微槽的层压电极，用于EDM以有效去除加工产物、缩短加工时间；或采用堆叠Cu箔并结合逐层弯曲避让线切割（WEDM）与热扩散焊接工艺制备不同形状的三维层压微电极，用于高效EDM三维微结构，但加工时电极表面的Cu箔接缝对应放电痕会出现在工件表面，影响表面质量。后续研究采用Sn镀层Cu箔制备三维层压微电极，通过Cu和Sn元素的高温互扩散提高层压电极接头结合质量，消除接头处放电痕；或将Cu箔与Sn箔组合形成CuSn复合盘电极用于回转EDM，利用不同材料箔片的不同损耗率，使电极外缘逐渐磨损形成截面轮廓形状恒定的阵列微结构，并用于制备超长CuSn CME，其初始电极工作面仅需切割平整即可用于EDM加工微结构。在CME的EDM中，各子电极相互影响，导致高损耗子电极的实际加工损耗率常低于单独测试获得的速率。基于这些实验现象观察，推导出了CME沉孔式EDM定理，证明采用CME进行批量沉孔式EDM所加工的逐渐演化的微结构必将收敛为恒定形状。

先前研究中的CME由大量子电极组成，层压厚度显著，主要用于加工面积大、深度浅的复杂表面微结构。但用其加工形状简单但深度大的封闭式深窄槽则极为困难，原因在于加工产物难以排出，层压电极外侧加工磨损更大导致加工过程中微结构不一致，且进给深度越大，材料去除率越低，加工越困难。基于CME沉孔式微细EDM定理，本研究提出使用两片高损耗率电极箔夹持贴合一片低损耗率电极箔，制备简单的三明治CME，用于深窄槽的连续沉孔式微细EDM，同时自适应完成三明治电极的放电磨削，低损耗率子电极逐渐暴露，且仅磨削必要暴露长度，避免极薄的低损耗率子电极暴露过长导致不稳定或损坏。

本研究采用厚度为40 μm、60 μm、80 μm和100 μm的Cu箔以及厚度为50 μm的H62黄铜箔作为三明治电极的子电极原材料，采用厚度20 μm的双面导电胶带粘接原材料制作三明治电极，以W4Mo2Cr4VSi高速钢切削工具坯料作为工件。使用杭州华方数控机床股份有限公司生产的WEDM机床（型号：HF320MZ0-G19X）将电极坯料加工成三明治CME。实验系统包括中国普艾精密科技（常州）有限公司生产的三轴运动台（型号：M-L02，运动精度：±0.6 μm）和日本NF公司生产的双极性功率放大器（型号：HSA42052），与脉冲发生器等辅助设备集成，操作程序以C^#语言编写，其中通过USB连接的KeySight 34450A数字万用表读取极间电压信号，形成带有限流电阻20 Ω的闭环伺服控制微细EDM系统。采用中国德州鑫城特种油品有限公司生产的EDM油（型号：Dielectric 180）作为工作介质，应用简单喷液和周期性电极抬升运动。三明治电极首次对刀后，整个过程自动加工。每加工完一条封闭式窄槽，系统记录加工时间，控制电极移动至下一工位自动对刀，并计算上一轮加工中自磨暴露的Cu子电极磨损长度。所有轮次加工完成后，工艺数据存储于文件中供分析解读。使用上海力辰邦西仪器科技有限公司生产的电子分析天平（型号：LC-FA1004）称量加工前后工件重量，据此计算材料去除率。在相同工艺参数下重复加工三组样品取数据平均值并标注偏差。使用日本基恩士公司生产的超景深显微镜（型号：VHX-X1F）和美国赛默飞世尔科技公司生产的场发射扫描电子显微镜（型号：Apreo 2S HiVac）观察电极和工件。

研究人员制备了H70Cu40H70、H70Cu60H70、H70Cu80H70和H70Cu100H70四种三明治电极。为在尽可能小范围内加工尽可能多的窄槽，固定加工工位间距为300 μm。窄槽需容纳足够工作液故槽宽应充分，但槽间壁宽不宜过小否则易倾斜断裂。因此首要目标是使加工槽宽和壁宽尽可能接近，研究优化开路电压、脉冲频率和Cu子电极厚度，确保槽宽和壁宽偏离150 μm不大。进而考虑Cu子电极磨损、材料去除率等其他因素，最终采用优化工艺参数加工大深度窄槽阵列。深窄槽加工的关键问题之一是排屑，脉冲宽度和脉冲间隔设为相等，脉冲宽度增大则加工产物增多，脉冲间隔增大有利于极间消电离和排屑。

**开路电压的影响**。采用H70Cu80H70三明治电极研究开路电压对沉孔式微细EDM窄槽加工的影响。电极进给深度设为1 mm，脉冲频率10000 Hz，对应脉冲宽度和脉冲间隔均为50 μs。分别在80 V、100 V、120 V和140 V开路电压下连续加工10条间距300 μm的窄槽。当开路电压为80 V时，窄槽深度最大达924 μm，槽宽168 μm，壁宽132 μm，槽宽大于壁宽36 μm。80 V开路电压产生的放电能量最小，初始加工过程单边加工间隙过小导致排屑困难、加工时间长，逐渐增大加工间隙，最终实际单边加工间隙为44 μm，加工表面粗糙。第一轮加工中H70子电极与Cu80子电极经历相同加工时间，虽磨损显著但保留轻微加工能力，在窄槽顶部形成杯形浅坑；但两侧H70子电极磨损不一致，一侧杯形坑深199 μm偏大。第二轮后H70子电极仅参与加工最终阶段，顶部杯形迅速减小，杯高逐渐收敛至20 μm。Cu80子电极每轮平均长度磨损120 μm，自磨暴露长度920 μm，略短于槽深主要受杯形直接影响，加工间隙分为单边加工间隙和正面加工间隙也起重要作用。20 μm的极细杯形收敛高度主要由H子电极正面加工间隙贡献。材料去除率为0.117 mg/min。100 V时加工槽深略降至912 μm，槽宽和壁宽与80 V一致，表面质量显著改善，Cu80子电极每轮平均长度磨损增至132 μm，自磨暴露长度905 μm略减，材料去除率0.181 mg/min显著提升。120 V时槽深进一步降至889 μm，槽宽154 μm、壁宽146 μm，单边加工间隙37 μm，Cu80子电极每轮长度磨损继续增至148 μm，暴露长度873 μm，材料去除率0.193 mg/min进一步提高。140 V时加工槽深最浅为854 μm，槽宽175 μm、壁宽125 μm，单边加工间隙48 μm，Cu80子电极每轮长度磨损最大达194 μm，自磨暴露长度840 μm最小，材料去除率0.137 mg/min下降，归因于过高开路电压导致过量产物堆积严重阻碍去除。当开路电压为120 V时，加工槽宽和壁宽最接近，平均槽宽仅大于平均壁宽8 μm，且材料去除率最高，综合加工能力最佳，故适宜开路电压为120 V。

**脉冲频率的影响**。为研究脉冲频率影响，设定进给深度1 mm、开路电压120 V，分别在2500 Hz、5000 Hz、10000 Hz和20000 Hz脉冲频率下加工窄槽阵列。2500 Hz时对应脉宽和脉间均为200 μs，放电能量最高，加工槽深最大达977 μm，但槽宽206 μm、壁宽94 μm，壁宽过小导致槽间壁加工中倾斜甚至断裂，开口处单边加工间隙最大达63 μm；长脉宽加工时电极沉积的抗磨碳层最厚，Cu80子电极每轮平均长度磨损仅86 μm最小，自磨暴露长度949 μm最大，材料去除率0.295 mg/min最快。5000 Hz时脉宽和脉间均为100 μs，放电能量较低，加工槽深918 μm略浅，槽宽178 μm、壁宽122 μm，单边加工间隙49 μm，Cu80子电极每轮长度磨损131 μm，自磨暴露长度885 μm，材料去除率0.199 mg/min。20000 Hz时脉宽和脉间均为25 μs，放电能量最小，加工槽深815 μm、槽宽140 μm、壁宽160 μm，单边加工间隙仅30 μm最小；短脉宽25 μs下难以形成抗磨碳层，Cu80子电极每轮长度磨损215 μm最大，自磨暴露长度738 μm最小，材料去除率0.078 mg/min最慢。随脉冲频率增加放电能量减小，加工槽宽减小但壁宽增大，10000 Hz时槽宽和壁宽最接近。脉宽50 μs为临界点，小于50 μs时抗磨碳层难以形成导致Cu子电极磨损剧增、加工槽深显著下降。低频时放电能量高、材料去除率高，随频率增加材料去除率下降。10000 Hz时虽在槽深、Cu子电极长度磨损和材料去除率方面表现中等，但综合加工能力最佳，尤其槽宽和壁宽最接近，应优先采用。

**Cu子电极厚度的影响**。为研究Cu子电极厚度影响，设定进给深度1 mm、开路电压120 V、脉冲频率10000 Hz，分别采用H70Cu40H70、H70Cu60H70、H70Cu80H70和H70Cu100H70三明治电极加工窄槽阵列。H70Cu40H70加工槽深596 μm最浅，槽宽145 μm、壁宽155 μm，单边加工间隙50 μm但数据偏差范围大、尺寸不均匀，Cu40子电极每轮平均长度磨损454 μm极大，自磨暴露长度519 μm最短，材料去除率0.060 mg/min最慢且加工不稳定。H70Cu60H70加工槽深802 μm改善，槽宽143 μm、壁宽157 μm，单边加工间隙42 μm，数据偏差范围显著缩小、尺寸相对均匀，Cu60子电极每轮长度磨损240 μm显著降低，自磨暴露长度783 μm显著增长，材料去除率0.094 mg/min明显提升且加工稳定。H70Cu100H70加工槽深最大932 μm，槽宽和壁宽分别为183 μm和117 μm，单边加工间隙52 μs，Cu100子电极每轮长度磨损110 μm最小，自磨暴露长度919 μm最大，材料去除率0.252 mg/min最快。Cu80子电极适宜因加工槽宽和壁宽最接近；Cu子电极厚度大于80 μm导致槽宽过大，远小于80 μm则导致加工缓慢不稳定、尺寸不均匀且数据波动大。随Cu子电极厚度增加加工槽深逐渐增加，主要因Cu子电极厚度越大基于尺寸效应的长度磨损越小。Cu80子电极在槽深、长度磨损和材料去除率方面优于Cu40和Cu60，弱于Cu100，但加工槽宽和壁宽最接近，故应优先采用H70Cu80H70三明治电极。

**深窄槽的沉孔式微细EDM**。综合前述研究，槽宽控制至关重要，槽宽=2×单边加工间隙+Cu子电极厚度。单边加工间隙通常约30~60 μm，是决定槽宽的主要因素。负极性加工条件下，加工间隙主要取决于开路电压和脉冲频率，且不宜过小以免阻碍排屑降低材料去除率。减小Cu子电极厚度来减小槽宽的实用效果有限，且会显著增加Cu子电极长度磨损。最终确定采用H70Cu80H70三明治电极，开路电压120 V、脉冲频率10000 Hz作为负极性沉孔式微细EDM深窄槽阵列的工艺参数，工位间距300 μm，进给深度增至2.5 mm。加工槽深2155 μm，基于槽高度方向中间位置宽度计算长径比超过13。10轮加工后Cu80子电极自磨暴露长度2088 μm，保持良好直线状态。加工中需喷液以排出深窄槽内产物，Cu80子电极虽薄但暴露面积相对较大，喷液导致电极轻微振动，但有利于改善排屑且材料去除率未随加工深度增加而下降。杯形底部槽宽170 μm、壁宽130 μm，槽宽显著大于壁宽；中间壁宽度增加，底部因Cu80子电极前端长时间放电加工厚度磨损使槽宽甚至小于壁宽，故槽侧壁垂直。进给深度2.5 mm的Cu80子电极每轮平均长度磨损390 μm，磨损率接近进给深度1 mm的实例。第一轮顶部杯高85 μm，后续轮次杯形迅速减小收敛为微结构，第10轮杯高52 μm。

负极性加工沉积在电极上的碳层仍清晰可见，Cu80子电极侧面越靠近前端面位置，侧面放电时间越长、越易因磨损变薄，但同时沉积的保护性碳层作用日益显著，减小厚度磨损，从而加工出高直线度的深窄槽。自磨暴露的Cu80子电极长度磨损可通过连续自锐化补偿，该三明治电极还可重复用于其他工件上不同深度窄槽的批量加工。对自磨暴露的Cu80子电极侧面进行EDS线扫描，结果显示靠近H子电极端面处Cu组分高、表面C组分屏蔽能力弱，随距H子电极端面距离增加Cu组分逐渐降低后趋于稳定，表明表面C组分屏蔽能力增加，恰好补偿了随距H子电极端面距离增加放电时间增长导致的厚度磨损增大问题。

**自锐化仿真模型**。CME沉孔式微细EDM定理指出：当加工轮次n→∞时，所有子电极的长度磨损等于CME中磨损率最低的m子电极的长度磨损，基于m子电极的子电极长度差保持恒定。据此推导三明治电极自锐化的理论基础，基于第i轮加工结束时的主要几何参数建模。单边加工间隙和正面加工间隙相对于槽深和Cu子电极暴露长度均很小，为便于建模假设二者相等并忽略较小放电间隙。三明治电极由1个Cu子电极和2个H子电极组成，Cu子电极磨损率最低为m子电极，加工过程中需逐渐暴露即自锐化。D为三明治电极每轮整体进给深度，L_m⁽ⁱ⁾和L_H⁽ⁱ⁾为第i轮加工结束时m子电极和H子电极的长度，W_m⁽ⁱ⁾和W_H⁽ⁱ⁾为对应长度磨损。除第一轮外，仅m子电极参与整个进给深度D的加工，而H子电极包含空行程和加工两部分。Δ_i为第i轮加工后H子电极基于Cu子电极的长度差，亦为Cu子电极自锐化长度。在电极工作面上叠加加工间隙δ得到顶部带杯形的窄槽工件结构。观察各轮加工工件微结构截面可获得Δ_i，最终轮次Δ_n亦可直接观测。第i轮加工结束时的顶部杯形高度H_i=L_H⁽ⁱ⁾-L_m⁽ⁱ⁾+δ。观察前述窄槽加工各实例及相应自锐化电极可知，仅需有限加工轮次即可使Cu子电极自锐化长度Δ_i和顶部杯形高度H_i收敛至稳定尺寸。

按子电极磨损率定义，子电极j的磨损率λ_j即λ_j=W_j/D_j，为子电极j的长度磨损W_j与其加工进给深度D_j之比，子电极j为Cu或H。迭代时令ε=|λ_H⁽ⁱ⁾-λ_H^(i-1)|，当ε<ε₀时判定收敛。Cu子电极作为磨损率最低的m子电极参与每轮整个加工过程，加工系统自动获取每轮对刀时Cu子电极长度磨损。除第一轮外H子电极未参与整个加工过程，难以直接测量各轮长度变化，故需基于方程迭代计算，比较Δ_n计算值与观测值直至匹配，此时获得磨损率λ_H并确定H子电极收敛轮次n。

以深窄槽加工为仿真迭代计算实例，进给深度D=2.5 mm，初始电极长度L₀=14 mm，收敛判据ε₀=1 μm。基于实验数据，子电极磨损率λ_Cu=0.156，电极自锐化收敛长度2088 μm。仿真迭代结果显示，初始轮次Δ_i变化显著，随加工轮次增加变化逐渐减小最终收敛至Δ_∞。以λ_H=0.666试算，子电极收敛轮次n=6且Δ₆≈2088 μm，与观测数据匹配。Δ_i收敛意味着H_i同时收敛，计算得收敛顶部杯形高度H_∞≈61 μm，接近第10轮实测值。进一步试算表明，在λ_H=0.6~0.9范围内调整，对应Δ_∞变化范围很窄仅差数十微米，且均不超过六轮即收敛。这是由于高损耗率H子电极与m子电极配对，显著降低了Δ_∞等几何参数的敏感性。这也解释了尽管本研究不同实例工艺参数各异，最终收敛顶部杯形高度H_∞仍基本一致的原因。因此制备三明治电极时，需采用不同厚度H子电极以调节电极整体强度和柔性，虽会导致磨损率一定变化，但只要保持λ_H/λ_Cu值大于80%，对Cu子电极自磨和深窄槽加工的影响仍很小。

**结论**：（1）三明治电极可做得很长，中间低损耗率子电极由外侧两片相对较高损耗率子电极支撑保护，具备适当的综合结构强度和柔性。三明治电极在加工深窄槽的同时自适应完成放电磨削，逐渐暴露低损耗率子电极，且每轮仅磨削必要暴露长度，从而避免极薄的低损耗率子电极暴露过长导致不稳定或损坏。（2）为加工密集深窄槽阵列，加工工位间距设为300 μm，首要目标是使槽宽和壁宽尽可能接近。研究了开路电压、脉冲频率和Cu箔子电极厚度的影响，结果表明开路电压120 V、脉冲频率10000 Hz、负极性加工窄槽阵列时，H70Cu80H70三明治电极综合加工性能最优。采用上述工艺参数加工了深度大于2.1 mm、长径比大于13的密集深窄槽阵列。沉积在Cu箔子电极侧面的保护性碳组分导致屏蔽Cu子电极的能力发生变化，恰好补偿了随距H子电极端面距离增加放电时间增长导致的厚度磨损增大问题，使加工深窄槽的侧壁垂直且高度一致。（3）实验和仿真研究表明，高损耗率H子电极在初始加工轮次于窄槽顶部形成杯形，但随着加工轮次增加，杯形高度迅速减小并最终收敛为稳定微形状，对深窄槽结构形状影响轻微。制备三明治电极时，为调节电极结构强度和柔性，需在一定范围内采用不同厚度的H子电极，虽可能导致磨损率一定变化，但只要控制λ_H/λ_Cu值大于80%，对Cu子电极自锐化和深窄槽阵列加工的影响仍很小。