脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工試驗(yàn)研究

張清榮，黃 榕，馬世赫，羅紅平，劉桂賢*

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006)

金屬表面微凹坑結(jié)構(gòu)因其具有減摩降阻、增大散熱面積、提高承載力等突出作用[1-2]，在醫(yī)療器械、汽車制造、生物工程等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[3]。目前，金屬表面微凹坑加工的主要加工方法有激光加工[4]、超聲加工[5]、電火花加工[6]、電解加工[7]、聚焦離子束加工等。無論是微銑、微沖等機(jī)械加工方法還是電火花、激光等局部高熱融化去除材料的加工方法都存在“翻邊”現(xiàn)象，需進(jìn)行二次加工。而對(duì)于電解加工技術(shù)，從其原理上講，電解加工為非接觸式加工，不受材料硬度、強(qiáng)度和韌性限制，不存在加工變形和電極損耗[8]。因此，電解加工在表面微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域有著顯著優(yōu)勢(shì)。

目前表面微凹坑結(jié)構(gòu)的電解加工中，常常采用掩模電解進(jìn)行陣列加工微凹坑結(jié)構(gòu)，但掩模電解加工存在電解產(chǎn)物排出困難、金屬陽極溶解不充分等問題，中外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。王陽等[9]基于有限元仿真和工藝試驗(yàn)研究，建立了單個(gè)微凹坑掩模電解加工的多物理場(chǎng)模型，總結(jié)了加工電壓、脈沖頻率、掩?？字睆降葘?duì)微凹坑加工的工藝規(guī)律。Wang等[10]通過仿真分析和加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶錐形的掩?？卓筛纳萍庸^(qū)的流場(chǎng)，從而加速電解液的流動(dòng)，提高電解產(chǎn)物的排出，但錐形的角度過大容易出現(xiàn)雜散腐蝕。Wu等[11]采用電射流掩模加工的方法發(fā)現(xiàn)使用移動(dòng)噴嘴可提高整個(gè)加工過程中電解液流場(chǎng)的均勻性，可批量制造均勻性較好的微觀結(jié)構(gòu)。Kunar等[12]在無掩模電解加工中采用收縮式垂直橫流電解液系統(tǒng)以去除加工生成的產(chǎn)物。Singh等[13]使用多孔柔性電極進(jìn)行掩模電解加工，利用電極的往復(fù)沖壓運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)浸沒在電解液中的海綿產(chǎn)生擠壓，進(jìn)而在工件上產(chǎn)生電解液的剪切流動(dòng)，最終將電解產(chǎn)物沖走。該方法可有效改善流場(chǎng)，但柔性電極的制作較為復(fù)雜。

現(xiàn)以不銹鋼材料表面微凹坑電解加工為研究對(duì)象，提出一種脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工新工藝，探索不同的掩模電解加工工藝參數(shù)對(duì)微凹坑表面形貌的影響規(guī)律，為提高不銹鋼表面微凹坑的加工精度提供一種簡(jiǎn)單、可行的方法。

1 脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工原理

掩模電解加工金屬表面微凹坑技術(shù)是將帶有貫穿孔，且附有電絕緣屏蔽層的模板作為掩模板緊密貼合在工件表面上，將高流速的電解液流入掩?？祝瑥亩构ぜ枠O產(chǎn)生局部材料蝕除，最終加工出所需的表面微凹坑結(jié)構(gòu)。掩模電解加工通常有正流式、側(cè)流式和反流式的電解液沖液方式。正流式有助于確保掩模與工件的緊密貼合，但其流場(chǎng)的均勻性相對(duì)較差，易形成空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致電解液得不到更新，電解產(chǎn)物易堆積。側(cè)流式的流場(chǎng)均勻性好，不易形成空穴現(xiàn)象，但是由于掩模受側(cè)面沖擊，不易與工件緊密貼合[14]。反流供液相比正流供液可以降低加工型面或孔入口處的雜散腐蝕，使加工定域性有所增加，但反流供液的密封工藝較為復(fù)雜，工件裝夾、更換過程煩瑣，嚴(yán)重影響加工效率。

為保證掩模與工件的緊密貼合和避免加工區(qū)電解產(chǎn)物堆積，提出一種脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工方法，其加工原理如圖1所示。

圖1 脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工原理圖

圖1中，先通過PCB數(shù)控鉆孔機(jī)先在覆銅板上加工出通孔，然后將銅層連接到電源負(fù)極，工件連接到電源正極，環(huán)氧樹脂層作為絕緣層防止兩極間發(fā)生短路，其厚度為加工間隙，同時(shí)高壓脈沖氣體和電解液經(jīng)泵的抽取進(jìn)入文丘里管進(jìn)行充分混合。在文丘里管中，由于管徑逐漸收縮，電解液流速逐漸變大而壓力減小，在管道的喉部位置，流速達(dá)到最大值，此時(shí)局部壓力低于相對(duì)溫度時(shí)的飽和蒸汽壓力，流體會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)空化效應(yīng)而變?yōu)楦吡魉俚臍庖簝上嗔鱗15]?？栈菰诤聿康蛪簠^(qū)迅速生長(zhǎng)，并且隨著液體的流動(dòng)而逐漸變大，而增加高壓氣體，有利于增強(qiáng)空化效果，通過控制進(jìn)口壓力，可改變文丘里管內(nèi)的空化效果。當(dāng)文丘里管下接的空化射流噴頭再將混合液噴出到加工區(qū)域，空化射流沖擊到陰極模板表面上(或附近)時(shí)發(fā)生氣泡潰滅，空泡潰滅使氣泡內(nèi)所儲(chǔ)存的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成較小體積流體的動(dòng)能，形成一束高能量微型水射流。在模板孔的導(dǎo)向作用下沖擊加工區(qū)域進(jìn)行電解加工。該脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工方法有別于傳統(tǒng)正流式掩模電解加工方法，采用空化兩相射流代替純電解液射流，利用脈沖氣體的高動(dòng)量轉(zhuǎn)化成電解液的高沖量，通過脈沖擾流與氣蝕效應(yīng)，強(qiáng)力沖刷電解產(chǎn)物，從而有利于加工區(qū)域的電解產(chǎn)物及時(shí)排出，最終獲得更高的加工精度和表面質(zhì)量的微凹坑結(jié)構(gòu)。

2 脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工實(shí)現(xiàn)

脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工工藝試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工工藝試驗(yàn)平臺(tái)

在圖2中，電解加工機(jī)床的用途是承載并放置電解加工專用夾具和防止電解液的濺射，夾具主要分為裝夾塊和底座兩部分，其中覆銅板和導(dǎo)電圓環(huán)通過螺釘連接在裝夾塊的上側(cè)，并通過旋入的鎖緊螺釘接入電源的負(fù)極。工件放置在裝夾塊的安裝孔內(nèi)，利用彈簧收縮變形的力去壓緊工件，保證工件受力的均勻性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件與覆銅板的緊密貼合，工件通過導(dǎo)電片兩端旋入的螺釘接入電源的正極。電解液循環(huán)系統(tǒng)主要功能為供液與凈化過濾，其主要包括電解液箱、過濾器和空化射流發(fā)生裝置。電源系統(tǒng)作為電解加工系統(tǒng)中的核心設(shè)備，決定了電解加工結(jié)果的效率和精度，該電源可輸出電流穩(wěn)定的脈沖波形。脈沖氣體控制系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)氣路氣體的通斷頻率，即脈沖頻率。

3 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

利用搭建的脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工工藝試驗(yàn)平臺(tái)，開展不銹鋼表面微凹坑脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工試驗(yàn)研究。為了探索不同工藝參數(shù)對(duì)表面微凹坑的加工效果影響規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工主要工藝參數(shù)

在表1中，分別進(jìn)行純射流式、空化射流式、脈沖態(tài)空化射流式3種沖液類型對(duì)單個(gè)微凹坑加工的對(duì)比試驗(yàn)；在采用脈沖態(tài)空化射流式的條件下進(jìn)行不同氣液比例對(duì)比試驗(yàn)，以及不同氣體脈沖頻率對(duì)比試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大純射流式液體流量，即加大流速，脈沖態(tài)空化射流式流量不變。進(jìn)行不同沖液類型下的掩模電解加工陣列微凹坑試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)8次，取平均值。采用LEXT OLS4000 3D激光測(cè)量顯微鏡對(duì)微凹坑直徑、深度等幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并且通過三維層層掃描后再疊加，測(cè)量出微凹坑的三維形貌結(jié)構(gòu)。

另外，由于電解液具有各向同性的性質(zhì)，因此隨著加工時(shí)間的增加，工件被絕緣層覆蓋的區(qū)域會(huì)存在輕微腐蝕，通常稱為側(cè)向腐蝕。為了更好地定量描述掩模電解加工質(zhì)量，通常引入腐蝕系數(shù)(etch factor，EF)作為衡量掩模電解加工定域性的好壞，腐蝕系數(shù)EF越大，則掩模電解加工的定域性越好。上述定義的概念公式表示為

(1)

(2)

式中：ΔR為微凹坑側(cè)向腐蝕量，μm；D為實(shí)際加工的微凹坑直徑，μm;D0為掩模孔的直徑，μm；EF為電解加工的腐蝕系數(shù);H為微凹坑深度方向腐蝕量，μm。

3.2 單個(gè)微凹坑掩模電解工藝試驗(yàn)

3.2.1 沖液類型對(duì)微凹加工的影響

為研究沖液類型對(duì)微凹坑加工質(zhì)量的影響，進(jìn)行不同沖液類型下的空化射流掩模電解加工微凹坑試驗(yàn)，試驗(yàn)部分條件如表2所示。

表2 不同沖液類型試驗(yàn)部分工藝參數(shù)

不同沖液類型下微凹坑的形貌和截面如圖3所示。

由圖3可知，3種沖液類型下，采用脈沖態(tài)空化射流式加工出的微凹坑加工質(zhì)量最優(yōu)，其次為空化射流式，純射流式加工出的微凹坑質(zhì)量最差。

圖3 不同沖液類型下的微凹坑的形貌和截面圖

沖液類型對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響如圖4所示。

由圖4可知，采用純射流式、空化射流式和脈沖態(tài)空化射流式3種沖液類型加工出的微凹坑直徑和深度依次增加，這說明相比于純射流式的沖液類型，脈沖態(tài)空化射流式的加工能力更強(qiáng)，加工區(qū)域的范圍更廣。這是因?yàn)椴捎么思庸し绞接欣诟录庸^(qū)的電解液，從而使電解產(chǎn)物能夠被及時(shí)去除，進(jìn)而增大加工區(qū)域，提高加工效率和穩(wěn)定性。

圖4 沖液類型對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響

沖液類型對(duì)腐蝕系數(shù)的影響如圖5所示。

圖5中，采用純射流式、空化射流式和脈沖態(tài)空化射流式3種沖液類型加工出的微凹坑的腐蝕系數(shù)依次增大，這說明采用脈沖態(tài)空化射流式可有效提高微凹坑的深徑比，即提高加工定域性。

圖5 沖液類型對(duì)腐蝕系數(shù)的影響

3.2.2 氣液比例對(duì)微凹坑加工的影響

由上述試驗(yàn)確定優(yōu)先選擇沖液類型為脈沖態(tài)空化射流式進(jìn)行掩模電解加工。但是，增加氣體比例在提高沖刷強(qiáng)度的同時(shí)也會(huì)降低射流電導(dǎo)率，進(jìn)而降低電解去除量。為研究氣液比例對(duì)微凹坑加工的影響，進(jìn)行不同氣液比例下的脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工微凹坑試驗(yàn)，試驗(yàn)部分條件如表3所示。

表3 不同氣液比例試驗(yàn)部分工藝參數(shù)

氣液比例對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著氣體所占比例的減小，微凹坑直徑始終是增長(zhǎng)的，但微凹坑深度卻有起伏變化。這是因?yàn)殡S著氣體比例的增加，混合液電導(dǎo)率逐漸降低，微凹坑直徑減小，但同時(shí)混合液對(duì)加工區(qū)域的沖擊效應(yīng)也在變化，流場(chǎng)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致微凹坑深度變化。

圖6 氣液比例對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響

氣液比例對(duì)腐蝕系數(shù)的影響如圖7所示。

由圖7可知，從整體上來看，腐蝕系數(shù)隨著氣液比例的增加而增大，加工定域性逐漸增強(qiáng)。因此，在滿足電解加工效率的情況下，為提高脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工微凹坑的定域性，可適當(dāng)選用較高的氣液比例參數(shù)。

圖7 氣液比例對(duì)腐蝕系數(shù)的影響

3.2.3 氣體脈沖頻率對(duì)微凹坑加工的影響

為探究氣體脈沖頻率對(duì)電解加工微凹坑質(zhì)量的影響，在保持其他參數(shù)不變的狀況下進(jìn)行不同脈沖頻率下的脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工微凹坑試驗(yàn)，試驗(yàn)部分條件如表4所示。

表4 氣體脈沖頻率試驗(yàn)部分工藝參數(shù)

不同氣體脈沖頻率對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響如圖8所示。

由圖8可知，隨著氣體脈沖頻率的增加，微凹坑直徑呈遞增趨勢(shì)，而微凹坑深度呈遞減趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著氣體脈沖頻率的增大，氣液混合效果越佳，在一次脈沖條件下，空化氣液兩相射流進(jìn)入加工中心區(qū)的能力越弱，不足以充分引起加工區(qū)的電解液的及時(shí)更新，造成加工區(qū)底部加工不充分，加工深度方向的能力減弱，加工區(qū)上部由于電解液多次沖刷造成微凹坑加工直徑的增大。

圖8 氣體脈沖頻率對(duì)不銹鋼表面微凹坑直徑和深度的影響

氣體脈沖頻率對(duì)腐蝕系數(shù)的影響如圖9所示。

圖9 氣體脈沖頻率對(duì)腐蝕系數(shù)的影響

由圖9可知，隨著氣體脈沖頻率的增大，微凹坑的腐蝕系數(shù)呈減小變化，加工定域性逐漸降低。為獲得較高的加工定域性，可采取較低的氣體脈沖頻率進(jìn)行加工。

3.3 陣列微凹坑掩模電解工藝試驗(yàn)

根據(jù)上述單個(gè)微凹坑掩模電解加工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖態(tài)空化射流式加工較純射流式具有更優(yōu)的加工效果。分析原因是脈沖態(tài)空化射流式加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物能被及時(shí)去除。針對(duì)是什么原因?qū)е碌碾娊猱a(chǎn)物及時(shí)更新，為此提出兩種假設(shè)。第一種假設(shè)為氣體的加入導(dǎo)致整體物質(zhì)量的流速增加，再通過更快的流速帶走電解產(chǎn)物。第二種假設(shè)為脈沖擾流和氣蝕效應(yīng)，即脈沖氣體的高動(dòng)量轉(zhuǎn)化成電解液的高沖量，然后強(qiáng)力沖擊加工區(qū)域，沖刷帶走電解產(chǎn)物和黏附層。

在3.2.1節(jié)的試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了掩模電解陣列微凹坑加工工藝試驗(yàn)，進(jìn)一步加大純射流式液體流量，而保持脈沖態(tài)空化射流式的流量不變。不同沖液類型下的掩模電解加工陣列微凹坑試驗(yàn)部分工藝參數(shù)如表5所示。

表5 掩模電解陣列微凹坑部分工藝參數(shù)表

不同沖液類型下電解加工的陣列微凹坑形貌如圖10所示。

圖10 不同沖液類型下電解加工的陣列微凹坑形貌

由圖10可知，在電解加工陣列微凹坑中，純射流式掩模電解加工出的群凹坑結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示，可以看出微凹坑的深度具有深淺不一的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為周邊區(qū)域的微凹坑深度比中間區(qū)域微凹坑更深，即陣列微凹坑的一致性很差。這是由于此加工方式的加工中心區(qū)域的電解液流通不順暢，出現(xiàn)了死水區(qū)，電解液得不到及時(shí)更新，進(jìn)而造成加工區(qū)電解產(chǎn)物的堆積，從而降低了加工中心區(qū)域微凹坑的蝕除速度，極大地影響了微凹坑的成形。脈沖態(tài)空化射流式掩模電解加工出的群凹坑結(jié)構(gòu)如圖10(b)所示，可以看出，周邊區(qū)域微凹坑的加工深度和中間區(qū)域微凹坑的加工深度基本一致，即陣列凹坑具有較好的一致性。這表明脈沖態(tài)空化射流式掩模電解加工中心區(qū)域的電解液流通順暢，電解液能夠及時(shí)更新，電解產(chǎn)物可以及時(shí)去除，最終可以得到較優(yōu)的加工一致性。

4 結(jié)論

在研制的脈沖態(tài)空化射流掩模電解加工裝置上進(jìn)行不銹鋼單個(gè)和陣列微凹坑加工工藝試驗(yàn)和實(shí)際加工情況，得到以下結(jié)論。

(1)相比于傳統(tǒng)的純射流式掩模電解加工，脈沖態(tài)空化射流式掩模電解加工能加工出深徑比更優(yōu)的微凹坑，加工定域性可得到提高。

(2)采用脈沖態(tài)空化射流式掩模電解加工，通過不同氣液比例、氣體脈沖頻率的單因素對(duì)比試驗(yàn)，得出較高的氣液比例和較低的脈沖頻率有利于提高微凹坑的深徑比，獲得較優(yōu)的加工質(zhì)量。

(3)采用脈沖態(tài)空化射流式比純射流式的沖液類型進(jìn)行掩模電解陣列加工能得到均一性更佳的陣列微凹坑，原因是純射流式加工中心區(qū)域會(huì)出現(xiàn)死水區(qū)，無法排出電解產(chǎn)物和促進(jìn)電解液更新。而脈沖態(tài)空化射流式通過脈沖擾流與氣蝕效應(yīng)，可對(duì)電解產(chǎn)物起到強(qiáng)力沖刷的作用，最終獲得更高的加工精度和表面質(zhì)量。