脈沖氣體輔助掩模電解加工技術(shù)

馬世赫，李志超，劉桂賢,*，張永俊，王瑞祥

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

微孔或凹坑等表面織構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件中，以滿足其在潤(rùn)滑以及散熱性能方面的要求。研究人員已證實(shí)若將這些微結(jié)構(gòu)設(shè)定為適當(dāng)?shù)某叽纾瑒t能夠有效減小材料表面摩擦系數(shù)。為使零件表面具有同樣的散熱和摩擦性能，表面織構(gòu)的尺寸精度則顯得尤為重要。各種表面織構(gòu)的加工方法中，掩模電解加工技術(shù)是一種高效的加工方法，該技術(shù)基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理，加工材料以離子形式去除，相比其他加工方式具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如不受加工材料強(qiáng)度和硬度限制、表面質(zhì)量及加工效率高、不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、無(wú)毛刺、無(wú)工具磨損等。

掩模電解加工工藝中的掩模板用以保護(hù)非加工區(qū)域，在傳統(tǒng)掩模電解加工中，掩模板一般利用光刻工藝(包括光刻膠涂抹、預(yù)烘烤、曝光、顯影和烘烤)將1～20 μm厚且?guī)в型椎难谀０逯苯又谱饔诩庸すぜ砻妫@種掩模板無(wú)法重復(fù)使用且成本高昂，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。各國(guó)研究人員為尋找一種更加方便實(shí)用的掩模板做了大量研究。Chauvy等將鈦合金表面氧化后利用激光加工技術(shù)對(duì)加工區(qū)域的氧化膜進(jìn)行去除，使被加工區(qū)暴露于電解液中，非加工區(qū)被絕緣氧化膜保護(hù)，但這種掩模仍然無(wú)法重復(fù)使用，且加工后氧化膜去除困難；Costa和Hutchings則將掩模板與陰極相結(jié)合，介紹了一種無(wú)需將掩模板覆蓋在工件表面的無(wú)掩膜加工方法，該方法克服了掩模板無(wú)法重復(fù)利用的缺點(diǎn)；南京航空航天大學(xué)Zhu等提出一種低成本、可重復(fù)使用的活動(dòng)式掩模板，該掩模板由作為陰極的金屬膜與一層絕緣板黏附而成，加工時(shí)將絕緣面與工件表面貼合后壓緊即可。

盡管各種掩模板被成功應(yīng)用于實(shí)際加工中，但仍存在一些問(wèn)題，如大面積加工中加工一致性難以保證、加工產(chǎn)物難以排出以及較厚的活動(dòng)式掩模板難以與工件緊密貼合等問(wèn)題。由文獻(xiàn)[11-12]可知，隨加工凹坑深度的增加，其內(nèi)部電解液的流動(dòng)性將會(huì)顯著降低，在凹坑底部電解液幾乎停滯，產(chǎn)物極難排出。

在電解加工中，保證加工區(qū)域電解液具有良好的流動(dòng)性以及較高傳質(zhì)效率是維持加工穩(wěn)定性的首要前提。為提高加工區(qū)域電解液流動(dòng)性以及傳質(zhì)能力，南京航空航天大學(xué)Wang等在掩模板加工出帶有一定錐度的孔，利用側(cè)流式?jīng)_液方式在304不銹鋼上加工出直徑2.764 mm偏差小于0.1 mm的孔；南京航空航天大學(xué)Li等提出一種側(cè)流式的蛇形流道對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，使各處電解液流動(dòng)速度趨于一致，在Ti-6Al-4V表面加工出10×20直徑為2.564 mm最大偏差為0.04 mm的陣列凹坑，并認(rèn)為相對(duì)于使用直流電源加工，脈沖電源能夠有效減少氣泡率與電解液溫度的增加，但此方法仍需針對(duì)不同形狀以及不同大小的加工工件進(jìn)行流場(chǎng)設(shè)計(jì)。廣東工業(yè)大學(xué)Chen等對(duì)比了3種傳統(tǒng)流動(dòng)方式，基于正流式流動(dòng)提出一種多縫結(jié)構(gòu)，在304不銹鋼表面加工出平均直徑106 μm，深度10 μm的陣列凹坑，但這種多縫陰極結(jié)構(gòu)在大面積加工時(shí)，隨著流道的增長(zhǎng)，電解液的流動(dòng)速度逐漸降低，難以保證加工一致性，且對(duì)泵提出了更高的要求。廣東工業(yè)大學(xué)Wu等介紹了一種掩模電解射流加工方式，在不銹鋼表面加工出最小形狀誤差比的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.297%的凹坑陣列，加工時(shí)噴嘴以一定速度平行于工件表面掃描，在一定程度上限制了加工效率。大連理工大學(xué)Zhai等提出了一種將超聲波與掩模電解加工相結(jié)合的新方法，在靜止電解液中，當(dāng)超聲波強(qiáng)度為8 W/cm時(shí)，在304不銹鋼表面加工出平均直徑167.77 μm深度79.62 μm的微坑陣列。為尋找一種通用、高效且簡(jiǎn)便的流場(chǎng)優(yōu)化方式，提出一種脈沖氣體輔助掩模電解加工新方法，該方法無(wú)需根據(jù)不同面積、不同形狀的工件設(shè)計(jì)不同的流道結(jié)構(gòu)，在大面積掩模電解加工的流場(chǎng)優(yōu)化中具有一定應(yīng)用前景。

脈沖氣體輔助掩模電解加工(Pulsed Gas assisted Through-Mask Electrochemical Machining, PG-TMECM)原理如圖1所示，氣體噴嘴處于加工區(qū)域正上方，在一個(gè)噴氣周期內(nèi)，噴氣開(kāi)關(guān)信號(hào)為高電平時(shí)氣閥開(kāi)啟，一定量的氣體以極高的速度從噴嘴噴出，將下方加工區(qū)域的產(chǎn)物與電解液向四周排開(kāi)；當(dāng)開(kāi)關(guān)信號(hào)為低電平時(shí)氣閥關(guān)閉，電解液不再受氣體的作用，并在重力的作用下迅速涌入加工區(qū)域。隨著脈沖的持續(xù)施加，在加工產(chǎn)物被不斷排出的同時(shí)電解液得以更新，能夠有效減弱極化現(xiàn)象，提高電流效率。為便于分析，文中均針對(duì)單個(gè)噴嘴作用下的加工區(qū)域進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 脈沖氣體輔助掩模電解加工原理圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed gas assisted through mask electrochemical micromachining

1 脈沖氣體輔助掩模電解加工多場(chǎng)耦合

1.1 兩相流場(chǎng)理論模型

為驗(yàn)證脈沖氣體各參數(shù)對(duì)掩模電解加工孔內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律，基于COMSOL Multiphysics仿真軟件建立多場(chǎng)耦合仿真模型，包括氣液兩相流移動(dòng)網(wǎng)格以及電場(chǎng)模型。流場(chǎng)受不可壓縮流的層流Navier-Stokes方程控制：

(1)

(2)

式中：為壓力；為密度；為流體速度；為時(shí)間；為單位矩陣；為黏性力張量；為作用在流體的體積力矢量；為重力加速度。式(1)為動(dòng)量守恒方程，式(2)為質(zhì)量守恒方程(即連續(xù)性方程)。

用水平集方法對(duì)氣體與液體的相界面進(jìn)行表征：

(3)

式中：為界面的厚度參數(shù)；決定重新初始化的量，用以確保水平集函數(shù)的梯度隨時(shí)間推移逐漸集中到自由表面上；為水平集函數(shù)，其值在0～1之間變化，在氣相中為0，液相中為1，液相與氣相的過(guò)渡邊界層為0.5。式(3)左邊用于描述氣液兩相界面的移動(dòng)，右邊用于穩(wěn)定數(shù)值。

1.2 電場(chǎng)理論模型

根據(jù)歐姆定律，電流密度可定義為

=σ

(4)

式中：為電解液的電導(dǎo)率；為電場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)脈沖氣體沖擊電解液時(shí)，大量氣泡混入電解液影響其電導(dǎo)率，故仿真中無(wú)法忽略氣泡對(duì)電場(chǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，氣泡含量是影響電場(chǎng)的主要因素，但氣泡的大小對(duì)電場(chǎng)的影響可忽略不計(jì)。使用Bruggeman方程對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行修正：

(5)

式中：為電解液混有氣泡后的電導(dǎo)率；為電解液的體積分?jǐn)?shù)。結(jié)合法拉第定律，金屬材料的去除速度可表示為

=ηω=

(6)

式中：為電流效率；為體積電化當(dāng)量。

1.3 仿真模型與邊界條件

仿真過(guò)程選擇二維軸對(duì)稱圖形進(jìn)行建模，模型如圖2所示，、為模型尺寸，圖中點(diǎn)到點(diǎn)分別為氣體沿工件表面擴(kuò)散方向上掩?？變?nèi)距孔底0.01 mm處的點(diǎn)，點(diǎn)～分別為點(diǎn)所在孔不同深度的數(shù)據(jù)提取點(diǎn)。仿真模型的幾何尺寸以及仿真參數(shù)如表1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真過(guò)程中做如下假設(shè)：

1) 流體為恒溫流場(chǎng)、包含重力。

2) 不考慮極化現(xiàn)象。

3) 陰極與工件陽(yáng)極看作等勢(shì)體。

4) 電流效率為100%。

5) 忽略加工過(guò)程中產(chǎn)生的氣體(氫氣與氧氣)對(duì)氣體總含量的影響。

圖2 仿真模型與邊界Fig.2 Simulation model and boundary

表1 模型的幾何尺寸與仿真參數(shù)Table 1 Model geometry and simulation parameters

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，首先進(jìn)行了初步加工實(shí)驗(yàn)，其次設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)以探究不同加工參數(shù)對(duì)脈沖氣體輔助掩模電解加工的影響規(guī)律。

掩模板為單面覆銅板，厚度為0.4 mm，其上有孔徑0.2 mm、孔間距0.4 mm的12×12的陣列孔，工件材料為304不銹鋼，電解液為10wt% NaNO溶液，電解液流量為100 mL/min，電源采用峰值電壓15 V，頻率5 kHz，占空比50%的脈沖電源，加工時(shí)間30 s，高速噴出的氣體由空氣壓縮機(jī)提供，經(jīng)由調(diào)壓閥(通過(guò)調(diào)節(jié)壓力對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié))、流量計(jì)與高頻電磁閥(開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間小于2 ms)后到達(dá)加工區(qū)域(氣管內(nèi)徑為5 mm，電磁閥到噴嘴的氣管長(zhǎng)度約400 mm)，其余參數(shù)與仿真參數(shù)一致。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。正交實(shí)驗(yàn)主要考慮了4個(gè)因素，分別為：(氣閥完全開(kāi)啟時(shí)的流量，簡(jiǎn)稱噴氣流量)、(電解液初始液面高度)、(單個(gè)周期內(nèi)噴氣時(shí)間，簡(jiǎn)稱脈寬)、(單個(gè)周期噴氣間歇時(shí)間，簡(jiǎn)稱脈間)，因素與水平如表2所示。

正交實(shí)驗(yàn)中考慮×、×、×的交互作用，選取L(3)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表頭設(shè)計(jì)如表3所示。實(shí)驗(yàn)后利用激光共聚焦顯微鏡(Laser Scanning Confocal Microscope, LSCM)在噴射中心、左下角以及右上角3個(gè)區(qū)域?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行提取，每組實(shí)驗(yàn)共提取48個(gè)凹坑數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Experiment apparatus

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

表3 正交實(shí)驗(yàn)表頭Table 3 Label of orthogonal experiment

3 結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

圖4展示了在噴射速度為15 m/s時(shí)，持續(xù)施加脈沖氣體0.5 s(即4個(gè)脈沖噴射周期)，掩模孔內(nèi)流體流速的變化趨勢(shì)，由圖4可看出點(diǎn)流速在脈沖氣體噴出后均存在一個(gè)極大值(最大速度達(dá)到0.12 mm/s)，停止噴射時(shí)流速逐漸降低。說(shuō)明施加脈沖氣體對(duì)孔底加工區(qū)域電解液有明顯的擾動(dòng)作用。為探究施加脈沖氣體對(duì)掩?？變?nèi)不同深度的流體流速變化趨勢(shì)，針對(duì)點(diǎn)所在的掩?？祝仄漭S線方向選取5個(gè)不同深度的數(shù)據(jù)點(diǎn)(～)，繪制初始0.5 s內(nèi)各點(diǎn)在脈沖氣體作用下的流速變化曲線于圖5。

圖4 A點(diǎn)處速度隨脈沖施加的變化趨勢(shì)Fig.4 Trend of speed at point A with pulse application

由圖5可看出隨著深度的增加，流體流動(dòng)速度迅速降低，在掩?？椎娜肟谔幜黧w流速的最大值約130 mm/s，孔底處流速已經(jīng)降低至約0.12 mm/s。

圖5 不同深度流速圖Fig.5 Flow velocity at different depths

各掩?？變?nèi)電解液流速的差異將直接影響加工凹坑的一致性。為了解脈沖氣體作用下各掩?？變?nèi)流速分布情況，在噴氣速度為15 m/s時(shí)，提取脈沖氣體作用的首個(gè)周期點(diǎn)到點(diǎn)流速的變化趨勢(shì)于如圖6，可看出從到流速呈下降趨勢(shì)且較為混亂，遠(yuǎn)離噴射中心一定距離的凹坑內(nèi)電解液流動(dòng)速度相對(duì)較低，說(shuō)明單個(gè)噴嘴對(duì)加工區(qū)域的流場(chǎng)的影響范圍有限，若要提高影響范圍，可通過(guò)提高噴氣速度擴(kuò)大其影響范圍，仿真結(jié)果顯示，在噴氣速度為100 m/s時(shí)，掩?？椎撞奎c(diǎn)處最大流速約3.5 mm/s(遠(yuǎn)大于噴氣速度為15 m/s時(shí)點(diǎn)的流速)。

雖然通過(guò)提高噴氣速度能夠擴(kuò)大其影響范圍，進(jìn)而影響更廣的加工區(qū)域，但噴氣速度的提高將會(huì)使更多的氣泡混入電解液，且存在電解液被完全吹離加工區(qū)域的可能。為探究氣體沖擊電解液對(duì)加工的影響，對(duì)不同噴氣速度下的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，在不同噴氣速度下分別提取首個(gè)噴氣周期內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)的電流密度變化曲線于圖7。

由圖7可看出初始時(shí)刻各掩模孔內(nèi)均有最高的電流密度(約38 A/cm)，隨著脈沖氣體的施加，電流密度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化：氣體作用時(shí)，電流密度迅速下降；停止作用時(shí)，電流密度逐漸上升。進(jìn)一步對(duì)比點(diǎn)到點(diǎn)的電流密度發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)離噴射中心的掩?？變?nèi)具有更高的電流密度。這是因?yàn)樵跉怏w噴出瞬間，噴射中心下方的電解液首先被排開(kāi)并混入大量氣泡，之后在氣體的作用下混有氣泡的電解液向四周擴(kuò)散，由式(5)可知，氣體含量越高電導(dǎo)率越低，所以噴射中心區(qū)域電解液的電導(dǎo)率低于噴射外圍區(qū)域，這種現(xiàn)象在噴嘴固定位置噴射的情況下對(duì)加工一致性將會(huì)造成不良影響。

圖6 噴氣速度為15 m/s時(shí)首個(gè)噴氣周期內(nèi)點(diǎn)A-點(diǎn)F流速曲線Fig.6 Flow velocity curve of point A to point F in the first cycle when jet velocity is 15 m/s

圖7 不同噴氣速度作用下各點(diǎn)電流密度變化曲線Fig.7 Current density change curve at each point under different jet speed

而在不同噴氣速度下，電流密度的變化速率與變化量也不同，在100 m/s的噴氣速度的作用下，較高的噴氣速度使加工區(qū)域電解液被瞬間吹離加工區(qū)域，各點(diǎn)電流密度迅速下降至0 A/cm，導(dǎo)致加工停滯，而在噴氣速度為15 m/s時(shí)，各點(diǎn)電流密度并未下降至0 A/cm，說(shuō)明較小的噴氣速度并未將電解液完全吹離加工區(qū)域，但混入了大量氣泡。為了更加直觀地了解不同噴氣速度對(duì)加工成型的影響，將各噴氣速度下仿真5 s后的工件表面凹坑形貌繪制于圖8。

由圖8可看出凹坑均沿流體擴(kuò)散方向逐漸變深，符合上文對(duì)各掩?？變?nèi)流速以及電流密度的分析結(jié)果，并且在較低的噴氣速度下加工凹坑具有更深的平均深度，其原因是較低的噴氣速度對(duì)電解液的沖擊相對(duì)較弱，混入電解液的氣泡少，電解液電導(dǎo)率更高。但由于低噴氣速度下各掩模孔內(nèi)電解液氣泡含量的差異比高噴氣速度下更大，導(dǎo)致低噴氣速度下加工凹坑的一致性相對(duì)較差。

仿真結(jié)果揭示了在噴嘴固定前提下不同噴氣速度對(duì)各掩?？變?nèi)電流密度以及對(duì)工件表面成型規(guī)律的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

圖8 不同噴氣速度下加工5 s后工件表面形貌Fig.8 Surface profile of workpiece after processing for 5 s at different jet speeds

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

有無(wú)脈沖氣體輔助加工后的掩模板表面如圖9所示，可看出在脈沖氣體的輔助作用下，加工后的掩模板表面具有明顯的產(chǎn)物排出痕跡，而無(wú)脈沖氣體輔助的掩模板表面則存在產(chǎn)物堆積痕跡，造成掩模孔的堵塞。證明了在脈沖氣體作用下，加工區(qū)域電解產(chǎn)物能夠及時(shí)排出。無(wú)脈沖氣體輔助的條件下，加工后的工件表面如圖10所示。

陣列凹坑沿對(duì)角線3個(gè)區(qū)域的LSCM檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，由圖10可看出加工一致性非

圖9 掩模電解加工后掩模板對(duì)比圖Fig.9 Comparison of mask after through-mask electrochemical machining

圖10 無(wú)氣體輔助的掩模電解加工工件表面Fig.10 Surface of through-mask electrochemical machining without gas assist

常差且無(wú)規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)工件表面存在較多幾乎未加工到的地方，這是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，工件表面逐漸產(chǎn)生氣泡，氣泡匯集后可能出現(xiàn)覆蓋在掩?？兹肟诘那闆r，且在液體流速較低的條件下，氣泡無(wú)法被沖走，導(dǎo)致電解液與加工區(qū)域被氣泡隔絕，使部分區(qū)域加工停滯。無(wú)脈沖氣體輔助時(shí)，陣列凹坑的平均深度僅為3.3 μm，而深度標(biāo)準(zhǔn)差與深度極差分別為2.73 μm與8.84 μm。

為驗(yàn)證脈沖氣體的輔助效果，對(duì)單噴嘴固定條件下的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，將每組數(shù)據(jù)的深度標(biāo)準(zhǔn)差作為指標(biāo)1，用以評(píng)價(jià)加工深度的一致性，其方差分析表如表4所示，當(dāng)某因素的平均離差平方和小于誤差的平均離差平方和時(shí)，將其歸為誤差，并構(gòu)成新的誤差列。結(jié)果顯示：對(duì)于給定的顯著性水平=0.05，因素與因素對(duì)陣列凹坑深度一致性具有顯著影響。

指標(biāo)1的因素指標(biāo)圖如圖11所示，可看出隨著噴氣速度的降低，陣列凹坑的一致性呈線性提高，這與仿真結(jié)果相吻合。同時(shí)，隨脈沖間歇時(shí)間的增加，陣列凹坑的一致性也逐漸上升，這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的間歇時(shí)間能夠使被吹離加工區(qū)域的電解液完全恢復(fù)，避免噴射中心區(qū)域因缺乏電解液而造成無(wú)法加工的結(jié)果。更長(zhǎng)的脈寬將導(dǎo)致更多電解液被吹離加工區(qū)域，且需要更長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間；更高的液面高度會(huì)對(duì)高速噴出的氣體造成更大的阻力，從而削弱脈沖氣體對(duì)加工區(qū)域的沖擊力。極差分析得到各因素對(duì)指標(biāo)的影響從主到次為：>>>。

表4 指標(biāo)1的方差分析表Table 4 Analysis of variance table for indicator 1

圖11 指標(biāo)1的因素指標(biāo)圖Fig.11 Factor index graph for indicator 1

正交實(shí)驗(yàn)中，具有最小深度標(biāo)準(zhǔn)差的陣列凹坑的深度標(biāo)準(zhǔn)差為0.75 μm，深度極差與平均深度分別為3.3 μm與4.4 μm。陣列凹坑沿對(duì)角線3個(gè)區(qū)域的LSCM檢測(cè)結(jié)果如圖12所示，從圖中可知，除噴射中心區(qū)域的幾個(gè)孔深度略小之外，非噴射中心區(qū)域的凹坑展現(xiàn)出高度一致性，其深度標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.58 μm，極差為2.6 μm。

圖12 具有最小深度標(biāo)準(zhǔn)差的工件表面Fig.12 Workpiece surfaces with minimum depth standard deviation

選取陣列凹坑的平均深度作為指標(biāo)2時(shí)，其方差分析表如表5所示。分析果顯示：對(duì)于給定的顯著性水平=0.05，因素、、、與×對(duì)陣列凹坑平均深度均有顯著影響。

表5 指標(biāo)2的方差分析表Table 5 Analysis of variance table for indicator 2

指標(biāo)2的因素指標(biāo)圖如圖13所示，可看出在一定范圍內(nèi)選擇更大的噴氣流量、更短的脈寬與更短的脈間將得到更深的平均深度，原因是當(dāng)脈沖氣體高速、高頻噴射時(shí)，對(duì)掩?？變?nèi)流場(chǎng)的沖擊將會(huì)更加劇烈，對(duì)流和傳質(zhì)能力大幅提高，減弱了極化現(xiàn)象，加工效率得到大幅提高。各因素對(duì)指標(biāo)的影響從主到次為：>>>。

圖13 指標(biāo)2的因素指標(biāo)圖Fig.13 Factor index graph for indicator 2

而正交實(shí)驗(yàn)中加工陣列凹坑具有最大平均深度的工件表面LSCM檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。其平均深度為15.2 μm，是具有最小深度標(biāo)準(zhǔn)差的陣列凹坑的3.5倍，其深度標(biāo)準(zhǔn)差與深度極差分別為2.97 μm與21.6 μm，非噴射中心區(qū)域的凹坑深度標(biāo)準(zhǔn)差為1.81 μm，極差為7.2 μm。

圖14 具有最大平均深度的工件表面Fig.14 Workpiece surface with maximum average depth

沿流體擴(kuò)散方向分別提取無(wú)氣體輔助與正交實(shí)驗(yàn)中不同指標(biāo)下的最優(yōu)結(jié)果于圖15，由圖可知有脈沖氣體輔助的正交實(shí)驗(yàn)中所得工件凹坑成型規(guī)律與仿真一致，均是沿流體擴(kuò)散方向凹坑深度逐漸加深，且相比無(wú)脈沖氣體輔助的加工結(jié)果在加工一致性以及加工效率上均有所提高。具體數(shù)據(jù)如表6所示，由表6可知具有最高加工效率的加工結(jié)果其效率較無(wú)氣體輔助下約提高了400%，但加工一致性卻降低了約8%；而具有最好加工一致性的加工結(jié)果較無(wú)氣體輔助下提高了約260%，而加工效率卻僅提高了33%。

由以上數(shù)據(jù)可看出，在噴嘴固定位置噴射時(shí)，加工一致性與加工效率難以兼得，其主要原因是脈沖氣體強(qiáng)烈的沖擊雖然極大地促進(jìn)了加工產(chǎn)物的排出，但過(guò)強(qiáng)的沖擊使噴射中心區(qū)域存在缺液現(xiàn)象，導(dǎo)致局部加工停滯，由于噴嘴位置固定，噴嘴下方區(qū)域液體難以恢復(fù)，最終造成整體陣列凹坑的加工不一致性。

圖15 沿流體擴(kuò)散射線方向凹坑成型圖Fig.15 Dimple formation along ray direction of fluid diffusion

表6 有無(wú)氣體輔助的加工結(jié)果Table 6 With or without gas assisted processing results

為進(jìn)一步提高加工一致性，采用單噴嘴掃描噴射形式對(duì)陣列凹坑進(jìn)行加工，噴嘴掃描速度為0.6 mm/s，加工時(shí)間30 s，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)與正交實(shí)驗(yàn)中具有最高加工效率的實(shí)驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)一致(即噴射流量為75 mL/s，液面高度為8 mm，脈寬為10 ms，脈間為10 ms)。加工后的工件表面形貌如圖16所示，圖中黃色實(shí)線表示噴嘴掃描路徑，凹坑平均深度為10.7 μm，深度標(biāo)準(zhǔn)差與深度極差分別為1.06 μm與4.8 μm，加工一致性與加工效率相比無(wú)脈沖氣體輔助時(shí)分別提高了157%與224%，說(shuō)明噴嘴掃描不僅能夠提高加工效率，同時(shí)保證了良好的加工一致性。

圖16 噴嘴掃描加工后工件表面Fig.16 Surface of workpiece after nozzle scanning

4 結(jié) 論

探究了脈沖氣體輔助掩模電解加工的特性，綜合考慮仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可作以下結(jié)論：

1) 基于脈沖氣體輔助掩模電解加工工藝特性，建立了脈沖氣體作用于加工區(qū)域的氣液兩相流與電場(chǎng)耦合的多物理場(chǎng)理論模型。仿真結(jié)果表明在噴氣速度為15 m/s時(shí)，掩?？椎撞苛黧w流動(dòng)速度最大達(dá)到0.12 mm/s，當(dāng)噴氣速度為100 m/s時(shí)，流速可達(dá)到3.5 mm/s，證明脈沖氣體的作用對(duì)加工區(qū)域流場(chǎng)有極大的優(yōu)化作用。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脈沖氣體的作用對(duì)掩?？變?nèi)電解液的擾動(dòng)足夠強(qiáng)烈，對(duì)產(chǎn)物的去除效果明顯，是一種非常簡(jiǎn)便且靈活的方法。

3) 在噴氣流量為75 mL/s(出口流速約為100 m/s)，電解液液面高度為16 mm，脈寬為10 ms，脈間為200 ms時(shí)，陣列凹坑具有最優(yōu)的深度一致性，深度標(biāo)準(zhǔn)差最小達(dá)到0.75 μm；噴氣流量與脈寬不變，降低脈間與液面高度分別至10 ms與8 mm時(shí)，平均深度最大達(dá)到15.2 μm。

4) 加工時(shí)令噴嘴掃描能夠有效克服噴嘴固定時(shí)加工效率與加工一致性難以兼得的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮脈沖氣體輔助的優(yōu)勢(shì)，且脈沖氣體輔助加工的形式可非常靈活，除了加工時(shí)令噴嘴掃描還可考慮其他優(yōu)化方式，如令噴氣與加工分步進(jìn)行，即在氣體噴射的脈寬階段關(guān)閉電解加工電源，脈間階段待電解液恢復(fù)后開(kāi)啟電解電源等。