掩膜電解加工小孔仿真分析及實驗研究

陳少國，于兆勤，劉江文，郭鐘寧

1 引言

機械設(shè)備中運動部件的相對運動過程難免存在不同程度的摩擦，由于潤滑不足或者磨擦程度嚴重將會導(dǎo)致磨損。這也無疑增加了無用功和能源損耗，并且降低機械設(shè)備工作效率和使用壽命等一系列問題[1]。根據(jù)摩擦學(xué)理論以及其研究成果，在摩擦副表面制備微小凹坑結(jié)構(gòu)可以使摩擦副具有良好的存儲潤滑油效果，在相對運動中，運動部件表面微凹坑的潤滑油啟到一定潤滑作用能大幅度地減少摩擦以及所產(chǎn)生的熱量[2]。由此可見，摩擦副表面具有微凹坑對減少摩擦有重要作用。

目前國內(nèi)外都在關(guān)注微坑制備技術(shù)的發(fā)展，并且已經(jīng)發(fā)展了激光加工[3-4]，電化學(xué)[5]，電液束加工[6-7]，超聲加工[8]，自激振動[9]，電火花加工[10]，低頻強迫振動[11]以及這些方法的相互結(jié)合的復(fù)合加工[12]等多種加工表面凹坑的方法。上述方法中，激光加工容易生成“翻邊”，需要進行二次加工去除凹坑邊緣生成毛刺；電火花加工會出現(xiàn)電極嚴重損耗，而且熱效應(yīng)會使局部生成其余物質(zhì)；自激振動加工方法其加工的凹坑難以控制；低頻強迫振動由于其本質(zhì)是靠機械方式進行加工，故難免會有機加工的一些缺點；電液束加工需要設(shè)計特定電極頭；超聲加工對機床轉(zhuǎn)速要求高。

電解加工具有電極無損耗，效率高，工件無加工應(yīng)力等特點，材料去除主要依據(jù)電化學(xué)陽極溶解原理，為非接觸加工。電解加工可分為掩膜和無掩膜加工，采用光刻工藝和電解技術(shù)相結(jié)合的掩膜電解加工單個凹坑結(jié)構(gòu)以研究不同電加工參數(shù)對凹坑的影響。主要通過實驗研究在不同參數(shù)下陽極掩膜工件表面凹坑工藝，分析加工間隙，不同電解液，不同溶度，加工時間以及電壓對凹坑尺寸的影響，同時在實驗的基礎(chǔ)上通過仿真方法研究不同加工間隙下陽極電流密度的分布情況。

2 掩膜電解加工原理

首先在加工工件表面涂覆一層感光膠并在無紫外光下烘干，再通過光刻顯影步驟使光刻膠與基材緊密結(jié)合，形成具有一定圖案的裸露基材，最后進行電解加工。由于基體采用部分絕緣后，電解加工時電流將會集中分布于欲加工區(qū)域，而被掩膜處由于絕緣體的作用使其屏蔽了電場不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，最終使未受掩膜絕緣保護的區(qū)域參與反應(yīng)，并被刻蝕出所需要形狀。電解加工時，具有掩膜結(jié)構(gòu)的工件作為陽極，與陰極保持一定的間距，電解液從加工間隙高速流過，更新電解液并帶走加工產(chǎn)物，直至工件表面出現(xiàn)符合一定要求的凹坑結(jié)構(gòu)。

3 凹坑掩膜電解加工實驗

為了研究凹坑掩膜電解加工工藝參數(shù)中加工間隙，不同電解液，不同溶度，加工時間以及電壓對凹坑尺寸的影響，設(shè)計了一系列實驗。實驗裝置，如圖1所示。其中間距控制旋鈕的分辨率為2.5mm/格，實驗采用的陰極頭為直徑3mm的黃銅，采用不同濃度硝酸鈉以及氯化鈉溶液，溫度為室溫25℃。加工電源采用美國的ELGARSW5250（SW：Smartwave）可編程直流/交流電源。加工結(jié)束后，進行無水乙醇超聲清洗烘干，隨后采用Olympus公司的LEXTOLS4000 3D測量激光顯微鏡對實驗加工過的凹坑形貌進行表面三維形貌觀察和測量，其最高分辨率達10nm。

4 加工區(qū)域電場模型建立仿真及分析

根據(jù)法拉第電解加工定律，并假定電解加工的電場為滿足Laplace方程的恒穩(wěn)電場，陽極金屬的溶解速度與其表面的電流密度成正比。建立電解加工間隙內(nèi)的二維電場數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。在陰、陽極間的封閉區(qū)域Z內(nèi)，各點的電勢φ（x，y）滿足Laplace方程：

圖2 二維數(shù)學(xué)模型Fig.2 Two Dimensional Mathematical Model

其中，L1、L3、L4為自由邊界，L2為陰極邊界，L7為陽極工作邊界，L5、L6、L8、L9為絕緣邊界。其中D為電極頭到絕緣層的可變間距，隨實驗加工條件變化。

邊界條件如下設(shè)置：

式中：L2—陰極邊界；L7—陽極邊界；Li—絕緣層邊界。絕緣層為50mm，加工孔徑為500mm，電解液選擇質(zhì)量分數(shù)為10%NaNO3溶液，其電導(dǎo)率κ=8.7S/m，陽極工件材料選擇304不銹鋼（0Cr18Ni9），體積化學(xué)當量ω=0.00172cm3/（A·min），仿真中所取電流效率為η=1，加工電壓取U=8V。

電解加工中沖刷流道加工區(qū)域的電解液會影響加工中碎屑的排除程度，因此有必要研究不同加工間隙下電流分布情況。而且加工間隙太大也會影響電流分布削弱電場，降低效率。D=250mm加工間隙的電流分布仿真結(jié)果，如圖3所示。

圖3 D=250mm電流分布情況（電壓U=8V）Fig.3 Current Distribution when D Equals 50mm（Voltage U=8V）

圖4 不同加工間隙工件表面電流密度分布曲線Fig.4 Three Dimensional Surface Morphology of Micro-Pits with Different Solutions and Different Levels

從圖3COMSOL軟件仿真結(jié)果表明了在一定絕緣層厚度下，改變電極頭與絕緣層的加工間隙D對陽極工件表面電流密度分布的影響程度，如圖4所示。由圖4可以看出，在同一D值下，工件表面的電流密度從兩邊向中部減弱，并趨于一定穩(wěn)定值，圖形類似于凹坑形狀；隨著D值的增加，工件表面電流分布整體減弱，但隨著D值增大，各個電流密度的底部值之間的差值減小趨于平衡，而且左右兩端的電流密度分布變化也變?nèi)?。說明隨著間隙的增加，中間部分電流密度將會急劇減小但隨后趨于平衡且變化變小。同時通過這樣的工件表面模擬，一定程度上不僅反映了工件表面各點的電流密度大小，也進而估算工件表面單個凹坑的形貌演化過程。

5 實驗與分析

5.1 溶液和溶度對凹坑形貌的影響

此試驗的實驗條件為加工電壓8V，頻率2000Hz，50%占空比的脈沖電源，掩膜孔大小500mm，膜厚度50mm，加工間隙以絕緣層為基準（后續(xù)實驗加工間隙也保持一致基準）。不同溶液以及不同溶度的三維凹坑形貌，如圖5所示。該實驗條件下的各凹坑孔徑和孔深的曲線圖，如圖6所示。

圖5 不同溶液以及不同溶度的三維凹坑形貌Fig.5 Three Dimensional Surface Morphology of Micro-Pits with Different Solutions and Different Levels

圖6 各凹坑孔徑和孔深的曲線圖Fig.6 Curve Graph of Pore Diameters and Pore Depths Among These Micro-Pits

分別對比圖 5（a）～圖 5（c），圖 5（d）～圖 5（f）可以發(fā)現(xiàn)在其余條件不變的情況下，改變電解液溶度，凹坑深度明顯加大，并且采用NaNO3溶液加工的凹坑比NaCl溶液加工的凹坑底部形貌光滑些，這主要是在含有Cl-溶液下電解加工的雜散腐蝕會嚴重一些。結(jié)合圖6，可見隨著溶液濃度的增加孔徑和孔深隨之增大。對比不同電解質(zhì)下的孔徑和孔深，可以發(fā)現(xiàn)NaCl加工出來的孔徑比NaNO3加工出來的增加80mm以上，但孔深隨著溶度增加變化并不明顯，主要是NaCl雜散腐蝕嚴重，腐蝕深度不再加大，但側(cè)蝕加劇。

5.2 加工間距對孔徑形貌的影響

在加工條件為10%硝酸鈉的溶液，加工時間40s，電壓8V，頻率為2000Hz，50%占空比的脈沖脈沖電源下，不同加工間隙D加工出來的孔徑三維形貌圖，如圖7所示。不同加工間隙各孔徑和孔深關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖7 孔徑三維形貌圖Fig.7 Three Dimensional Surface Morphology of the Pore Diameters

圖8 不同加工間隙各孔徑和孔深關(guān)系曲線Fig.8 Pore Diameters as a Function of Pore Depths with Different Machining Gaps

結(jié)合圖7和8可見，隨著加工間隙的增加，孔徑擴大的數(shù)值逐漸較小，主要是在電極頭不向下進給的情況下，間隙小，電場強度大，分布密集導(dǎo)致凹坑側(cè)蝕嚴重，孔徑增大。而孔深并沒有如此趨勢，在200mm時，孔深達到最大；250mm時，由于間隙增加，電場分布稍微減弱，此時孔徑擴大程度減小孔深也如此；300mm時，間隙加大，此時孔深增大是由于間隙增大后排屑順暢，加工過程中可以及時排除碎屑更新溶液；350mm時，孔徑和孔深都最小，主要是電場分布相對之前都弱，導(dǎo)致加工所得的孔徑以及孔深都比較小。這也和電流密度分布的仿真結(jié)果較符合，隨著間隙增大，電流密度分布越弱。

5.3 加工電壓對孔徑形貌的影響

圖9 孔徑三維形貌圖Fig.9 Three Dimensional Surface Morphology of the Pore Diameters

圖10 不同加工電壓各孔徑和孔深關(guān)系曲線Fig.10 Pore Diameters as a Function of Pore Depths with Different Machining Voltages

在加工條件為10%硝酸鈉的溶液，加工時間40s，加工間隙250mm，電壓可變，頻率為2000Hz，50%占空比的脈沖脈沖電源下，不同加工電壓U加工出來的孔徑三維形貌圖，如圖9所示。不同加工電壓各孔徑和孔深關(guān)系曲線，如圖10所示。

觀察圖9，可見隨加工電壓增加，凹坑的深度加深。由圖10，可知在其余條件不變情況下，改變加工電壓，可以使加工的凹坑孔徑以及孔深增大，而且隨電壓值的增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)性。

6 結(jié)語

對工件進行掩膜處理得出裸露的圓形面積，隨后采用不同參數(shù)進行電解加工凹坑，最后采用激光共聚焦對其形貌進行檢測，并采用COMSOL軟件仿真其陽極工件表面電場分布情況。通過實驗和仿真得出以下結(jié)論：（1）仿真結(jié)果顯示：工件表面的電流密度從兩邊向中部減弱，并趨于一定穩(wěn)定值，圖形類似于凹坑形狀；隨著D值的增加，工件表面電流分布整體減弱，但隨著D值增大，各個電流密度的底部值之間的差值減小趨于平衡，而且左右兩端的電流密度分布變化也變?nèi)?。?）采用不同參數(shù)進行電解加工時，可以發(fā)現(xiàn)無論孔徑或是孔深都會出現(xiàn)不同程度的擴大和加深。不同電解質(zhì)下加工出的凹坑不僅孔徑以及孔深有差別，底部形貌也會明顯不一樣。隨加工電壓的增加凹坑孔徑以及孔深增大，呈現(xiàn)正相關(guān)性。加工間距的增加孔徑減小但孔深有一優(yōu)化值，主要是因為間隙排屑問題得以改善。