清華大學(xué)使用碳化硅和樹(shù)脂材料、韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)使用瓷釉，成功制備了可用于微細(xì)電解加工的側(cè)壁絕緣電極，初步的加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了側(cè)壁絕緣電極應(yīng)用于微細(xì)電解加工的可行性。關(guān)于側(cè)壁絕緣電極在微細(xì)尺度下提高微細(xì)電解加工的加工精度的工藝規(guī)律以及側(cè)壁絕緣膜的材料及制備方法可靠性等方面討論和研究還有待進(jìn)一步開(kāi)展。基于以上分析，為解決絕緣膜在微細(xì)電解加工中的應(yīng)用中的材料選取、制備工藝及加工穩(wěn)定性等問(wèn)題，本文在微細(xì)電解加工的電場(chǎng)和流場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，提出絕緣膜疏水性質(zhì)在微細(xì)電解加工中可以起到提高加工穩(wěn)定性和加工定域性的作用。并制備了基于硅膠疏水材料的側(cè)壁絕緣膜，進(jìn)行了微細(xì)電解掃描加工實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了疏水側(cè)壁絕緣膜在微細(xì)電解加工中在提高加工穩(wěn)定性和加工定域性方面的有效性。

絕緣膜對(duì)電解加工過(guò)程影響的理論分析

電解加工中工具電極和被加工工件是不接觸的，通過(guò)電場(chǎng)的作用，使得強(qiáng)極化區(qū)域的工件產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而被溶解加工，其核心的加工參數(shù)是加工間隙。加工間隙的大小、間隙內(nèi)電解液流動(dòng)等決定了電解加工的加工精度、加工效果和加工穩(wěn)定性。本節(jié)將分析了微尺度下側(cè)壁絕緣膜的應(yīng)用如何對(duì)加工域和加工間隙內(nèi)流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。

1.絕緣膜約束加工域的理論分析

根據(jù)電化學(xué)加工原理，工件上材料的蝕除加工，取決于材料所在位置電場(chǎng)強(qiáng)度大小，電場(chǎng)強(qiáng)度大于某一閾值，則材料在陰陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)中，將被蝕除加工。因此工件和工具之間相互作用而形成的電場(chǎng)分步就成為影響蝕除區(qū)域和非蝕除區(qū)域，也即加工精度邊界的主要因素。微細(xì)尺度下的加工原理也是一樣，而且有與加工間隙小，只有數(shù)微米，因此，電極的側(cè)壁是導(dǎo)致二次加工和雜散腐蝕的主要原因。而側(cè)壁絕緣電極的使用，如圖1所示（基于有限體積法的FLUENT軟件進(jìn)行電場(chǎng)仿真效果），電場(chǎng)分布將被約束電極和加工工件之間的電極端部附近，因此，可良好地消除電極側(cè)壁產(chǎn)生的雜散腐蝕。圖2所示的是側(cè)壁絕緣電極向下進(jìn)給加工時(shí)，側(cè)壁絕緣膜對(duì)加工電極的覆蓋程度對(duì)微細(xì)電解加工邊界的電場(chǎng)仿真圖。有圖可以看出，側(cè)壁絕緣膜的裸露長(zhǎng)度L越小，側(cè)面加工間隙越小，加工精度越高。說(shuō)明側(cè)壁絕緣膜對(duì)電極側(cè)壁的覆蓋程度對(duì)加工結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，側(cè)壁絕緣膜的完整性對(duì)于提高加工精度和加工穩(wěn)定性起著重要作用。

2.絕緣膜材料性質(zhì)對(duì)加工過(guò)程影響的流場(chǎng)分析

電解過(guò)程中，電極和加工工件不接觸，絕緣膜會(huì)受到電解液沖刷等因素影響而受到破壞，影響加工精度和加工穩(wěn)定性。微細(xì)尺度下，在數(shù)百微米的電極絲側(cè)壁形成數(shù)微米厚度、薄而均勻的膜的制備技術(shù)更加不完善。圖3(a)所示是在沒(méi)有電解液流動(dòng)的條件下，在絕緣電極和工件之間施加一定電壓產(chǎn)生電解反應(yīng)時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)情況，可以看出大量微細(xì)電解加工實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)厚度僅有約數(shù)微米的側(cè)壁絕緣膜更容易受到破壞，尤其是在側(cè)壁絕緣膜的前端與電極的結(jié)合處。分析其加工過(guò)程，電極的側(cè)壁絕緣膜遭到破壞的原因主要有二，一是電極與絕緣膜結(jié)合處受到電解液的流動(dòng)的沖擊；二是結(jié)合處受到氫氣泡引起的氣液兩相流動(dòng)的持續(xù)擾動(dòng)，如圖3(b)所示。由于電解液流速一般不快，產(chǎn)生的破壞擾動(dòng)有限，而電解反應(yīng)中會(huì)持續(xù)大量產(chǎn)生的氫氣泡。因此由氫氣泡所引起的氣液兩相流動(dòng)是引起側(cè)壁絕緣膜破壞的主要原因。微尺度下表面力起主導(dǎo)作用，與常規(guī)尺度加工相比，絕緣膜材料的親疏水性質(zhì)會(huì)對(duì)氫氣泡引起的氣液兩相流動(dòng)產(chǎn)生更大的影響。圖4所示的是二維情況下氫氣泡在兩種不同親疏水性質(zhì)的絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處的停留狀態(tài)。與如圖4（a）所示的親水高分子樹(shù)脂側(cè)壁絕緣膜處氫氣泡相比，由于受到疏水表面力的影響，如圖4（b）所示的疏水的絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處的氫氣泡具有更大的接觸角θ2，氫氣泡更貼近絕緣膜一側(cè)，從而使得氫氣泡更不易被電解液沖刷走。圖5所示的是氫氣泡在體積較大時(shí)，在靜液條件下，在疏水側(cè)壁絕緣膜與鎢絲電極的結(jié)合處，由于疏水絕緣膜表面和電極表面的親水角的不同，導(dǎo)致其向疏水膜一側(cè)運(yùn)動(dòng)，直至氣泡完全運(yùn)動(dòng)到疏水膜上方。

綜上所述，疏水側(cè)壁絕緣材料不僅可以改變附著于其上的氫氣泡的形狀，而且可以吸引體積較大的氣泡運(yùn)動(dòng)到其上。這種對(duì)氫氣泡的吸附效果在微細(xì)電解加工中不僅對(duì)絕緣膜與電極緊密結(jié)合起著保護(hù)作用，而其可以減小側(cè)壁加工間隙，加工域由d0減小到d，提高加工精度，如圖6所示。同時(shí)可以添補(bǔ)絕緣膜與電極前端結(jié)合處的機(jī)械缺陷，減小側(cè)面間隙內(nèi)電解液更新流動(dòng)的阻力，提高了加工穩(wěn)定性。

疏水絕緣膜的微細(xì)電解分層掃描加工實(shí)驗(yàn)

電場(chǎng)及流場(chǎng)仿真分析顯示，側(cè)壁絕緣膜在微細(xì)電解加工中能起到約束電解加工域的作用，并且疏水性質(zhì)的絕緣膜能吸附氣泡，改善加工精度以及加工間隙電解液的更新條件。為了驗(yàn)證電場(chǎng)分析及流場(chǎng)分析的正確性，選取了兩種典型的親水和疏水絕緣材料，高分子樹(shù)脂絕緣和704硅膠，制備了相應(yīng)的側(cè)壁絕緣電極。絕緣膜厚度約為5~20微米，取決于旋涂法制備參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)10[10]。并使用制備的電極進(jìn)行了相應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)。工具電極的側(cè)壁絕緣膜是利用一種旋轉(zhuǎn)涂膠的工藝方法制備的[4]；該方法原理是將液態(tài)絕緣材料滴于工具電極的表面，覆蓋電極端面和側(cè)面，然后使電極高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將多余的膠液甩離電極表面，從而在電極表面涂覆一層均勻的液膜，固化后，再經(jīng)過(guò)超細(xì)砂紙對(duì)端部打磨處理露出端部。制備的絕緣電極如圖7（a,b）所示。一般制備高分子樹(shù)脂絕緣膜需反復(fù)涂覆多次，以減少絕緣膜上的缺陷，固化時(shí)間較長(zhǎng)，制備效率較低，而制備704-硅膠絕緣膜只需涂覆一次即可。

1.親水絕緣膜與疏水絕緣膜的對(duì)比加工實(shí)驗(yàn)

分別使用親水性質(zhì)的高分子樹(shù)脂絕緣電極和疏水性質(zhì)的704硅膠側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行了方腔直角三角柱結(jié)構(gòu)的微細(xì)電解分層掃描加工實(shí)驗(yàn)，加工參數(shù)如表1所示。圖7（a）和圖7（b）分別顯示了加工前后側(cè)壁涂覆絕緣膜的工具電極的情況及加工的三角柱結(jié)構(gòu)。絕緣膜的完整性方面，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，親水性質(zhì)的高分子樹(shù)脂絕緣膜易受電解液侵蝕破壞，發(fā)生撕裂和吸漲現(xiàn)象，造成絕緣性能下降和過(guò)切加工現(xiàn)象。加工前后，704硅膠側(cè)壁絕緣膜則相對(duì)保存完整，無(wú)明顯吸漲和剝離現(xiàn)象。加工結(jié)果方面，使用高分子樹(shù)脂側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行分層銑削加工的三角柱邊緣與四邊形腔體邊界的距離為245μm，加工的三角柱結(jié)構(gòu)雖然表面邊界比較清晰，但是側(cè)壁的棱邊出現(xiàn)鋸齒狀，說(shuō)明加工間隙不均勻，說(shuō)明側(cè)面間隙在加工過(guò)程中隨著加工深度的增加出現(xiàn)變化。