王國乾，李寒松，韓國峰，李若琪，張彥

1. 南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 211816 2. 南京航空航天大學 機電學院，南京 210016

群小孔結構零部件常以一定規(guī)律性的密集孔排布來實現(xiàn)某種特定的功能，諸如航空發(fā)動機中氣膜冷卻孔、冷氣導管以及空氣阻尼套等零部件，其結構具備薄壁、多孔、小間距、材料難加工等特征，對加工精度及表面質量有較高要求，成形難度較大。掩膜電解加工技術憑借高材料去除率、良好表面完整性和低成本高效率等優(yōu)勢，被廣泛應用到幾何形狀復雜而表面質量要求較高的群小孔結構零部件加工中。然而，掩膜電解加工過程中，電解產物和熱量極易在掩膜結構內聚集，從而影響加工質量。電解液作為電化學反應介質，除傳導反應電流外，還起著傳輸電解產物和熱量的作用，而加工區(qū)域流場的改善將有利于提升電解液更新速率，進而改善掩膜電解加工的精度。因此，電解液流場傳質分析一直是掩膜電解加工研究中的重點內容，主要研究方向包括擴散傳質分析和強制對流傳質分析。

擴散傳質主要是利用電解液流場內各組相的自然對流擴散，將電解產物帶離加工區(qū)。這種傳質形式的流場狀態(tài)均勻穩(wěn)定，易于控制，蝕除精度較高。麻省理工學院Courtney博士所在團隊便利用擴散傳質，結合可移動式槳葉形陰極制備了高質量微米級陣列尖端結構。然而，當去除材料較多時，擴散傳質無法滿足持續(xù)電解加工的要求。電解產物容易在掩膜結構內堵塞，因此擴散傳質僅適用于表面微結構的加工，其材料去除深度最大約為十幾微米。

強制對流傳質則是利用高速(>15 m/s)的電解液流帶走加工區(qū)的電解產物，可以實現(xiàn)加工區(qū)電解液的持續(xù)更新，傳質效率極高。印度學者Mahata等利用高速沖液技術配合低深徑比掩膜結構，實現(xiàn)了大面積微坑陣列的高效加工。國內科研機構在強制對流傳質方面的研究更為豐富，南航朱荻教授團隊先后開展了掩膜側壁結構對高速流場的影響、大面積掩膜電解加工蛇形流場設計以及高速流場內電解產物分布狀態(tài)等方面的研究，極大地豐富了掩膜電解加工強制對流傳質地研究。大連理工大學杜立群教授采用兆聲輔助工藝提升掩膜電解加工地傳質效率，顯著改善了陣列微結構地加工精度。河南理工大學明平美教授采用磁場輔助工藝提升流場傳質效率,約束電場分布，提升了掩膜電解加工的定域性。廣東工業(yè)大學陳曉磊副教授則借鑒電射流加工技術，提出射流掩膜電解加工，不僅改善了傳質效果，同時提升了掩膜電解加工的靈活性。當然，由于電解液流速較高，需要設計相應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雜。

隨著掩膜電解加工技術應用進一步的擴展，加工對象更加復雜，對于傳質要求越來越高，因此強制對流傳質的應用更加普遍，其中側面單向沖液是掩膜電解加工中最常見的供液方式，不僅流道設計簡單，裝置易于實現(xiàn)，且傳質效率較高。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，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，從而改善群小孔結構的成形精度。

1 周期性換向沖液的基本原理

掩膜電解加工技術是通過絕緣掩膜限定陽極工件的電解反應區(qū)域，利用陽極金屬在電化學反應中的溶解現(xiàn)象，將掩膜結構復制到工件之上。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高速流入，通過掩膜上的圖案進入陽極工件加工表面，在陰陽極之間電化學反應作用下，陽極工件被逐漸溶解，電解液將電解產物和熱量帶離加工區(qū)，從另一側流出。采用圖示單向側邊沖液，電解加工所得孔如圖1(b)所示，圖中孔的側壁與軸線的夾角(簡稱“側壁夾角”)在迎水側和背水側存在巨大差異，背水側側壁夾角約為6.33°，而迎水側側壁夾角達23.21°，差異率達266.7%。造成如此巨大差異的主要原因在于，側面單向沖液狀態(tài)下孔側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，進而引起電化學反應速率的差異，最終造成側壁夾角的差異。

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現(xiàn)周期性變化，使得孔側壁的迎水面與背水面流場狀態(tài)趨于一致，則可以提高側壁質量的一致性。圖2所示為周期性換向沖液技術示意圖，通過在電解液循環(huán)管路中設置多個電磁閥，通過PLC控制電磁閥的周期性開閉，實現(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，從而實現(xiàn)自左向右的沖液；當開啟時，開啟，和閉合，實現(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)的響應是需要時間的。若換向頻率過高，則會造成流道內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，電解液被認為是連續(xù)不可壓縮的粘性流體，因此可利用Navier-Stokes方程進行流體力學分析，建立數學模型后通過數值計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、獨立穿孔階段、擊穿擴孔階段的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立互不貫通，所以只需要模擬單面流場即可；在擊穿擴孔階段，工件的上部和下部的流場互連成一體，彼此間產生相互影響，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果。圖4為初始加工階段的流場仿真結果。由流速云圖可知每個掩膜孔內的電解液流動狀態(tài)基本相同，因此可任選單個孔進行流場分析。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，迎水側流速明顯高于背水側流水。因此，在加工初始階段，迎水側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。

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

進入獨立穿孔階段后，流場仿真結果如圖5所示。隨著陽極材料的去除，掩膜下方出現(xiàn)凹坑結構。在流場充分發(fā)展至穩(wěn)態(tài)時，各孔內流場狀態(tài)基本一致，仍可以選取單孔進行分析。由圖5(a)流速云圖可知，掩膜孔內將形成顯著的渦流，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，孔內流速分布略有不同，但整體而言孔的迎水側與背水側流速基本相當。因此，在此階段迎水側與背水側的材料去除速率基本一致，對側壁夾角差異性影響較小。

圖5 獨立擊穿階段流場仿真結果Fig.5 Simulation results at independent perforation stage

圖6為陽極材料貫穿后擴孔階段的流場仿真結果，此時陽極孔呈“啞鈴型”，上下兩股電解液流在孔內交匯，并產生影響。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，在迎水側出現(xiàn)了較大范圍的低流速區(qū)。相對的背水側，則因為上下電解液反流后的匯合出現(xiàn)了較高的流速。若沿圖示位置進行取值，繪制圖6(b)所示的流速分布曲線。無論在何種入口流速下，背水側的流速總是高于迎水側，也意味著背水側的材料去除速率更高。同時，根據3個加工階段的特點，不難發(fā)現(xiàn)擴孔階段的主要作用便是修整孔的側壁夾角，因此這一階段電解液流速對孔側壁的影響最為明顯。而背水側流速與迎水側流速的差異，直接造成了兩側側壁夾角的差異。

圖6 擊穿擴孔階段流場仿真結果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，尤其是在擴孔階段，背水面流速高于迎水面流速，造成兩側材料去除速率不同，使得兩側孔壁與軸線夾角出現(xiàn)差異，影響最終加工精度。

3 周期換向沖液實驗分析

3.1 周期性換向實驗裝置

周期性換向控制系統(tǒng)的工作流程如圖7所示，PLC控制器根據設定程序輸出數字信號，電器繼電器根據PLC輸入的數字信號決定需要閉合或斷開的線路；同時，開關電源將220 V交流電轉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)，則相應電磁閥通電開啟，管路通液，反之則電磁閥處于關閉狀態(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 實驗條件及加工質量評價標準

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

針對群孔結構的特點，在評價單個孔加工質量的同時，更加需要評價群孔整體的加工質量。因此，在評價單個孔的直徑、圓度誤差和側壁夾角的同時，統(tǒng)計分析上述3個指標的平均值及標準差，從而判斷群孔的加工質量。其中孔的側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和背水側的半徑差值，計算側壁夾角及其差異率。上述所有評價指標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 側壁夾角及其差異率Fig.8 Sidewall angle and its difference rate

3.3 實驗結果分析

實驗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，孔的側壁夾角一致性有明顯改善。然而，當換向間隔為1 s和 3 s時，加工結果較差，雖然迎水側和背水側的側壁夾角較為一致，但側壁夾角顯著增大。這主要因為換向過于頻繁，造成加工區(qū)流場紊亂，加工產物不易排出，從而造成側壁夾角整體增大。當換向間隔提高至5 s和7 s時，可以看出孔的側壁夾角減小，孔的形貌優(yōu)于單向沖液，孔側壁夾角的一致性明顯提升。然而，當換向間隔達到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，在單個周期內造成的孔側壁夾角不一致問題，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

為進一步量化分析不同換向間隔時間下孔的加工質量，對各組加工結果進行孔徑和圓度測量，并統(tǒng)計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)

進一步測量孔的側壁夾角，并以孔的最大側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。在側壁角度差異率方面，采用周期性換向沖液后，側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，孔側壁差異率均在10%以內。其中，換向間隔為5 s時，孔的最大側壁夾角僅為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壁夾角差異率具有顯著效果，當然應嚴格控制換向間隔時間。

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

根據上述分析可知，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計要求，最大圓度誤差小于6 μm，且孔壁加工一致性良好，孔的側壁夾角差異率小于1%。

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

4 結 論

1) 針對單向側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，迎水側和背水側的電解液流場均存在一定差異，且這種差異隨著加工的進行在不斷變化。在初始階段，迎水側流速高于背水側流速；在獨立擊穿階段，迎水側流速與背水側流水基本相當；而在擴孔階段，背水側流速高于迎水側。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，由于背水側流速更高，電解液更新更快，因而造成背水側的側壁夾角小于迎水側的側壁夾角。同時，該結果也表明如果采用換向沖液可以實現(xiàn)加工區(qū)各處流場一致，則可解決側壁夾角不一致的問題。

2) 通過PLC控制器、電磁繼電器、開關電源和電磁閥構成的電解液周期性換向沖液控制系統(tǒng)，可以有效實現(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，設計了多組別的加工實驗，通過分析加工所得群孔的孔徑誤差、圓度誤差以及側壁夾角誤差，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)化參數下，進行了5×5的群孔陣列加工，群孔的最大圓度誤差小于6 μm，最大側壁夾角約為5.17°，且孔的側壁夾角差異率小于1%，具有良好的加工一致性，可以滿足群孔結構的加工要求。