近年来, 微系统产品的需求与日俱增, 微系统产品的核心元件一般具有尺寸亚毫米级(数十到数百微米)的复杂形状微结构.目前主要利用具有微结构的模具实现微结构批量制备.微切削^[1]、微细电火花加工^[2]、微细电解加工^[3]、微细激光加工^[4]、聚焦离子束微细加工^[5-6]等制备的模具微结构表面质量将会影响后续成型微结构的质量和使用功能.为了提高金属模具微结构的表面质量, 可以通过后续的光整工艺^[7-8], 去除微结构成形过程中的表面缺陷, 提高微结构表面质量.针对微结构的光整加工技术, 国内外在工艺上取得了一定成果.

电流变液是一种由高介电常数的固体微粒(分散相)和绝缘性能良好的液体(连续相)组成的悬浮液, 它在电场作用下, 发生电流变效应, 表观黏度随着电场强度的增加而增加, 呈现明显的抗剪切屈服能力.利用电流变效应可以抛光微型非球面透镜及其成形模具、硅片、不锈钢等导体和非导体类工件等^[9-10].本文提出将超声振动与电流变效应复合, 利用电流变效应对磨料的聚集作用和超声振动引起的磨料冲蚀作用对金属模具微结构进行光整加工, 提高微结构表面质量.其基本原理是将微细磨料颗粒添加到电流变液中配成电流变抛光液.超声振动工具和具有微结构的金属模具分别作为电场的两极.施加电场作用后, 电流变抛光液产生电流变效应, 剪切屈服应力增加, 微细磨料颗粒在超声振动工具和微结构表面之间产生聚集, 形成一个柔性微型锉.超声振动工具沿微结构表面运动, 聚集的微细磨料颗粒在超声振动驱动下对微结构表面进行高频摩擦、撞击和冲蚀, 实现微结构表面抛光.

研制的超声电流变复合抛光加工系统如图 1所示, 该系统中超声振子的振动由超声波电源提供, 振动频率为20 kHz, 并可以进行小范围的适应性调节, 振幅为0~10 μm.超声振子工具安装在数控机床的z轴上, 工件通过夹具浸没固定在装有配置的电流变抛光液的液槽中, 液槽固定在提供x轴和y轴运动的机床工作台上.

图 1(Fig. 1)

图 1 抛光加工系统 Fig.1 Schematic diagram of the polishing system

为研究超声电流变复合加工工艺和方法, 试件采用铝合金6061, 配置的电流变液连续相为二甲基硅油, 常温下运动黏度为(100±20)mm²/s, 分散相为淀粉, 质量分数为20%.电流变液体中加入氧化铝磨粒配成电流变抛光液.在工具端部和工件之间施加电场, 电压为500~2 000 V.

工具作为电场的负极, 工件作为电场的正极, 在两者之间施加直流电压1 500 V后, 将工具升到超过液面的位置, 施加电压后电流变抛光液黏性增加, 在工具与工件之间产生了明显的电流变效应.

超声电流变复合抛光中, 影响抛光效果的因素很多, 主要有磨料粒度、电压U、振幅A、磨料质量分数η、抛光间隙、抛光时间t.为了验证各因素对抛光后表面粗糙度的影响, 选用7因素3水平的正交表L₁₈(3⁷)设计了正交试验, 通过正交试验将试验次数从7³=343次减少到18次.因素水平表如表 1所示.利用前述的试验装置共进行18次相关试验, 试验方案与结果如表 2所示.

表 1(Table 1)

表 1 各因素水平分布表 Table 1 Level distribution table of various factors 编号 A(粒度) B(电压) C(振幅) D(质量分数) E(间隙) F(时间) μm V μm % mm min 1 2 3 1 5 10 500 750 1 000 5 7.5 10 5 10 15 0.3 0.6 1 3 5 7

表 1 各因素水平分布表 Table 1 Level distribution table of various factors

表 2(Table 2)

表 2 试验方案与结果 Table 2 Test scheme and results 试验编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 1 5 5 5 10 10 10 1 1 1 5 5 5 10 10 10 500 750 1 000 500 750 1 000 500 750 1 000 500 750 1 000 500 750 1 000 500 750 1 000 5 7.5 10 5 7.5 10 7.5 10 5 10 5 7.5 7.5 10 5 10 5 705 5 10 15 10 15 5 5 10 15 15 5 10 15 5 10 10 15 5 0.3 0.6 1 0.6 1 0.3 1 0.3 0.6 0.6 1 0.3 0.3 1 1 0.3 0.6 3 5 7 7 3 5 5 7 3 5 7 3 7 3 5 3 5 7 0.108 2 0.074 5 0.034 6 0.122 3 0.138 1 0.099 7 0.128 2 0.064 7 0.109 7 0.110 2 0.158 5 0.092 3 0.080 8 0.075 3 0.092 4 0.138 2 0.103 5 0.108 3

表 2 试验方案与结果 Table 2 Test scheme and results

对试验结果进行处理分析, 各因素均值为k, 如表 3所示.从表 3可以得出各考察因素对超声电流变复合抛光后表面粗糙度的影响由大到小依次为振幅、电压、间隙、质量分数、时间、粒度, 最佳组合为C3B3E1D3F3A1.

表 3(Table 3)

表 3 试验结果分析 Table 3 Analysis of test results k A B C D E F k1 0.096 4 0.114 6 0.115 8 0.113 0 0.091 5 0.110 3 k2 0.101 4 0.102 4 0.103 7 0.097 4 0.100 0 0.101 4 k3 0.108 8 0.089 5 0.087 1 0.096 2 0.115 0 0.094 9 极差 0.012 4 0.025 1 0.028 6 0.016 9 0.023 5 0.015 5

表 3 试验结果分析 Table 3 Analysis of test results

通过改变粒度、电压、振幅、质量分数、间隙、时间等因素进行单因素试验, 考察各因素对抛光后表面粗糙度的影响规律.工件选用铝合金6061, 抛光前表面粗糙度R_a达到0.19 μm.配制的电流变抛光液中磨料为Al₂O₃.当某一因素改变时, 其他因素保持不变, 粒度为W₁(直径小于1 μm), 振幅为10 μm, 频率为20 kHz, 电压为1 000 V, 间隙为0.3 mm.采用不同质量分数磨料或粒度的电流变液进行试验, 试验结果如图 2~图 7所示.

图 2(Fig. 2)

图 2 表面粗糙度随磨料粒度的变化 Fig.2 Surface roughness changing with abrasive grain sizes

图 3(Fig. 3)

图 3 表面粗糙度随电压的变化 Fig.3 Surface roughness changing with voltages

图 4(Fig. 4)

图 4 表面粗糙度随振幅的变化 Fig.4 Surface roughness changing with amplitudes

图 5(Fig. 5)

图 5 表面粗糙度随磨料质量分数的变化 Fig.5 Surface roughness changing with abrasive mass fraction

图 6(Fig. 6)

图 6 表面粗糙度随抛光间隙的变化 Fig.6 Surface roughness changing with polishing gaps

图 7(Fig. 7)

图 7 表面粗糙度随时间的变化 Fig.7 Surface roughness changing with polishing time

采用三种质量分数磨料的电流变液进行试验.从图 2可以看出随着氧化铝磨料粒度的增加, 表面粗糙度增加.

如图 3所示, 随着电压的增加, 抛光液黏度变大, 电流变效应增强, 磨料聚集作用增加, 参与抛光的磨料数量增加, 表面粗糙度随着电压的增加而降低.而当电压继续增大时, 过强的电流变效应使电流变抛光液黏度增大, 影响了超声振动对磨料的驱动作用, 使抛光后表面粗糙度的降低效果减弱.

从图 4中可以看出, 随着振幅增加, 振动对磨料的驱散作用增加, 磨料对工件的冲击增强, 抛光后表面粗糙度降低明显.

如图 5所示, 在超声振动的频率和振幅不变的前提下, 磨料浓度增加, 超声振动对磨料的驱动作用减弱, 参与抛光的磨料对表面的去除作用减弱, 抛光后表面粗糙度降低程度有限, 表面粗糙度改善效果不明显.

从图 6中可以看出, 在抛光工具与工件之间施加一定条件下的电压, 两者的间隙越小, 电场强度越强, 电流变效应越强, 电流变效应对磨料的聚集作用越强, 参与抛光的磨料数量增加, 抛光后表面粗糙度降低明显.

如图 7所示, 在一定时间内随着抛光时间的增加, 抛光后表面粗糙度呈下降趋势.随着抛光时间的继续增加, 表面粗糙度没有明显的下降.因为达到了该种磨粒的抛光极限, 如果需要更好的抛光效果, 则需要更小粒度的磨料.

本文提出了利用电流变效应对磨料的聚集作用和超声振动引起的磨料冲蚀作用对金属模具微结构进行超声电流变复合抛光的新工艺.搭建了超声电流变复合抛光试验系统, 通过正交试验获得了对超声电流变复合抛光后表面粗糙度影响由大到小的工艺因素依次为振幅、电压、间隙、质量分数、时间和粒度.单因素试验结果表明, 磨料粒度越小、电压越高、振幅越大、抛光工具与工件的间隙越小、抛光时间越长、抛光后表面粗糙度越低, 抛光效果越明显.正交试验和单因素试验的结果验证了超声电流变复合抛光工艺可行性, 获得了抛光工艺规律, 为后续工艺优化和实际应用奠定了基础.