机械系赵永华课题组博士生詹顺达同学发表顶刊论文

2020-10-13

近日,南方科技大学机械与能源工程系赵永华助理教授研究团队在工程技术领域顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上发表最新研究成果,论文名为:Plasma-assisted electrochemical machining of microtools and microstructures。 本文提出了一种等离子体辅助电解加工微工具及微结构技术。机械系赵永华助理教授组2019级博士生詹顺达为文章第一作者,赵永华助理教授为文章通讯作者。

电解加工(Electrochemical machining, ECM)是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法,具有与工件材料硬度无关、无切削力、无残余应力以及无工具损耗等优点,是难加工金属材料精密微细加工的理想技术,已经广泛应用于航空工业、精密模具、生物医疗和微电子器件等领域。但是,电解加工存在两个主要问题,一是电解加工中的浓差极化会抑制电解加工效率,二是杂散电流的存在导致加工精度降低且影响非加工区的表面完整性。因此,如何提高电解加工中的传质作用以提高加工效率、约束电场以提高加工精度是目前电解加工亟需解决的技术难题。

课题组提出的等离子体辅助电解加工技术(Plasma-assisted electrochemical machining, PA-ECM)的工作原理是:在高加工电压下微棒电极表面诱导产生大量气泡,使电极界面电阻增大,从而使电化学反应焦耳热增大,进一步促使电极周围的电解液蒸发形成水蒸气膜。当电场强度达到阀值时形成等离子体击穿现象。等离子体激发产生的局部高温促进了电极周围的离子运动,使回路电流增大1.3倍;同时,在等离子体作用下电化学反应的活化能降低,使电化学反应更容易进行,从而提高了电解加工效率。

课题组对PA-ECM的微观加工过程进行了深入研究,分析气泡及等离子体对电解加工传质效应的影响。通过施加脉冲电压能在微棒电极表面诱导产生周期性变化的液体压力,从而强化电解加工中的传质效应以消除浓差极化。新鲜电解液在周期性压力作用下顺利更新到微棒电极周围,使活性离子重新参与电化学反应,从而保证电解加工高效进行。

在PA-ECM中,通过施加双极性脉冲电压,并对脉冲波形进行参数优化,最终成功在5 s内将初始直径为200μm的圆棒加工到直径仅18μm的微棒,总体长径比达到55:1,表面粗糙度仅46nm,并且微棒小径仅6μm。PA-ECM在微棒加工上的效率达到36.4μm/s,是目前调研到的所有加工技术中最高效的技术。

在PA-ECM中,通过控制等离子体包裹的工具电极的运动策略,能实现难加工材料表面任意微结构的钻削和铣削加工,并且具有高加工精度和表面光洁度的特点。其中,气泡和 等离子体能起到对工具电极进行表面绝缘的效果,从而约束电场分布及作用时间,提高电解加工定域性。另一方面,工具电极周围形成的周期性变化的液体压力能促进电解产物排出加工区,从而使加工表面变得光滑,实验结果表面PA-ECM加工的微结构表面粗糙度达到25nm以下。

此项研究提出的PA-ECM加工技术具有提高传统ECM加工性能的潜力。电解液等离子体不仅能够通过增加局部温度来提高电化学反应速率,同时也能通过提高传质效率来提高ECM加工效率。采用合适的工艺窗口,可以同时提高加工精度、效率和表面质量。新型的等离子体复合精密制造技术,在微细生物医疗器件高端制造领域具有广阔的市场前景,其相关应用正在进一步研究。