掃描射流掩膜電解加工微坑陣列試驗(yàn)研究

莊懷印，郭鐘寧，吳 明，王俊杰

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 引言

微坑表面織構(gòu)常用的加工方法有機(jī)械振動(dòng)加工、金剛石壓印加工，激光加工、電火花、電解加工。掩膜電解加工[1]是電解加工的一種，它以離子的形式去除材料，其具有加工效率高，不接觸式加工，工件無(wú)變形、無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生，無(wú)工具損耗、無(wú)重鑄層等優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)使得掩膜電解加工適合在零件表面加工微、納米結(jié)構(gòu)[2]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，掩膜電解加工微坑表面織構(gòu)取得了顯著的成效。文獻(xiàn)[3]提出了活動(dòng)掩膜板電解加工的方法，用機(jī)械夾緊的方式，使鏤空掩膜板與工件貼合，加工之后再將掩膜板拆下來，從而實(shí)現(xiàn)掩膜板的重復(fù)使用。文獻(xiàn)[4]提出用電絕緣多孔質(zhì)物實(shí)現(xiàn)掩膜板和工件的貼合，使掩膜板各處受力均勻的貼合到工件表面，但其陰陽(yáng)極之間被多孔物填充，不利于掩膜板內(nèi)電解液的更新和電解過程中離子的交換。文獻(xiàn)[5]提出了干膜柔性活動(dòng)掩膜板，在內(nèi)曲面上加工出精度較高的陣列微坑。文獻(xiàn)[6]提出基于球頭陰極的電射流掩膜電解加工的方法，通過仿真分析噴嘴縫寬對(duì)流場(chǎng)的影響，采用環(huán)氧樹脂模板加工出15*5的微坑陣列。文獻(xiàn)[7]在射流掩膜電解加工中用導(dǎo)電模板加工減小了側(cè)蝕量，每次可成功加工出9個(gè)微坑。

目前，采用活動(dòng)掩膜板掩膜電解加工陣列微坑，其微坑直徑大小多集中在（100～500）μm，微坑深徑比約（0.1～0.2）左右[7-8]，微坑數(shù)量也非常有限，而實(shí)際零件表面需要數(shù)以千計(jì)、大面積的微坑陣列結(jié)構(gòu)。因?yàn)榛顒?dòng)掩膜板上的圖形尺寸大小受到外在加工方法的限制。因此，為了加工微納米尺度的表面織構(gòu)，常規(guī)掩膜電解加工仍然使面臨著難題。對(duì)此，在結(jié)合研究射流掩膜電解加工的基礎(chǔ)上，提出使用掃描射流掩膜電解加工在不銹鋼上加工海量、微米級(jí)、大深徑比的微坑陣列。

2 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

掃描射流掩膜電解加工是射流電解加工和掩膜電解加工結(jié)合的一種復(fù)合型加工方法，即該方法具有射流電解加工中加工范圍的靈活性和掩膜電解加工良好的定域性。射流掩膜電解加工是高速的帶電電解液沖向工件，而一般的高壓靜液、測(cè)沖和正沖掩膜電解加工是在一個(gè)相對(duì)密閉的夾具內(nèi)電解液從夾具的一側(cè)流入從另一側(cè)流出，通常需要根據(jù)工件的尺寸、形狀設(shè)計(jì)不同的夾具，夾具通用性差。然而掃描射流掩膜電解加工是完全開放式的，噴嘴噴出的電液涑像銑床的銑刀一樣對(duì)工件進(jìn)行加工，根據(jù)機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)控制加工范圍、加工位置、面積大小靈活可控。射流掩膜電解加工中正向沖液的供液方式電解液更容易進(jìn)入微小的掩膜孔內(nèi)，保證電解液的及時(shí)更新和促進(jìn)電解產(chǎn)物的及時(shí)排出。

射流掩膜電解加工是指在工件表面覆蓋一層帶有鏤空?qǐng)D案的膜板[9]，高壓泵將電液涑噴射工件表面，從而有選擇性的去除工件材料的一種電解加工方法。它是利用陽(yáng)極溶解的原理去除材料，本質(zhì)是工件材料在外加電場(chǎng)的作用下，組成材料的原子失去外層電子變成離子，在電場(chǎng)和電解液流場(chǎng)的作用下脫離工件，溶解到電解液的一個(gè)過程。掩膜電解加工去除材料的位置和大小由掩膜圖案決定。因此，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)合理的掩膜圖案，從而在工件表面加工理想的形狀和結(jié)構(gòu)。

使用光刻技術(shù)在工件表面做出掩膜圖形，掩膜尺度線寬可以達(dá)到微米級(jí)別，掩膜孔個(gè)數(shù)多。使用射流式正向沖掩膜電解加工，能夠改善了電解液側(cè)向流動(dòng)產(chǎn)生的微坑底部深淺不一的現(xiàn)象[1]。同時(shí)，電解液正向沖液可以加快掩膜孔內(nèi)電解液的更新和促進(jìn)電解產(chǎn)物的排出，從而提高加工效率。掃描射流掩膜電解加工裝置示意圖，如圖1所示。其包括機(jī)床、脈沖電源、控制系統(tǒng)和電解液循環(huán)系統(tǒng)四大部分。工控機(jī)控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的直線移動(dòng)，機(jī)床平臺(tái)依照編好的程序移動(dòng)，使噴嘴噴出電解液掃過工件表面便可實(shí)現(xiàn)掃描射流掩膜電解加工。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Device Schematic

3 實(shí)驗(yàn)

工件選用長(zhǎng)和寬為20mm，厚度1mm的304不銹鋼，光刻掩膜陣列孔為20μm，是35*35的方形陣列，孔中心距150μm。光刻掩膜制作和掃描射流掩膜電解加工流程圖，如圖2所示。對(duì)加工后陣列微坑的檢測(cè)和采樣，使用激光共聚焦（3D測(cè)量）顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)微坑的形貌與尺寸進(jìn)行觀察和測(cè)量。

圖2 光刻掩膜制作和掩膜電解加工流程Fig.2 Photolithography Mask Fabrication and Mask Electrolytic Processing

對(duì)于微坑尺寸的一致性問題，利用變異系數(shù)（Coefficient of Variation，以下簡(jiǎn)記CV）進(jìn)行評(píng)價(jià)，CV值越小表示陣列微坑的直徑和深度一致性越好；深徑比（I）、直徑標(biāo)準(zhǔn)差（S D）和深度標(biāo)準(zhǔn)差（SH）、側(cè)蝕系數(shù)（Etch Factor，E F），其計(jì)算式（1）～式（5）所示：

式中：σ—微坑直徑或深度的標(biāo)準(zhǔn)差；μ—微坑直徑或深度的平均值；H—微坑平均深度；D—微坑平均直徑；D i—第i個(gè)微坑的直徑；H i—第i個(gè)微坑的深度；n—測(cè)量微坑的數(shù)量；D0—掩膜孔直徑。

為研究加工電壓、掃描速度對(duì)微坑尺寸形貌的影響規(guī)律，做了單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。其中，電壓作為因素時(shí)，掃描速度1mm∕s；掃描速度作為因素時(shí)，電壓為30V。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experiment Parameters

4 結(jié)果分析

4.1 電壓對(duì)微坑的影響規(guī)律

用激光共聚焦拼接模式拍攝微坑陣列的整體形貌，如圖3所示。是電壓40V對(duì)應(yīng)的加工結(jié)果。微坑為35*35的陣列，其微坑中心距為150μm，共有1225個(gè)微坑。從左上角到右下角沿著對(duì)線，采集20個(gè)微坑的直徑和深度的數(shù)據(jù)作為分析樣本。用式（1）到式（5）分析計(jì)算每個(gè)樣本微坑的直徑和深度平均值、深徑比、變異系數(shù)、側(cè)蝕系數(shù)。加工電壓40V，微坑的形貌與輪廓線，如圖4所示。

圖3 加工電壓40V對(duì)應(yīng)的整體形貌Fig.3 The Overall Shape of The Voltage 40V

從圖4可以看出為微坑形貌輪廓接近半球面形狀，并且微坑內(nèi)部輪廓非常光滑。因?yàn)殡娊饧庸な且噪x子形式去除材料，射流式正向沖液能夠?qū)⒓庸み^程的反應(yīng)產(chǎn)物迅速?zèng)_刷帶走。

Fig.4微坑的形貌和輪廓線（40V）Fig.4 Topography and Contour of Micro-Dimple（40V）

不同電壓下微坑直徑和深度變化，如圖5所示。隨電壓的升高，電流密度變大，材料的去除能力加快，微坑的直徑和深度逐漸增大。不同電壓下微坑尺寸的變異系數(shù)（CV）值，如圖6所示。

圖5 不同電壓下微坑直徑和深度Fig.5 Micro-Dimple Diameter and Depth at Different Voltages

從圖6可以明顯的看出，隨著電壓的增大，陣列微坑的變異系數(shù)逐漸增大，即陣列微坑的尺寸一致性越來越差。另外，微坑直徑方向的變異系數(shù)線在微坑深度方向的變異系數(shù)線的下方，說明微坑直徑方向的一致性比深度方向好。

圖6 不同電壓下微坑尺寸CV值Fig.6 The CV Value of Micro-Dimple Size Under Different Voltages

電壓對(duì)微坑深徑比和側(cè)蝕量影響，如圖7所示。隨著電壓的增大，深徑比略微變大，同時(shí)，側(cè)蝕系數(shù)在逐漸減小，說明微坑的側(cè)蝕量越來越大。使用射流掩膜電解加工的微坑深徑比變化范圍（0.40～0.46），常規(guī)掩膜側(cè)沖供液的微坑深徑比約為（0.1～0.2）[10]，使用這種方式加工的微坑深徑比約為常規(guī)掩膜電解加工的（2～3）倍。射流掩膜電解加工微坑深徑比大，很可能與正沖射流的供液方式有關(guān)，因?yàn)樯淞鞯墓┮悍绞接兄谖⒖觾?nèi)電解液的更新和電解產(chǎn)物的排出，提高加工效率。

圖7 不同電壓微坑深徑比和側(cè)蝕系數(shù)的變化Fig.7 The Variation of Dimple Depth to Diameter Ratio and Side Erosion Coefficient Under Different Voltage

4.2 掃描速度對(duì)微坑的影響規(guī)律

根據(jù)表1中制定的參數(shù)，進(jìn)行速度的單因素實(shí)驗(yàn)。其中，掃描速度2mm∕s的加工結(jié)果，如圖8所示。

圖8 微坑陣列形貌（2mm∕s）Fig.8 Micro-Pit Array Morphology（2mm∕s）

掃描速度對(duì)微坑尺寸的影響，如圖9所示。隨著掃描速度的增加微坑的平均直徑和深度都在減小。隨著掃描速度的增加，等效于每次的加工時(shí)間在減小，微坑的直徑和深度減小，符合掩膜電解加工的一般規(guī)律[8]。掃描速度對(duì)微坑尺寸CV值的影響，如圖10所示。隨著掃描速度的增加，微坑深度的變異系數(shù)變化幅度大于微坑直徑變異系數(shù)，同時(shí)，微坑直徑方向的變異系數(shù)值小于深度方向的變異系數(shù)值，即微坑直徑的方向一致性比深度方向好。如圖11所示，隨著掃描速度增加可以發(fā)現(xiàn)微坑的深徑比在下降，然而，微坑的側(cè)蝕系數(shù)在升高，表明微坑的側(cè)蝕量在減小。這也歸因于的等效的加工時(shí)間在減小。

圖9 不同速度下的微坑直徑和深度Fig.9 Dimple Diameter and Depth at Different Speeds

圖10 不同掃描速度下微坑CV值變化趨勢(shì)Fig.10 Trends of CV Values of Micro-Dimple at Different Scanning Speeds

圖11 不同掃描速度下深徑比和側(cè)蝕系數(shù)的變化Fig.11 The Variation of Depth-Diameter Ratio and Lateral Erosion Coefficient at Different Scanning Speeds

4.3 海量、微米級(jí)的微坑陣列加工

掩膜孔直徑2μm，孔陣列150*150，中心距30μm，共計(jì)22500個(gè)微坑。依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取加工電壓30V，掃描速度2mm∕s，其他參數(shù)與表1中參數(shù)相同。掃描射流掩膜電解加工結(jié)果，用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)，如圖12所示。用激光共聚焦隨機(jī)測(cè)量30個(gè)微坑，求其平均直徑和深度分別為7.56μm，3.39μm；深徑比0.45；直徑和深度標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.46μm，0.17μm；側(cè)蝕系數(shù)1.22。

圖12 陣列微坑和單個(gè)微坑Fig.12 Array Micropits and a Single Pit

5 結(jié)論

為了能夠在金屬零件表面加工出海量、微米級(jí)的微坑陣列，提出使用掃描射流掩膜電解加工方法。通過實(shí)驗(yàn)加工出的微坑陣列尺寸一致性良好、微坑表面輪廓光滑，證明了該方法的可行性。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究分析了電壓、掃描速度對(duì)微坑尺寸的影響規(guī)律。得出如下結(jié)論：

（1）在實(shí)驗(yàn)中，隨著加工電壓的升高，微坑直徑、深度、深徑比逐漸增大。當(dāng)加工電壓為50V時(shí)，微坑的尺寸和深徑比最大，此時(shí)微坑的側(cè)蝕量和變異系數(shù)也最大，低電壓時(shí)，微坑深度淺，綜合考慮應(yīng)當(dāng)選用中等電壓。隨著掃描速度的增大，微坑的直徑、深度、深徑比、側(cè)蝕量都在減小，掃描速度4mm∕s時(shí)，側(cè)蝕量最小，而且微坑的尺寸和深徑比也最小，因此，在加工過程中，掃描速度不易過高。

（2）優(yōu)選實(shí)驗(yàn)參數(shù)，用電壓為30V，掃描速度為2mm∕s，加工出的微坑數(shù)量為22500個(gè)微坑，其直徑為（7.56±0.46）μm（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），深度為（3.39±0.17）μm，深徑比為0.45。