阴极振动进给电化学微加工技术的振动分析与实验研究

本研究由燕山大学机械工程学院的Pan Yue和Xu Lizhong（通讯作者）合作完成，研究论文题为“Vibration analysis and experiments on electrochemical micro-machining using cathode vibration feed system”，发表于2015年1月的《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing》第16卷第1期，页码为143-149。

一、 研究背景与目的

本研究的科学领域属于精密制造技术中的电化学微加工（Electrochemical Micro-Machining, EMM）。作为一种基于电化学溶解原理的工艺，电化学微加工具有无切削力、无工具磨损、不受材料硬度或热处理状态影响等显著优点，已成为微机电系统（MEMS）中微器件制造的主要方法之一。然而，传统的直流（DC）电源电化学加工存在加工稳定性差、加工精度低的问题。为了解决这一问题，采用脉冲电源，特别是高频脉冲电源，能够通过实现瞬时加工条件和去极化（depolarization）来显著减小加工间隙，从而提高加工精度。当使用纳秒级脉冲电压时，结合低浓度电解液和实时短路检测程序控制技术，甚至可以达成微米量级的加工精度。但高性能高频脉冲电源的成本高昂，制约了该技术的经济性与推广。

基于此背景，本研究旨在避免使用昂贵的高频脉冲电源，提出并研究一种创新的电化学微加工方法：阴极振动进给电化学微加工。其核心思想是利用压电陶瓷驱动阴极（工具电极）进行周期性振动，以期达到与高频脉冲电源加工相媲美的加工精度。具体研究目标包括：1）提出阴极振动进给电化学微加工方法；2）设计并制造相应的加工系统；3）建立振动激励机构的动力学模型并分析其振动特性；4）通过微加工实验，验证该方法的可行性与有效性，并与传统直流和脉冲电源加工方法进行对比。

二、 详细研究流程

本研究主要包含三个相互关联的核心部分：系统开发、动力学建模分析与微加工实验验证。

第一流程：阴极振动进给电化学微加工系统的设计与开发。 研究团队开发了一套完整的阴极振动进给电化学微加工系统。该系统主要由三部分构成：机床主体、控制系统和工具电极振动激励部件。 * 机床主体：采用龙门框架结构，基座使用大理石以吸收振动和抗腐蚀。电解槽由有机玻璃制成，具有良好的机械强度、耐腐蚀性和绝缘性能。 * 控制系统：负责宏观和微观运动的控制。宏观的Z轴进给由步进电机驱动滚珠丝杠实现，最小进给分辨率为0.1 µm。微观运动由三轴压电陶瓷驱动器控制，最小分辨率高达0.6 nm。控制核心采用智能运动控制卡PCI-1243U，结合Visual Basic编写的控制程序，实现运动控制、数据采集和加工过程管理。特别集成了短路监测系统，使用数据采集卡实时采集加工电压（采样率100 kHz），当电压低于短路阈值时，程序控制工具电极快速回退5 µm，并通过调整进给速度来减少短路次数，保障加工精度和过程稳定性。 * 振动激励部件：这是本研究的创新核心。该部件利用压电陶瓷片（piezoelectric ceramic piece）的逆压电效应驱动工具电极进行往复振动。具体结构是将四片压电双晶片（piezoelectric ceramic bimorphs）对称地固定在一块金属弹性梁的两侧。当施加交变电压时，压电双晶片交替伸缩，带动金属梁上下弯曲，从而放大位移，使安装在梁中点的工具电极产生垂直方向的周期性振动。该部件结构简单，制造成本相对较低。

第二流程：振动激励机构的动力学建模与特性分析。 为了确保振动模式有利于加工精度（避免有害的横向振动），并确定最优的激励参数，本研究对振动激励机构进行了详细的动力学分析。 * 模型建立：将振动梁简化为两端固定的简支梁，将工具电极及其支撑部分简化为集中在梁中点的质量块（质量m）。建立了基于欧拉-伯努利梁理论的无阻尼自由振动方程。 * 动力学方程求解：通过分离变量法求解振动方程，得到了系统的模态函数（mode function）和特征频率方程。分析考虑了梁振动模式相对于中点的对称和反对称两种情况。 * 边界条件与连续性条件应用：在梁的固定端施加位移和转角为零的边界条件；在梁的中点（集中质量处），施加剪力等于集中质量惯性力的连续性条件，从而求解出系统的固有频率和振型。 * 数值计算与结果：根据振动梁（材料为65Mn）的具体几何与材料参数（长108 mm，宽10 mm，厚0.5 mm，弹性模量210 GPa，密度7850 kg/m³，集中质量90 g），计算了机构的前四阶固有频率。计算结果表明，对称振型的基频（第一阶对称频率）为423 Hz，而反对称振型的频率较高（如第一阶反对称频率为2527 Hz）。分析指出，当模态函数为偶函数时，左右梁的振动模式相对于中点对称，此时工具电极仅做上下垂直振动，这种模式最适合阴极振动进给加工。其中，一阶对称模式（423 Hz）下电极的振动幅度最大，随着模态阶数增加，电极振幅显著减小。

第三流程：微加工实验验证与对比分析。 研究进行了系列实验，以验证阴极振动进给方法的加工效果。 * 工具电极制备：采用电化学腐蚀法加工钨丝电极。初始直径为0.1 mm的钨丝接电源正极，不锈钢电解槽接负极，在2 mol/L的NaOH电解液中，施加5 mA电流，经过3-5分钟将电极直径加工至约30 µm。 * 对比实验设计：在厚度为0.2 mm的钢板上进行微孔加工实验，电解液为6%的NaNO₃溶液。 1. 直流电源加工（基准）：使用3.5 V直流电压，初始间隙10 µm，阴极进给速度0.15 µm/s。通过VB程序自动计算加工深度，约45分钟完成打孔。测量五次实验微孔的平均直径，入口侧（front side）为151.86 µm，出口侧（back side）为146.90 µm。 2. 脉冲电源加工（对照）：使用4 V脉冲电压（脉冲宽度5 µs，占空比0.5），阴极进给速度降至0.1 µm/s，其他参数同直流实验。加工耗时约60分钟，五次实验平均孔径为：入口侧113.16 µm，出口侧105.53 µm。加工精度相比直流加工有明显提升。 3. 阴极振动进给加工（实验方法）：使用3.5 V直流电压，但工具电极以125 Hz频率、5 µm振幅进行振动。初始间隙设为13 µm，以确保振幅（5 µm）小于初始间隙的一半，避免碰撞。有效加工时间占总周期时间的比例约为25.4%。阴极进给速度为0.1 µm/s。加工完成后，五次实验平均孔径为：入口侧97.98 µm，出口侧92.45 µm。 * 振动参数确定：基于动力学分析，选择在第一阶对称模态频率（423 Hz）附近进行激励。通过振动测量仪实际测量发现，在激励电压150 V时，激励频率为125 Hz时电极振幅为5 µm，符合实验要求（小于初始间隙一半），因此选定125 Hz作为实验激励频率。研究还提供了激励电压150 V时，不同激励频率下电极振幅的详细测量数据表，显示了振幅随频率变化的规律，并在接近固有频率423 Hz时振幅出现峰值（13.6 µm）。

三、 主要研究结果

1. 系统开发成功：成功设计并制造了集成了压电陶瓷驱动振动激励机构、高精度运动控制和短路监测功能的阴极振动进给电化学微加工系统原型机。该系统能够实现工具电极在宏观进给的同时进行可控的微观振动。
2. 动力学特性明晰：通过理论建模与计算，明确了振动激励机构的振动模式与固有频率。关键结论是，对称振动模式（尤其是基频为423 Hz的一阶对称模式）能产生理想的、垂直于工件表面的工具电极振动，这是实现高精度加工的前提。研究提供了前四阶对称和反对称模式的具体频率值和振型图。
3. 加工精度显著提升：微孔加工实验数据是核心结果。直接对比三种方法的平均孔径（入口侧）：
   • 直流电源：~151.86 µm
   • 脉冲电源（5 µs脉宽）：~113.16 µm
   • 阴极振动进给（直流电压+125Hz振动）：~97.98 µm 结果表明，阴极振动进给加工的孔径最小，精度最高，甚至略优于所使用的特定参数的脉冲电源加工结果。论文分析认为，这可能是由于阴极振动促进了电解液的更新流动，效果优于所使用的脉冲电源条件。
4. 加工质量改善：从实验结果图（Figure 9）可以看出，阴极振动进给和脉冲电源加工的微孔尺寸相近，且都远小于直流电源加工的微孔。采用阴极振动进给技术加工的微孔侧壁垂直度更好。
5. 机理阐释：研究结合动力学分析和实验结果，阐释了阴极振动提高精度的机理：a) 阴极的往复振动实现了周期性的间歇加工，模拟了脉冲加工的“瞬时”条件，有助于实现去极化；b) 振动产生的冲击效应和空化现象（vacuum cavitations）能够周期性地去除电解产物，更新电极表面的电解液，减小浓差极化。这两个作用共同使得加工间隙得以显著减小，从而提高了定域性和复制精度。

四、 结论与研究价值

本研究得出结论：所提出的阴极振动进给电化学微加工方法是一种有效的技术方案。它能够在仅使用常规直流电源的条件下，获得接近（甚至在某些条件下略优于）高频脉冲电源电化学微加工的精度。该方法避免了昂贵的高频脉冲电源的使用，简化了系统，降低了成本。

其科学价值在于：创新性地将机械振动引入电化学加工过程，通过主动的、可控的电极运动来调控电化学反应的时空条件，为改善电化学微加工定域性提供了一条新的技术路径。它深化了对振动与电化学过程耦合机理的理解。

其应用价值显著：为微细孔、微三维结构等精密零件的加工提供了一种成本更低、系统相对简单的替代方案，对于推广电化学微加工技术在MEMS、医疗器械、精密模具等领域的应用具有积极意义。

五、 研究亮点

1. 方法创新性：首次系统性地提出并验证了“利用阴极振动替代高频脉冲以实现高精度电化学微加工”的核心思想，具有原理上的创新性。
2. 系统集成度高：研究不仅提出了方法，还成功开发了包含专用振动激励机构、高精度运动平台和智能控制系统的完整实验装置，体现了较强的工程实现能力。
3. 理论与实验紧密结合：研究流程逻辑清晰，从动力学建模分析入手指导振动参数设计，再用实验验证加工效果，形成了“理论指导-系统实现-实验验证”的完整研究闭环。
4. 对比实验充分：设置了直流电源、脉冲电源和阴极振动三种加工条件的对比实验，数据详实，结论说服力强，清晰地展示了新方法的性能优势。
5. 成本优势明确：全文贯穿了“在不使用昂贵高频脉冲电源的前提下提高精度”这一目标，最终结论也明确指出了该方法在成本和精度上的平衡优势，针对性强。

六、 其他有价值内容

研究中关于短路检测与自适应控制策略的介绍，虽然是为本系统服务的，但其思路（实时电压监测、短路快速回退、进给速度调整）对于提高任何电化学微加工过程的稳定性和可靠性具有通用参考价值。此外，论文中提供的关于压电振动激励机构振幅与频率关系的实验数据表（Table 3），对于其他涉及类似压电驱动设计的研究也具有参考意义。