微細(xì)射流電解加工微坑的形成過(guò)程試驗(yàn)

伍朝志，曲寧松，溫帆帆

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210016 ）

微細(xì)加工技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心[1-2]。微細(xì)射流電解加工是利用微細(xì)中空管電極噴射電解液束，并基于電化學(xué)原理對(duì)工件加工區(qū)域進(jìn)行選擇性微量蝕除的一種微細(xì)加工方法[3-4]，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)蝕、切割、鉆孔及復(fù)雜銑削等方式的加工[5]，最終制得具有不同滑移附著力的疏水微槽與微坑等高質(zhì)量微結(jié)構(gòu)[6-8]。 眾多學(xué)者對(duì)微細(xì)射流電解加工展開(kāi)了深入研究， Ippolito 等[3]觀察流速1.5~13.5 m/s的電解液沖向工件陽(yáng)極后，反流先以薄膜的形式沿徑向擴(kuò)散，后在遠(yuǎn)離射流中心處形成水躍。

射流反流形態(tài)對(duì)于微結(jié)構(gòu)的尺寸及形貌具有重要影響[9-10]。 Hackert 等[11]基于氣液兩相流仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)射流反流的二次接觸可使加工入口產(chǎn)生明顯倒角，邊緣銳度與形貌精度下降。 曲寧松等[12]將反射電解液控制在與電極進(jìn)給方向的相同一側(cè)，提高了微槽邊緣銳度、尺寸精度與型面質(zhì)量。 還有研究表明，電解液射流速度對(duì)于微結(jié)構(gòu)的幾何形貌無(wú)明顯影響，但當(dāng)射流速度較低時(shí)，雜散射流的存在會(huì)明顯限制加工精度與加工深度[13]。

電流密度及其分布情況亦在很大程度上影響著加工精度與效率。 Yoneda 等[14]發(fā)現(xiàn)微細(xì)流束周圍的電解液薄膜可限制電流分布的發(fā)散，從而將電流密度分布集中于射流中心區(qū)域。 郭程等[15]利用虹吸效應(yīng)將射流反流限在微細(xì)管電極下方一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，電流密度集中程度提高。趙永華等[16]在自由曲面的加工研究中發(fā)現(xiàn)，曲率半徑越小，電流密度分布越集中，加工深度越大，材料去除率和加工精度越高。 進(jìn)一步的研究表明，相較于低密度電流，高電流密度可形成更優(yōu)的加工表面質(zhì)量[17]。

可見(jiàn)，眾多學(xué)者在材料去除原理、加工精度及加工效率等方面開(kāi)展了大量研究工作，并取得了很好的成果；然而，射流電解加工所制微結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)是微坑，其形成過(guò)程鮮有研究提及。 本文通過(guò)仿真預(yù)測(cè)和微細(xì)射流電解加工試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，探索微坑由產(chǎn)生、發(fā)展變化到制備完成的完整過(guò)程。

1 試驗(yàn)方法

圖1 是利用內(nèi)徑50 μm 的微細(xì)管電極，開(kāi)展微細(xì)射流電解加工的試驗(yàn)平臺(tái)，其組成主要包括精密微納三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、直流電源、低流量高壓水泵系統(tǒng)、五級(jí)過(guò)濾系統(tǒng)、時(shí)間繼電器及裝有微細(xì)管電極和工件坯料的裝夾系統(tǒng)。

圖1 微細(xì)射流電解加工試驗(yàn)平臺(tái)示意

需要指出的是，由于所使用微細(xì)管的內(nèi)徑僅為50 μm， 據(jù)此形成在工件表面的反流液膜離開(kāi)難度較大，易聚集包覆微細(xì)管外表面，擴(kuò)大非目標(biāo)加工區(qū)域的二次腐蝕范圍。 于是， 本研究將管電極沿X軸水平安裝、工件沿Y-Z 面豎直安裝，利用自身重力作用加速工件表面電解液薄膜的離開(kāi)能力。

試驗(yàn)中， 設(shè)定加工電壓U=30 V， 加工間距d=100 μm，NaCl 電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20%、 流量 0.25 L/h（流速約30 m/s）。 本文所用的試驗(yàn)參數(shù)是在前期大量探索性工作基礎(chǔ)之上優(yōu)選所得，通過(guò)此參數(shù)制備出的微坑結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高、無(wú)明顯缺陷，具有代表性。

2 物理模型與電流密度分布

射流電解加工極間電場(chǎng)主要由管電極內(nèi)壁提供，且電流密度分布控制著材料的溶解速率和微結(jié)構(gòu)的三維形貌特征。 圖2 是微細(xì)射流電解加工微坑的物理模型，隨著加工進(jìn)程的持續(xù)，微坑的三維尺寸逐漸增大（Γ0，Γ1，Γ2… Γn-1，Γn）。通過(guò) COMOSOL軟件對(duì)各階段的電流密度分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算，假設(shè)電解液各微元間的溫度和電導(dǎo)率一致。 室溫下電解液的實(shí)際電導(dǎo)率約為15.4 S/m。

圖2 微細(xì)射流電解加工微坑物理模型

圖3 為極間電流密度分布的仿真結(jié)果，為揭示微坑三維形貌的發(fā)展規(guī)律與形成機(jī)理做鋪墊。 由圖可知，總體上高電流密度基本集中于管電極微流道正對(duì)的加工區(qū)域。 在尚未發(fā)生溶解時(shí)，a0處電流密度最大，且電流密度沿周向非線性下降，待加工區(qū)域的材料溶解速率將有相應(yīng)程度的下降；隨著微坑的逐漸形成，中心電流密度由a0逐漸減至an，邊緣的密度快速增加， 將使加工型面的坡度與圓角增大。

圖3 不同加工階段微坑的電流密度分布情況

3 流場(chǎng)仿真計(jì)算

3.1 仿真計(jì)算條件

均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)環(huán)境對(duì)于電解產(chǎn)物的有效輸出和高質(zhì)量型面的形成非常有利。 然而，射流反流與工件非目標(biāo)加工區(qū)域、工具電極連接形成閉合回路，會(huì)造成非目標(biāo)加工區(qū)域的雜散腐蝕。

對(duì)微坑的完整成形過(guò)程進(jìn)行離散化處理，然后利用ANSYS20 對(duì)各階段（不同深徑尺寸）的極間流場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算。 射流電解加工中的流場(chǎng)是開(kāi)放式的，加工區(qū)域包含氣液混合物，因此需要采用氣-液兩相流混合模型對(duì)極間流場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真計(jì)算。 表1 是流場(chǎng)計(jì)算的主要參數(shù)，圖4 是流場(chǎng)數(shù)值模擬的簡(jiǎn)化物理模型，初始計(jì)算域設(shè)定為空氣。

表1 流場(chǎng)計(jì)算中的主要參數(shù)

圖4 流場(chǎng)仿真計(jì)算的簡(jiǎn)化模型

在仿真中，針對(duì)流場(chǎng)計(jì)算做如下假設(shè)：① 流體的運(yùn)動(dòng)遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程；②電解液不可壓縮，其流動(dòng)過(guò)程連續(xù)；③忽略電解液濃度和溫度的變化。

3.2 仿真計(jì)算試驗(yàn)

圖5 是通電之前的反流形式。 如圖5a 所示，極間電場(chǎng)加載之前，電解液經(jīng)管電極形成微細(xì)高速射流， 反流以液膜的形式沿流束周向離開(kāi)待加工區(qū)域。 如圖5b 所示，靠近待加工區(qū)域表面處、存在渦流黏度值較大的橢圓形區(qū)域，意味著該區(qū)域及附近各微元間的流速具有明顯差異，且靠近待加工表面方向，流速逐漸增大，利于加工產(chǎn)物的排出。

圖5 通電之前的反流形式

由圖3 的極間電流密度分布可知，Γ0狀態(tài)下，a0處的電流密度最大。 那么，在選擇性蝕除過(guò)程中，工件表面相應(yīng)局部區(qū)域的材料會(huì)被以相對(duì)較大的速率去除，而區(qū)域外的材料去除率將逐漸降低。 隨著加工的進(jìn)行，微坑的深徑尺寸將不斷增大。

圖6 是微坑直徑分別為 45、50、55 μm 時(shí)，不同深徑條件下的極間流場(chǎng)，圖中H 和D 分別表示微坑深度和微坑直徑。可見(jiàn)，微坑直徑不超過(guò)65 μm 時(shí)，不同深徑尺寸條件下工件表面的電解液反流均以液膜形式離開(kāi)。 隨著加工深度的增加，加工表面的氣液混合物體積在增加，這意味著電解液的更新難度提高，產(chǎn)物的排出難度加大。 另外，得益于電解液的自身重力作用，加工型面下半部分的氣液混合物體積相比于上半部分較少，且在較大加工深度時(shí)反流液膜向上離開(kāi)加工型面的難度要大于向下離開(kāi)加工型面的難度，如圖6f-h 中的局部放大圖所示。

圖6 D 不超過(guò)65 μm 時(shí)不同深徑條件下的極間流場(chǎng)

圖7 給出了微坑直徑超過(guò)65 μm 后的極間流場(chǎng)分布情況。如圖7a 所示，當(dāng)微坑深度為15 μm、直徑為70 μm 時(shí)，射流反流仍為向外擴(kuò)張的液膜（區(qū)域 1#）；如圖 7b 所示，當(dāng)微坑深度為 17 μm 時(shí)，離開(kāi)微坑的初始反流（區(qū)域2#）及向外擴(kuò)張的液膜邊緣，均呈現(xiàn)出輕微離岸濺射現(xiàn)象。 如圖7c 所示，當(dāng)微坑深度為 21 μm、直徑為 75 μm 時(shí)，初始反流（區(qū)域3#）與液膜邊緣，均有較明顯的離岸濺射現(xiàn)象；如圖7d 所示，當(dāng)微坑深度為 25 μm、直徑為 80 μm 時(shí)，射流反流已呈現(xiàn)出明顯的離岸濺射現(xiàn)象（區(qū)域4#）。

圖7 D 為 70、75、80 μm 時(shí)的極間流場(chǎng)

綜上可知， 當(dāng)微坑深徑尺寸在一定范圍內(nèi)、射流反流以液膜的形式離開(kāi)型面時(shí)，其外緣的電解液薄膜會(huì)形成低電流密度區(qū)域，但高電流密度基本被限制在管電極微流道正對(duì)的加工區(qū)域。 然而，當(dāng)微坑直徑超過(guò)65 μm、 微坑深度大于一定尺寸后，射流反流呈現(xiàn)出明顯的離岸濺射現(xiàn)象，如此低電流密度區(qū)域減少， 電流分布進(jìn)一步沿加工型面集中，微坑邊緣的電流密度快速提高，將引起局部區(qū)域蝕除速率的明顯增大。

4 微坑的制備

為了驗(yàn)證上述極間電流密度分布和流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用時(shí)間繼電器控制電解加工時(shí)長(zhǎng)，將目標(biāo)微坑的完整形成過(guò)程離散化，通過(guò)微細(xì)射流電解加工試驗(yàn)獲得各離散節(jié)點(diǎn)的微坑，并檢測(cè)其形貌特征及尺寸。 其中，離散節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的腐蝕時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)表2。

表2 不同節(jié)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的腐蝕時(shí)長(zhǎng)

圖8 是利用激光共聚焦顯微鏡所測(cè)不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)條件下的微坑直徑與深度。 顯然，微坑深度基本隨腐蝕時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)而穩(wěn)定增大； 但當(dāng)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)4000 ms、微坑深度超過(guò)50 μm 后，微坑底部區(qū)域的電流密度很小，繼續(xù)增加時(shí)長(zhǎng)不能顯著提高加工型面的深度。 與之不同的是，微坑直徑呈階段性發(fā)展：在腐蝕時(shí)長(zhǎng)增至300 ms 后，微坑的直徑與深度分別達(dá)到56 μm 和14 μm，此時(shí)的電解液反流基本仍以液膜的形式離開(kāi)微坑，微坑邊緣的電流密度集中現(xiàn)象趨于明顯；腐蝕時(shí)長(zhǎng)超過(guò)300 ms 后，由于流束周向均勻?yàn)R射的加劇，使得微坑邊緣電流密度集中所呈現(xiàn)出的加速局域材料去除的效果越來(lái)越明顯，整體上表現(xiàn)為微坑直徑的快速增加；當(dāng)腐蝕時(shí)長(zhǎng)超過(guò)350 ms 后，微坑直徑基本趨于穩(wěn)定，這是由于經(jīng)歷短暫的反流濺射，微坑直徑、型腔快速增大后，腔內(nèi)壓力有所減小，出現(xiàn)濺射減弱、被高能散狀射流壓制、重新成為液膜的現(xiàn)象，微坑邊緣的電流密度集中程度大大弱化。

圖8 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)條件下的微坑直徑與微坑深度

圖9 是不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)條件下所制部分微坑實(shí)物圖。如圖9a 所示，加工表面經(jīng)10 ms 的腐蝕后，形成了界線較模糊的腐蝕區(qū)域1#和輕微腐蝕區(qū)域2#，區(qū)域2#由充當(dāng)成形電極的管電極端面與電解液接觸形成閉合回路而引起二次腐蝕；隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加，上述區(qū)域的界線逐漸消失，合并成為新的微坑。 如圖9c 所示，當(dāng)電解時(shí)長(zhǎng)增至350 ms 時(shí)，所制微坑側(cè)壁的局部區(qū)域3#存在較明顯錐度，這是由于實(shí)際加工過(guò)程中的偶然因素導(dǎo)致濺射反流僅沿該方向傳輸、局部電流密度大增，造成原本規(guī)則的圓形微坑入口產(chǎn)生了外凸等缺陷， 此現(xiàn)象在圖9d 中區(qū)域4#更明顯。 當(dāng)腐蝕時(shí)長(zhǎng)超過(guò)1000 ms 后，微坑入口邊緣明顯異形化，而且隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)增大，微坑邊緣外圍相鄰區(qū)域雜散腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重。

圖9 不同腐蝕時(shí)長(zhǎng)條件下的微坑形貌

5 結(jié)論

本文通過(guò)仿真計(jì)算和微細(xì)射流電解加工試驗(yàn)驗(yàn)證的方式， 探究了微結(jié)構(gòu)起點(diǎn)微坑的形成過(guò)程，得到以下結(jié)論：

（1）隨著微坑的逐漸形成，極間電流密度分布曲線由上凸發(fā)展為愈加明顯的內(nèi)凹，微坑邊緣電流密度快速提高，電流密度分布集中。

（2）隨著微坑三維尺寸的逐漸增大，極間反流由液膜式離開(kāi)發(fā)展為濺射式輸出，在深徑尺寸增大后，腔內(nèi)壓力減小，濺射減弱后被高能散狀射流壓制，重新成為電解液薄膜。

（3）隨著腐蝕時(shí)長(zhǎng)的增加，加工表面界線較模糊的腐蝕區(qū)域和輕微腐蝕區(qū)域，逐漸合并成為新的微坑，其入口邊緣為規(guī)則的圓形。 深徑尺寸滿足反流濺射的形成條件后，會(huì)使濺射輸出方向電流密度分布集中、相應(yīng)局部區(qū)域的材料去除率高于其他區(qū)域，流束周向均勻?yàn)R射的結(jié)果表現(xiàn)為隨著微坑直徑增加，單向?yàn)R射使微坑的入口邊緣由規(guī)則圓形發(fā)展為異形。