基于周期性換向沖液的掩膜電解加工技術(shù)

王國乾，李寒松，韓國峰，李若琪，張彥

1. 南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816 2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016

群小孔結(jié)構(gòu)零部件常以一定規(guī)律性的密集孔排布來實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，諸如航空發(fā)動機(jī)中氣膜冷卻孔、冷氣導(dǎo)管以及空氣阻尼套等零部件，其結(jié)構(gòu)具備薄壁、多孔、小間距、材料難加工等特征，對加工精度及表面質(zhì)量有較高要求，成形難度較大。掩膜電解加工技術(shù)憑借高材料去除率、良好表面完整性和低成本高效率等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到幾何形狀復(fù)雜而表面質(zhì)量要求較高的群小孔結(jié)構(gòu)零部件加工中。然而，掩膜電解加工過程中，電解產(chǎn)物和熱量極易在掩膜結(jié)構(gòu)內(nèi)聚集，從而影響加工質(zhì)量。電解液作為電化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)，除傳導(dǎo)反應(yīng)電流外，還起著傳輸電解產(chǎn)物和熱量的作用，而加工區(qū)域流場的改善將有利于提升電解液更新速率，進(jìn)而改善掩膜電解加工的精度。因此，電解液流場傳質(zhì)分析一直是掩膜電解加工研究中的重點(diǎn)內(nèi)容，主要研究方向包括擴(kuò)散傳質(zhì)分析和強(qiáng)制對流傳質(zhì)分析。

擴(kuò)散傳質(zhì)主要是利用電解液流場內(nèi)各組相的自然對流擴(kuò)散，將電解產(chǎn)物帶離加工區(qū)。這種傳質(zhì)形式的流場狀態(tài)均勻穩(wěn)定，易于控制，蝕除精度較高。麻省理工學(xué)院Courtney博士所在團(tuán)隊(duì)便利用擴(kuò)散傳質(zhì)，結(jié)合可移動式槳葉形陰極制備了高質(zhì)量微米級陣列尖端結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)去除材料較多時，擴(kuò)散傳質(zhì)無法滿足持續(xù)電解加工的要求。電解產(chǎn)物容易在掩膜結(jié)構(gòu)內(nèi)堵塞，因此擴(kuò)散傳質(zhì)僅適用于表面微結(jié)構(gòu)的加工，其材料去除深度最大約為十幾微米。

強(qiáng)制對流傳質(zhì)則是利用高速(>15 m/s)的電解液流帶走加工區(qū)的電解產(chǎn)物，可以實(shí)現(xiàn)加工區(qū)電解液的持續(xù)更新，傳質(zhì)效率極高。印度學(xué)者M(jìn)ahata等利用高速沖液技術(shù)配合低深徑比掩膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了大面積微坑陣列的高效加工。國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在強(qiáng)制對流傳質(zhì)方面的研究更為豐富，南航朱荻教授團(tuán)隊(duì)先后開展了掩膜側(cè)壁結(jié)構(gòu)對高速流場的影響、大面積掩膜電解加工蛇形流場設(shè)計(jì)以及高速流場內(nèi)電解產(chǎn)物分布狀態(tài)等方面的研究，極大地豐富了掩膜電解加工強(qiáng)制對流傳質(zhì)地研究。大連理工大學(xué)杜立群教授采用兆聲輔助工藝提升掩膜電解加工地傳質(zhì)效率，顯著改善了陣列微結(jié)構(gòu)地加工精度。河南理工大學(xué)明平美教授采用磁場輔助工藝提升流場傳質(zhì)效率,約束電場分布，提升了掩膜電解加工的定域性。廣東工業(yè)大學(xué)陳曉磊副教授則借鑒電射流加工技術(shù)，提出射流掩膜電解加工，不僅改善了傳質(zhì)效果，同時提升了掩膜電解加工的靈活性。當(dāng)然，由于電解液流速較高，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的流道保證整個加工區(qū)的流場狀態(tài)一致性，因而加工裝置較為復(fù)雜。

隨著掩膜電解加工技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步的擴(kuò)展，加工對象更加復(fù)雜，對于傳質(zhì)要求越來越高，因此強(qiáng)制對流傳質(zhì)的應(yīng)用更加普遍，其中側(cè)面單向沖液是掩膜電解加工中最常見的供液方式，不僅流道設(shè)計(jì)簡單，裝置易于實(shí)現(xiàn)，且傳質(zhì)效率較高。然而，由于電解液流向單一，加工對象的迎水面和背水面流場狀態(tài)不同，造成最終成形結(jié)果存在差異。

針對上述問題，本文提出周期性換向沖液掩膜電解加工技術(shù)，通過周期性改變電解液的沖液方向，保證加工對象各處的流場狀態(tài)盡可能保持一致，從而改善群小孔結(jié)構(gòu)的成形精度。

1 周期性換向沖液的基本原理

掩膜電解加工技術(shù)是通過絕緣掩膜限定陽極工件的電解反應(yīng)區(qū)域，利用陽極金屬在電化學(xué)反應(yīng)中的溶解現(xiàn)象，將掩膜結(jié)構(gòu)復(fù)制到工件之上。其加工原理如圖1(a)所示。掩膜電解加工中，電解液從陰極與掩膜之間一側(cè)高速流入，通過掩膜上的圖案進(jìn)入陽極工件加工表面，在陰陽極之間電化學(xué)反應(yīng)作用下，陽極工件被逐漸溶解，電解液將電解產(chǎn)物和熱量帶離加工區(qū)，從另一側(cè)流出。采用圖示單向側(cè)邊沖液，電解加工所得孔如圖1(b)所示，圖中孔的側(cè)壁與軸線的夾角(簡稱“側(cè)壁夾角”)在迎水側(cè)和背水側(cè)存在巨大差異，背水側(cè)側(cè)壁夾角約為6.33°，而迎水側(cè)側(cè)壁夾角達(dá)23.21°，差異率達(dá)266.7%。造成如此巨大差異的主要原因在于，側(cè)面單向沖液狀態(tài)下孔側(cè)壁迎水面與背水面流場狀態(tài)存在差異，造成電解更新速率的差異，進(jìn)而引起電化學(xué)反應(yīng)速率的差異，最終造成側(cè)壁夾角的差異。

圖1 單向沖液掩膜電解加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of through-mask ECM with one-way side flush

在整個加工過程中，電解液的流動方向若能實(shí)現(xiàn)周期性變化，使得孔側(cè)壁的迎水面與背水面流場狀態(tài)趨于一致，則可以提高側(cè)壁質(zhì)量的一致性。圖2所示為周期性換向沖液技術(shù)示意圖，通過在電解液循環(huán)管路中設(shè)置多個電磁閥，通過PLC控制電磁閥的周期性開閉，實(shí)現(xiàn)周期性換向沖液。如圖2所示，電解液流入路通過電磁閥、控制，回流通路由、控制。各組電磁閥工作邏輯如下，開啟時，開啟，和閉合，從而實(shí)現(xiàn)自左向右的沖液；當(dāng)開啟時，開啟，和閉合，實(shí)現(xiàn)自右向左的沖液。

然而，在電解液換向時，加工區(qū)流場狀態(tài)的響應(yīng)是需要時間的。若換向頻率過高，則會造成流道內(nèi)電解液流動始終處于紊亂狀態(tài)，影響加工精度，甚至無法加工；若換向頻率較低，則無法實(shí)現(xiàn)周期性換向的加工效果，因此需研究分析換向頻率的有效范圍。

圖2 周期換向沖液掩膜電解加工技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of through-mask ECM with periodic reversing flushing

2 流場仿真分析

為了簡化問題，電解液被認(rèn)為是連續(xù)不可壓縮的粘性流體，因此可利用Navier-Stokes方程進(jìn)行流體力學(xué)分析，建立數(shù)學(xué)模型后通過數(shù)值計(jì)算和仿真軟件模擬掩膜電解加工的流場。

2.1 流場幾何模型

雙面掩膜電解加工群孔的過程可分為初始加工階段、獨(dú)立穿孔階段、擊穿擴(kuò)孔階段的3個階段。在仿真中創(chuàng)建3個幾何模型如圖3所示，其中圖3(a)和圖3(b)為前2個階段，此時上部和下部的流場彼此獨(dú)立互不貫通，所以只需要模擬單面流場即可；在擊穿擴(kuò)孔階段，工件的上部和下部的流場互連成一體，彼此間產(chǎn)生相互影響，因此第3階段為雙面幾何模型，如圖3(c)所示。在仿真中設(shè)置速度入口和壓力出口作為邊界條件，選擇15、20、25 m/s這3種入口速度來模擬流場狀態(tài)，出口的相對壓力均設(shè)置為0。

圖3 不同加工階段的流場模型Fig.3 Geometric model of flow field in different processing stages

2.2 流場仿真結(jié)果與分析

在流場仿真中，統(tǒng)一采用由左至右的電解液流動方向。根據(jù)上述邊界條件，通過流體分析軟件得到了不同流速下各階段的仿真結(jié)果。圖4為初始加工階段的流場仿真結(jié)果。由流速云圖可知每個掩膜孔內(nèi)的電解液流動狀態(tài)基本相同，因此可任選單個孔進(jìn)行流場分析。從圖4(a)中可以發(fā)現(xiàn)單孔中的流速分布并不均勻，迎水側(cè)的流速更高。若在掩膜孔底部靠近陽極表面處取值，可得圖4(b)所示的流速分布曲線，在3種入口流速下，流場分布趨勢基本一致，迎水側(cè)流速明顯高于背水側(cè)流水。因此，在加工初始階段，迎水側(cè)的電解液更新將更加高效，材料的去除速率也將高于背水側(cè)。

圖4 初始加工階段流場仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results at initial processing stage

進(jìn)入獨(dú)立穿孔階段后，流場仿真結(jié)果如圖5所示。隨著陽極材料的去除，掩膜下方出現(xiàn)凹坑結(jié)構(gòu)。在流場充分發(fā)展至穩(wěn)態(tài)時，各孔內(nèi)流場狀態(tài)基本一致，仍可以選取單孔進(jìn)行分析。由圖5(a)流速云圖可知，掩膜孔內(nèi)將形成顯著的渦流，且整體流速較為對稱。若沿圖5(a)所示取值線進(jìn)行取值，可得圖5(b)所示的流速曲線圖。雖然在不同入口流速下，孔內(nèi)流速分布略有不同，但整體而言孔的迎水側(cè)與背水側(cè)流速基本相當(dāng)。因此，在此階段迎水側(cè)與背水側(cè)的材料去除速率基本一致，對側(cè)壁夾角差異性影響較小。

圖5 獨(dú)立擊穿階段流場仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results at independent perforation stage

圖6為陽極材料貫穿后擴(kuò)孔階段的流場仿真結(jié)果，此時陽極孔呈“啞鈴型”，上下兩股電解液流在孔內(nèi)交匯，并產(chǎn)生影響。由圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，由于上下液流在撞擊掩膜壁面后反流，在迎水側(cè)出現(xiàn)了較大范圍的低流速區(qū)。相對的背水側(cè)，則因?yàn)樯舷码娊庖悍戳骱蟮膮R合出現(xiàn)了較高的流速。若沿圖示位置進(jìn)行取值，繪制圖6(b)所示的流速分布曲線。無論在何種入口流速下，背水側(cè)的流速總是高于迎水側(cè)，也意味著背水側(cè)的材料去除速率更高。同時，根據(jù)3個加工階段的特點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)擴(kuò)孔階段的主要作用便是修整孔的側(cè)壁夾角，因此這一階段電解液流速對孔側(cè)壁的影響最為明顯。而背水側(cè)流速與迎水側(cè)流速的差異，直接造成了兩側(cè)側(cè)壁夾角的差異。

圖6 擊穿擴(kuò)孔階段流場仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results at breakdown and reaming stage

通過上述仿真可知，采用單向沖液時，無論在何種加工階段，迎水面與背水面的流速總是存在差異，尤其是在擴(kuò)孔階段，背水面流速高于迎水面流速，造成兩側(cè)材料去除速率不同，使得兩側(cè)孔壁與軸線夾角出現(xiàn)差異，影響最終加工精度。

3 周期換向沖液實(shí)驗(yàn)分析

3.1 周期性換向?qū)嶒?yàn)裝置

周期性換向控制系統(tǒng)的工作流程如圖7所示，PLC控制器根據(jù)設(shè)定程序輸出數(shù)字信號，電器繼電器根據(jù)PLC輸入的數(shù)字信號決定需要閉合或斷開的線路；同時，開關(guān)電源將220 V交流電轉(zhuǎn)換成直流電輸出到繼電器端口，若該端口線路在PLC控制下為閉合狀態(tài)，則相應(yīng)電磁閥通電開啟，管路通液，反之則電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，電解液無法通過。

圖7 周期性換向控制系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of periodic reversing control system

3.2 實(shí)驗(yàn)條件及加工質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

表1 掩膜電解加工參數(shù)Table 1 Processing parameters of through-mask ECM

針對群孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在評價單個孔加工質(zhì)量的同時，更加需要評價群孔整體的加工質(zhì)量。因此，在評價單個孔的直徑、圓度誤差和側(cè)壁夾角的同時，統(tǒng)計(jì)分析上述3個指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，從而判斷群孔的加工質(zhì)量。其中孔的側(cè)壁夾角及其差異率的測量方法如圖8所示，通過分別測量迎水側(cè)和背水側(cè)的半徑差值，計(jì)算側(cè)壁夾角及其差異率。上述所有評價指標(biāo)的測量均通過奧林巴斯工具顯微鏡完成，該顯微鏡最小分辨率為0.1 μm。

圖8 側(cè)壁夾角及其差異率Fig.8 Sidewall angle and its difference rate

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中選取的換向頻率為6個組別，如表2所示，在換向過程中，一個周期內(nèi)單向沖液時長是相等的。為更加直觀的分析換向沖液對加工的影響，在下文分析時以換向間隔時間作為自變量，即周期的二分之一。

表2 換向頻率取值Table 2 Value of reversing frequency

首先，使用工具顯微鏡對小孔進(jìn)行觀察，圖9為不同換向間隔時間下孔的顯微照片。由圖9可知，與單向沖液相比，采用周期換向性換向沖液后，孔的側(cè)壁夾角一致性有明顯改善。然而，當(dāng)換向間隔為1 s和 3 s時，加工結(jié)果較差，雖然迎水側(cè)和背水側(cè)的側(cè)壁夾角較為一致，但側(cè)壁夾角顯著增大。這主要因?yàn)閾Q向過于頻繁，造成加工區(qū)流場紊亂，加工產(chǎn)物不易排出，從而造成側(cè)壁夾角整體增大。當(dāng)換向間隔提高至5 s和7 s時，可以看出孔的側(cè)壁夾角減小，孔的形貌優(yōu)于單向沖液，孔側(cè)壁夾角的一致性明顯提升。然而，當(dāng)換向間隔達(dá)到9 s時，加工所得孔與單向沖液時基本類似，說明換向間隔過長時，在單個周期內(nèi)造成的孔側(cè)壁夾角不一致問題，無法在持續(xù)加工中得到改善。

圖9 不同換向間隔Tc下小孔形貌Fig.9 Different reversing intervals Tc pore morphology

為進(jìn)一步量化分析不同換向間隔時間下孔的加工質(zhì)量，對各組加工結(jié)果進(jìn)行孔徑和圓度測量，并統(tǒng)計(jì)分析各組的平均孔徑、最大圓度誤差。圖10為各組孔徑和圓度誤差的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)在換向間隔為1 s和3 s時，圓度誤差較大分別達(dá)到了13.73 μm和11.08 μm，且孔徑小于要求的孔徑；在換向間隔為5 s和7 s時，群孔的圓度誤差較小，僅為5.16 μm和5.71 μm，孔徑亦能滿足加工要求；而換向間隔為9 s時，加工結(jié)果與單向沖液沒有太大區(qū)別。

圖10 不同換向間隔Tc下平均孔徑與最大圓度誤差Fig.10 Average aperture and maximum roundness error of group holes in different reversing intervals (Tc)

進(jìn)一步測量孔的側(cè)壁夾角，并以孔的最大側(cè)壁夾角和差異率為變量繪制如圖11所示的變化曲線。由圖11可知，孔的側(cè)壁夾角隨換向間隔時長的變化趨勢為先增大后逐漸降低，然后又再次增大。整體變化趨勢與前文觀察的小孔形貌以及孔徑和圓度變化保持一致。在側(cè)壁角度差異率方面，采用周期性換向沖液后，側(cè)壁夾角差異顯著減小，除換向間隔為9 s時，其他換向間隔下，孔側(cè)壁差異率均在10%以內(nèi)。其中，換向間隔為5 s時，孔的最大側(cè)壁夾角僅為5.17°，且差異率約為1%，表現(xiàn)出了最佳的加工效果。這表明周期性換向沖液對降低側(cè)壁夾角差異率具有顯著效果，當(dāng)然應(yīng)嚴(yán)格控制換向間隔時間。

圖11 不同換向間隔Tc下孔的側(cè)壁夾角Fig.11 Sidewall angles of group holes in different reversing intervals (Tc)

根據(jù)上述分析可知，最佳的換向頻率為0.1 Hz，即換向間隔為5 s。在此條件下，所加工的群孔如圖12所示。通過測量可知，所有孔的直徑均滿足設(shè)計(jì)要求，最大圓度誤差小于6 μm，且孔壁加工一致性良好，孔的側(cè)壁夾角差異率小于1%。

圖12 優(yōu)化參數(shù)下群孔加工結(jié)果Fig.12 Fabricated group holes by periodic reversing flow

4 結(jié) 論

1) 針對單向側(cè)面沖液掩膜電解加工，開展了流場仿真分析。在孔的3個成形階段，迎水側(cè)和背水側(cè)的電解液流場均存在一定差異，且這種差異隨著加工的進(jìn)行在不斷變化。在初始階段，迎水側(cè)流速高于背水側(cè)流速；在獨(dú)立擊穿階段，迎水側(cè)流速與背水側(cè)流水基本相當(dāng)；而在擴(kuò)孔階段，背水側(cè)流速高于迎水側(cè)。流場分布的持續(xù)變化，造成孔壁形貌的變化。尤其是在擊穿擴(kuò)孔階段，是孔壁形貌最終也是最重要的成形階段，由于背水側(cè)流速更高，電解液更新更快，因而造成背水側(cè)的側(cè)壁夾角小于迎水側(cè)的側(cè)壁夾角。同時，該結(jié)果也表明如果采用換向沖液可以實(shí)現(xiàn)加工區(qū)各處流場一致，則可解決側(cè)壁夾角不一致的問題。

2) 通過PLC控制器、電磁繼電器、開關(guān)電源和電磁閥構(gòu)成的電解液周期性換向沖液控制系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)電解液不同頻率的換向沖液。為分析獲得最佳的換向頻率，設(shè)計(jì)了多組別的加工實(shí)驗(yàn)，通過分析加工所得群孔的孔徑誤差、圓度誤差以及側(cè)壁夾角誤差，確定出最佳周期換向沖液頻率為0.1 Hz，即換向間隔時長為5 s。在此優(yōu)化參數(shù)下，進(jìn)行了5×5的群孔陣列加工，群孔的最大圓度誤差小于6 μm，最大側(cè)壁夾角約為5.17°，且孔的側(cè)壁夾角差異率小于1%，具有良好的加工一致性，可以滿足群孔結(jié)構(gòu)的加工要求。