伍朝志，曲寧松，溫帆帆

（ 南京航空航天大學機電學院，直升機傳動技術國家級重點實驗室，江蘇南京210016 ）

微細加工技術是微機電系統(tǒng)的基礎與核心[1-2]。微細射流電解加工是利用微細中空管電極噴射電解液束，并基于電化學原理對工件加工區(qū)域進行選擇性微量蝕除的一種微細加工方法[3-4]，該技術可實現(xiàn)點蝕、切割、鉆孔及復雜銑削等方式的加工[5]，最終制得具有不同滑移附著力的疏水微槽與微坑等高質(zhì)量微結(jié)構(gòu)[6-8]。 眾多學者對微細射流電解加工展開了深入研究， Ippolito 等[3]觀察流速1.5~13.5 m/s的電解液沖向工件陽極后，反流先以薄膜的形式沿徑向擴散，后在遠離射流中心處形成水躍。

射流反流形態(tài)對于微結(jié)構(gòu)的尺寸及形貌具有重要影響[9-10]。 Hackert 等[11]基于氣液兩相流仿真計算與試驗研究，發(fā)現(xiàn)射流反流的二次接觸可使加工入口產(chǎn)生明顯倒角，邊緣銳度與形貌精度下降。 曲寧松等[12]將反射電解液控制在與電極進給方向的相同一側(cè)，提高了微槽邊緣銳度、尺寸精度與型面質(zhì)量。 還有研究表明，電解液射流速度對于微結(jié)構(gòu)的幾何形貌無明顯影響，但當射流速度較低時，雜散射流的存在會明顯限制加工精度與加工深度[13]。

電流密度及其分布情況亦在很大程度上影響著加工精度與效率。 Yoneda 等[14]發(fā)現(xiàn)微細流束周圍的電解液薄膜可限制電流分布的發(fā)散，從而將電流密度分布集中于射流中心區(qū)域。 郭程等[15]利用虹吸效應將射流反流限在微細管電極下方一個相對較小的區(qū)域，電流密度集中程度提高。趙永華等[16]在自由曲面的加工研究中發(fā)現(xiàn)，曲率半徑越小，電流密度分布越集中，加工深度越大，材料去除率和加工精度越高。 進一步的研究表明，相較于低密度電流，高電流密度可形成更優(yōu)的加工表面質(zhì)量[17]。

可見，眾多學者在材料去除原理、加工精度及加工效率等方面開展了大量研究工作，并取得了很好的成果；然而，射流電解加工所制微結(jié)構(gòu)的起點是微坑，其形成過程鮮有研究提及。 本文通過仿真預測和微細射流電解加工試驗驗證相結(jié)合的方式，探索微坑由產(chǎn)生、發(fā)展變化到制備完成的完整過程。

1 試驗方法

圖1 是利用內(nèi)徑50 μm 的微細管電極，開展微細射流電解加工的試驗平臺，其組成主要包括精密微納三軸運動平臺、運動控制系統(tǒng)、直流電源、低流量高壓水泵系統(tǒng)、五級過濾系統(tǒng)、時間繼電器及裝有微細管電極和工件坯料的裝夾系統(tǒng)。

圖1 微細射流電解加工試驗平臺示意

需要指出的是，由于所使用微細管的內(nèi)徑僅為50 μm， 據(jù)此形成在工件表面的反流液膜離開難度較大，易聚集包覆微細管外表面，擴大非目標加工區(qū)域的二次腐蝕范圍。 于是， 本研究將管電極沿X軸水平安裝、工件沿Y-Z 面豎直安裝，利用自身重力作用加速工件表面電解液薄膜的離開能力。

試驗中， 設定加工電壓U=30 V， 加工間距d=100 μm，NaCl 電解液質(zhì)量分數(shù) 20%、 流量 0.25 L/h（流速約30 m/s）。 本文所用的試驗參數(shù)是在前期大量探索性工作基礎之上優(yōu)選所得，通過此參數(shù)制備出的微坑結(jié)構(gòu)質(zhì)量較高、無明顯缺陷，具有代表性。

2 物理模型與電流密度分布

射流電解加工極間電場主要由管電極內(nèi)壁提供，且電流密度分布控制著材料的溶解速率和微結(jié)構(gòu)的三維形貌特征。 圖2 是微細射流電解加工微坑的物理模型，隨著加工進程的持續(xù)，微坑的三維尺寸逐漸增大（Γ0，Γ1，Γ2… Γn-1，Γn）。通過 COMOSOL軟件對各階段的電流密度分布情況進行仿真計算，假設電解液各微元間的溫度和電導率一致。 室溫下電解液的實際電導率約為15.4 S/m。

圖2 微細射流電解加工微坑物理模型

圖3 為極間電流密度分布的仿真結(jié)果，為揭示微坑三維形貌的發(fā)展規(guī)律與形成機理做鋪墊。 由圖可知，總體上高電流密度基本集中于管電極微流道正對的加工區(qū)域。 在尚未發(fā)生溶解時，a0處電流密度最大，且電流密度沿周向非線性下降，待加工區(qū)域的材料溶解速率將有相應程度的下降；隨著微坑的逐漸形成，中心電流密度由a0逐漸減至an，邊緣的密度快速增加， 將使加工型面的坡度與圓角增大。

圖3 不同加工階段微坑的電流密度分布情況

3 流場仿真計算

3.1 仿真計算條件

均勻穩(wěn)定的流場環(huán)境對于電解產(chǎn)物的有效輸出和高質(zhì)量型面的形成非常有利。 然而，射流反流與工件非目標加工區(qū)域、工具電極連接形成閉合回路，會造成非目標加工區(qū)域的雜散腐蝕。

對微坑的完整成形過程進行離散化處理，然后利用ANSYS20 對各階段（不同深徑尺寸）的極間流場分布情況進行仿真計算。 射流電解加工中的流場是開放式的，加工區(qū)域包含氣液混合物，因此需要采用氣-液兩相流混合模型對極間流場分布情況進行仿真計算。 表1 是流場計算的主要參數(shù)，圖4 是流場數(shù)值模擬的簡化物理模型，初始計算域設定為空氣。

表1 流場計算中的主要參數(shù)

圖4 流場仿真計算的簡化模型

在仿真中，針對流場計算做如下假設：① 流體的運動遵循質(zhì)量守恒和動量守恒方程；②電解液不可壓縮，其流動過程連續(xù)；③忽略電解液濃度和溫度的變化。

3.2 仿真計算試驗

圖5 是通電之前的反流形式。 如圖5a 所示，極間電場加載之前，電解液經(jīng)管電極形成微細高速射流， 反流以液膜的形式沿流束周向離開待加工區(qū)域。 如圖5b 所示，靠近待加工區(qū)域表面處、存在渦流黏度值較大的橢圓形區(qū)域，意味著該區(qū)域及附近各微元間的流速具有明顯差異，且靠近待加工表面方向，流速逐漸增大，利于加工產(chǎn)物的排出。

圖5 通電之前的反流形式

由圖3 的極間電流密度分布可知，Γ0狀態(tài)下，a0處的電流密度最大。 那么，在選擇性蝕除過程中，工件表面相應局部區(qū)域的材料會被以相對較大的速率去除，而區(qū)域外的材料去除率將逐漸降低。 隨著加工的進行，微坑的深徑尺寸將不斷增大。

圖6 是微坑直徑分別為 45、50、55 μm 時，不同深徑條件下的極間流場，圖中H 和D 分別表示微坑深度和微坑直徑。可見，微坑直徑不超過65 μm 時，不同深徑尺寸條件下工件表面的電解液反流均以液膜形式離開。 隨著加工深度的增加，加工表面的氣液混合物體積在增加，這意味著電解液的更新難度提高，產(chǎn)物的排出難度加大。 另外，得益于電解液的自身重力作用，加工型面下半部分的氣液混合物體積相比于上半部分較少，且在較大加工深度時反流液膜向上離開加工型面的難度要大于向下離開加工型面的難度，如圖6f-h 中的局部放大圖所示。

圖6 D 不超過65 μm 時不同深徑條件下的極間流場

圖7 給出了微坑直徑超過65 μm 后的極間流場分布情況。如圖7a 所示，當微坑深度為15 μm、直徑為70 μm 時，射流反流仍為向外擴張的液膜（區(qū)域 1#）；如圖 7b 所示，當微坑深度為 17 μm 時，離開微坑的初始反流（區(qū)域2#）及向外擴張的液膜邊緣，均呈現(xiàn)出輕微離岸濺射現(xiàn)象。 如圖7c 所示，當微坑深度為 21 μm、直徑為 75 μm 時，初始反流（區(qū)域3#）與液膜邊緣，均有較明顯的離岸濺射現(xiàn)象；如圖7d 所示，當微坑深度為 25 μm、直徑為 80 μm 時，射流反流已呈現(xiàn)出明顯的離岸濺射現(xiàn)象（區(qū)域4#）。

圖7 D 為 70、75、80 μm 時的極間流場

綜上可知， 當微坑深徑尺寸在一定范圍內(nèi)、射流反流以液膜的形式離開型面時，其外緣的電解液薄膜會形成低電流密度區(qū)域，但高電流密度基本被限制在管電極微流道正對的加工區(qū)域。 然而，當微坑直徑超過65 μm、 微坑深度大于一定尺寸后，射流反流呈現(xiàn)出明顯的離岸濺射現(xiàn)象，如此低電流密度區(qū)域減少， 電流分布進一步沿加工型面集中，微坑邊緣的電流密度快速提高，將引起局部區(qū)域蝕除速率的明顯增大。

4 微坑的制備

為了驗證上述極間電流密度分布和流場仿真計算結(jié)果的準確性，利用時間繼電器控制電解加工時長，將目標微坑的完整形成過程離散化，通過微細射流電解加工試驗獲得各離散節(jié)點的微坑，并檢測其形貌特征及尺寸。 其中，離散節(jié)點編號對應的腐蝕時長見表2。

表2 不同節(jié)點編號對應的腐蝕時長

圖8 是利用激光共聚焦顯微鏡所測不同腐蝕時長條件下的微坑直徑與深度。 顯然，微坑深度基本隨腐蝕時長的延長而穩(wěn)定增大； 但當時長超過4000 ms、微坑深度超過50 μm 后，微坑底部區(qū)域的電流密度很小，繼續(xù)增加時長不能顯著提高加工型面的深度。 與之不同的是，微坑直徑呈階段性發(fā)展：在腐蝕時長增至300 ms 后，微坑的直徑與深度分別達到56 μm 和14 μm，此時的電解液反流基本仍以液膜的形式離開微坑，微坑邊緣的電流密度集中現(xiàn)象趨于明顯；腐蝕時長超過300 ms 后，由于流束周向均勻濺射的加劇，使得微坑邊緣電流密度集中所呈現(xiàn)出的加速局域材料去除的效果越來越明顯，整體上表現(xiàn)為微坑直徑的快速增加；當腐蝕時長超過350 ms 后，微坑直徑基本趨于穩(wěn)定，這是由于經(jīng)歷短暫的反流濺射，微坑直徑、型腔快速增大后，腔內(nèi)壓力有所減小，出現(xiàn)濺射減弱、被高能散狀射流壓制、重新成為液膜的現(xiàn)象，微坑邊緣的電流密度集中程度大大弱化。

圖8 不同腐蝕時長條件下的微坑直徑與微坑深度

圖9 是不同腐蝕時長條件下所制部分微坑實物圖。如圖9a 所示，加工表面經(jīng)10 ms 的腐蝕后，形成了界線較模糊的腐蝕區(qū)域1#和輕微腐蝕區(qū)域2#，區(qū)域2#由充當成形電極的管電極端面與電解液接觸形成閉合回路而引起二次腐蝕；隨著腐蝕時長的增加，上述區(qū)域的界線逐漸消失，合并成為新的微坑。 如圖9c 所示，當電解時長增至350 ms 時，所制微坑側(cè)壁的局部區(qū)域3#存在較明顯錐度，這是由于實際加工過程中的偶然因素導致濺射反流僅沿該方向傳輸、局部電流密度大增，造成原本規(guī)則的圓形微坑入口產(chǎn)生了外凸等缺陷， 此現(xiàn)象在圖9d 中區(qū)域4#更明顯。 當腐蝕時長超過1000 ms 后，微坑入口邊緣明顯異形化，而且隨著腐蝕時長的持續(xù)增大，微坑邊緣外圍相鄰區(qū)域雜散腐蝕越來越嚴重。

圖9 不同腐蝕時長條件下的微坑形貌

5 結(jié)論

本文通過仿真計算和微細射流電解加工試驗驗證的方式， 探究了微結(jié)構(gòu)起點微坑的形成過程，得到以下結(jié)論：

（1）隨著微坑的逐漸形成，極間電流密度分布曲線由上凸發(fā)展為愈加明顯的內(nèi)凹，微坑邊緣電流密度快速提高，電流密度分布集中。

（2）隨著微坑三維尺寸的逐漸增大，極間反流由液膜式離開發(fā)展為濺射式輸出，在深徑尺寸增大后，腔內(nèi)壓力減小，濺射減弱后被高能散狀射流壓制，重新成為電解液薄膜。

（3）隨著腐蝕時長的增加，加工表面界線較模糊的腐蝕區(qū)域和輕微腐蝕區(qū)域，逐漸合并成為新的微坑，其入口邊緣為規(guī)則的圓形。 深徑尺寸滿足反流濺射的形成條件后，會使濺射輸出方向電流密度分布集中、相應局部區(qū)域的材料去除率高于其他區(qū)域，流束周向均勻濺射的結(jié)果表現(xiàn)為隨著微坑直徑增加，單向濺射使微坑的入口邊緣由規(guī)則圓形發(fā)展為異形。