表面微坑電化學(xué)加工技術(shù)研究

1、表面微坑電化學(xué)加工技術(shù)研究【摘要】在摩擦副表面加工蜂窩狀微坑作為改善滑動(dòng)摩擦的途徑已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。文章研究了電解加工蜂窩狀微坑結(jié)構(gòu)的方法，介紹了加工原理和試驗(yàn)過程，分析了加工電壓、加工時(shí)間、陰極貫穿孔尺寸、電解液等加工參數(shù)對所加工微坑的影響，優(yōu)化了加工參數(shù)和加工條件，提高了所加工微坑的精度?！娟P(guān)鍵詞】蜂窩狀微坑；電解加工；加工精度研究磨損是國際普遍關(guān)注、急需解決的重大課題，是一項(xiàng)永遠(yuǎn)需要探索的問題。表面磨損是機(jī)械零件失效的主要形式之一，不僅浪費(fèi)大量能源和金屬資源，降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和作用質(zhì)量，而且加速設(shè)備報(bào)廢、導(dǎo)致部件更換或維修頻繁，造成極大的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。在傳統(tǒng)摩擦學(xué)理念中，改善零部件

2、接觸表面的耐磨性能，一般是通過改善零件材料成分和熱處理強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)的。目前，由于受到材料性質(zhì)和加工方法的限制，通過上述完善表面質(zhì)量的方法已很難再進(jìn)一步降低摩擦。1近年來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，表面分布的微小蜂窩狀凹坑能有效地降低摩擦因數(shù)（如能把摩擦因數(shù)從0.12減小到0.10），從而減少磨損。2一、加工表面蜂窩狀凹坑方法目前，表面蜂窩狀凹坑的加工方法主要有四類：（1）振動(dòng)加工。在一個(gè)或多個(gè)球形工具頭上施加振動(dòng)，使其沖擊待加工表面而形成微坑。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，又可分為自激振動(dòng)、低頻振動(dòng)沖擊、超聲振動(dòng)加工。這種加工方法使工件表面發(fā)生塑性變形，微坑周圍材料隆起，需要二次加工。（2）數(shù)控激光珩磨技術(shù)。首先用激光打

3、坑，實(shí)現(xiàn)表面微坑結(jié)構(gòu)造型，然后進(jìn)行珩磨。這種加工方法工序多、成本高，還可能造成局部材料性能的變化。（3）微研磨方法。利用表面鍍有金剛石或立方氮化硼(CBN)的微研磨工具研磨工件加工出微坑。這種方法設(shè)備復(fù)雜，成本高，加工不穩(wěn)定。3（4）電解加工方法。是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理將零件加工成形，具有生產(chǎn)效率高、工序簡單、加工質(zhì)量好、工具陰極沒有消耗等優(yōu)點(diǎn)。4本文對電解加工蜂窩狀微坑結(jié)構(gòu)的工藝方案進(jìn)行了研究分析。二、試驗(yàn)原理本試驗(yàn)針對蜂窩狀微坑這種特殊結(jié)構(gòu)，采用了掩膜微細(xì)電解加工方法，試驗(yàn)原理如圖1所示。掩膜是用光敏材料在待加工工件表面上制成特定圖案的遮蔽層。工具（陰極）為金屬平板，加工時(shí)

4、與工件之間有一定距離（加工間隙），電解液在加工間隙中高速流動(dòng)。連接電源通電后，工具陰極與工件表面（陽極）上未遮蔽部分產(chǎn)生電場而被不斷溶解，同時(shí)，電解產(chǎn)物不斷被高速流動(dòng)的電解液帶走，直至逐漸腐蝕到所需要的深度，在待加工工件表面上加工出蜂窩狀微坑結(jié)構(gòu)。圖1試驗(yàn)原理圖圖2所示為單個(gè)孔成形過程的2D仿真，在局部電流密度下由法拉第定律計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的溶解深度。從圖2中可以看出反應(yīng)初始階段不均勻的電流分布導(dǎo)致圖形中心區(qū)域的隆起，隨著溶解過程的進(jìn)行，溶解速度變得越來越均勻，圖形逐漸接近于半圓；從仿真的結(jié)果也可看出在掩膜刻蝕中的側(cè)向腐蝕導(dǎo)致了微坑開口尺寸的擴(kuò)大。三、試驗(yàn)過程首先，在工件表面形成掩膜，保護(hù)不需要加

5、工的表面。將SU-8光刻膠滴在已清洗干凈的工件表面，以3000rpm甩膠使光刻膠均勻平整，前烘處理使光刻膠固化。利用已經(jīng)制好的掩模板在BJ401曝光機(jī)上以30mW/cm2曝光30s，顯影后即可在光刻膠上形成所需圖型。其次，將表面已形成掩膜的工件與工具陰極放入夾具裝夾。由于本試驗(yàn)在電解槽中完成，需要設(shè)計(jì)專用的夾具。夾具的設(shè)計(jì)主要遵循三個(gè)方面的原則：一是能對電極和工件進(jìn)行定位；二是不妨礙沖液；三是便于裝夾，根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)夾具。最后，電解加工形成需要的蜂窩狀微坑加工完畢后，采用去膜液除去工件表面上的掩膜，試驗(yàn)流程如圖3所示。圖3試驗(yàn)流程試驗(yàn)所用電源為精測JC17310，恒壓直流；沖液所用泵

6、的流量為1200L/h。四、結(jié)果分析與加工參數(shù)優(yōu)化（一）加工電壓和加工時(shí)間對加工精度的影響試驗(yàn)只分析U10V時(shí)電壓對加工結(jié)果的影響。在每種工藝參數(shù)下加工5個(gè)工件并測量微坑直徑平均尺寸d2，以求得在采用某一種電解液時(shí)，在3種不同加工電壓U的加工條件下，微坑直徑d2隨加工時(shí)間t的變化曲線。見圖4所示。從圖4可見，隨著加工電壓U增大，加工時(shí)間t延長，微坑直徑d2相應(yīng)增大，精度有所下降。圖4微坑直徑隨加工電壓、加工時(shí)間變化圖試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加工電壓U大于10V，所加工微坑的精度和一致性都較差，如圖5所示。故本文只分析U10V時(shí)電壓對加工結(jié)果的影響。（a）U=10V時(shí)的典型微坑（b）U=15V時(shí)的典型微坑

7、圖5不同電壓時(shí)的典型微坑（二）掩膜群孔直徑對加工精度的影響在保證沖液充分的條件下，掩膜群孔直徑d1越大，在單位時(shí)間內(nèi)更多新鮮電解液進(jìn)入加工區(qū)域使得工件與陰極之間的電阻變小，導(dǎo)致電流密度變大，單位時(shí)間材料的去除量變大，雜散腐蝕現(xiàn)象也更加顯著，加工精度相應(yīng)降低。試驗(yàn)表明，掩膜群孔直徑越小，所加工微坑的精度就越高。但掩膜群孔直徑過小，使沖液不夠充分，加工精度反而會(huì)降低。（三）電解液對加工精度的影響電解反應(yīng)時(shí)生成大量絮狀沉淀物，如不及時(shí)排出，會(huì)堵塞加工間隙，阻礙電解反應(yīng)的進(jìn)行，甚至引起短路等現(xiàn)象。酸性電解液除了具有普通電解液沖刷加工區(qū)域的作用外，還可以溶解電解產(chǎn)物，并將其帶走，改善了流場和電場，可大大

8、提高加工精度和加工效率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)掩膜群孔直徑較小，d1=0.3mm時(shí)使用酸性電解液0.2mol/L硫酸比采用15%硝酸鈉的加工精度、加工效率高，一致性也得到明顯改善(比較圖4a與圖4c)。（四）加工參數(shù)的優(yōu)化加工參數(shù)的選取對加工結(jié)果具有重要影響。如需要提高加工精度，在確保所需要的電流密度的條件下，盡可能選取低的加工電壓（U5V）；如需要提高加工效率，則相應(yīng)提高加工電壓（U10V）或采用酸性電解液。在加工小尺寸的微坑時(shí)，在選取滿足壓力和流量要求的沖液泵的基礎(chǔ)上，可選用酸性電解液（0.2mol/L硫酸）來改善加工區(qū)域的沖液條件。圖6為掩膜群孔直徑d1=0.3mm，加工電壓U=5V，加工時(shí)間t=

9、7.5min，電解液為0.2mol/L硫酸時(shí)所加工工件。圖6優(yōu)選參數(shù)后所加工微坑五、結(jié)語本文研究了電解加工蜂窩狀微坑結(jié)構(gòu)的方法。當(dāng)試驗(yàn)選取較低加工電壓，改善沖液條件，所加工微坑可以達(dá)到較高精度和一致性。試驗(yàn)表明，這種方法具有投資少，效率高，工藝簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種有效的加工方法。【參考文獻(xiàn)】1任露泉，陳德興，胡建國.土壤動(dòng)物減粘脫土規(guī)律初步分析J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6（1）2ManabuWakuda，YukihikoYamauchiSh-uzoKanzaki.etal.Effectofsurfacetexturingonfrictionred-uctionbetweenceramicandsteelmaterialsunderlubricatedslidingcontactJ.We