基于干膜的表面織構(gòu)微溝槽陣列電解加工研究

薛 騰，朱嘉澄，錢彩虹，錢文清，王開淼

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

基于干膜的表面織構(gòu)微溝槽陣列電解加工研究

薛 騰，朱嘉澄，錢彩虹，錢文清，王開淼

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

溝槽在耐磨減磨、熱能交換、改善潤滑等方面具有良好的效果。采用基于干膜的表面織構(gòu)陣列電解加工技術(shù)，并根據(jù)溝槽的結(jié)構(gòu)特點，制定溝槽加工工藝流程，搭建相關(guān)實驗系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：基于干膜的掩模電解加工技術(shù)可加工出形貌良好的溝槽。

溝槽陣列；干膜；電解加工；光刻電解加工

表面織構(gòu)技術(shù)是改善摩擦副表面摩擦學特性的有效手段，其在降低摩擦、減小磨損、改善潤滑、提高承載力等方面表現(xiàn)優(yōu)異。溝槽也是一種表面織構(gòu)技術(shù)，在工程實踐中有多種應(yīng)用。例如，溝槽可減小機械系統(tǒng)中摩擦副的摩擦。Ryk等使用激光在活塞環(huán)表面加工出織構(gòu)陣列，并與沒有加工出表面織構(gòu)陣列的摩擦環(huán)進行對比研究，得出前者的摩擦比后者降低25%的結(jié)論[1]。再如，溝槽可改善機械設(shè)備與外界進行熱交換的能力。湯勇等研究發(fā)現(xiàn)，在微型噴霧器表面加工出的微溝槽結(jié)構(gòu)能顯著提高熱交換性能[2]。又如，溝槽結(jié)構(gòu)有利于改善切削加工刀具的潤滑性能。符永宏等研究了在車削條件下，微溝槽的間距和方向?qū)Φ毒咔邢髁?、粘結(jié)性能的影響，得出溝槽織構(gòu)自身具有減磨粘能力，且可提高刀具壽命的結(jié)論[3]。

近年來，對微溝槽加工方法的研究日益增多，常見的加工方法有超微機械加工[4]、激光加工[5]、電火花加工[6]、磨料射流加工[7]及電解加工等。本文針對電解加工工件表面無熱影響層、工具無損耗、加工質(zhì)量好的特點，采用基于干膜的掩模電解加工技術(shù)，在304不銹鋼基片表面加工溝槽。目前，該技術(shù)多用于加工微坑陣列，而加工溝槽時的材料蝕除率較大，加工難度高。通過實驗表明，基于干膜的掩模電解加工技術(shù)可加工出形貌良好的溝槽，且減化了工序，提高了加工效率。

1 加工原理

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解的原理，基于成形陰極將零件按一定形狀和尺寸加工成形。本文采用與傳統(tǒng)電解加工的液態(tài)光刻膠所不同的干膜光刻膠來完成對溝槽類表面織構(gòu)陣列的電解加工。

傳統(tǒng)的液態(tài)光刻膠存在以下缺陷：加工前需進行旋涂、前烘，加工后需后烘，工序較復(fù)雜，費時費力且有污染；對旋涂的均勻性要求較高，成本高。因此，本文采用干膜光刻膠進行電解加工，省略了旋涂及前后烘干的過程，可直接進行覆膜、曝光，大大簡化了實驗流程，提高了實驗效率。

2 實驗過程及分析

2.1 光刻

實驗材料選用尺寸為40 mm×55 mm的304不銹鋼基片和GPM220型干膜。光刻工藝流程如圖1所示，包括前處理、覆膜、曝光、顯影、烘干。

圖1 光刻的工藝流程

（1）前處理。用洗潔精清洗不銹鋼基片5 min，去除其表面雜質(zhì)。

（2）覆膜。用覆膜機將干膜覆蓋在不銹鋼基片上。干膜光刻膠常溫為固態(tài)，加熱后軟化，經(jīng)高溫膠輥擠壓后，會緊密貼合在不銹鋼基片上。

（3）曝光。設(shè)置好曝光時間等相關(guān)參數(shù)后，將覆膜后的工件放在載物臺上進行曝光操作。所用光刻機型號為MJB4，其光源輻射強度為20.8 mW/cm2。

（4）顯影。干膜光刻膠通過刻有溝槽紋路的掩模板進行曝光，由于采用負性干膜，曝光區(qū)域保留，未曝光區(qū)域被溶解去除。顯影方式是在質(zhì)量分數(shù)1%的Na2CO3溶液中上下震蕩約4 min。

（5）烘干。將覆膜后的不銹鋼基片置于吹風機下5 min，進一步蒸發(fā)有機溶劑。

經(jīng)上述流程制備獲得寬度為150 μm的光刻膠（圖 2）。

圖2 覆蓋干膜的不銹鋼基片

2.2 電解

2.2.1 溝槽電解加工系統(tǒng)

溝槽電解加工系統(tǒng)見圖3，主要包括電解加工機床本體、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、工件裝夾夾具等。電解加工機床由具有良好抗腐蝕性能的不銹鋼316L材料制成，其電解液系統(tǒng)主要由主泵、電解液槽、管路、過濾裝置及閥組成，脈沖電源型號為3050DM。采用DVM5000型三維視頻顯微鏡觀察溝槽的三維形貌和尺寸。

圖3 基于干膜的表面織構(gòu)陣列的電解加工系統(tǒng)示意圖

夾具設(shè)計與實驗結(jié)果有著緊密聯(lián)系，本實驗采用的電解加工夾具為“側(cè)沖夾具”（圖4）。將進液口設(shè)計成扁平狀，使電解液以平鋪方式順著溝槽方向流過工件表面，既優(yōu)化了流場，又利于電解產(chǎn)物的排出，還可通過增加或減少墊板來調(diào)節(jié)加工間隙。

圖4 “側(cè)沖”電解夾具

2.2.2 溝槽電解加工實驗探究

本實驗研究了電壓、占空比、有效加工時間對微溝槽陣列電解加工的影響。電解加工工藝參數(shù)見表1，加工結(jié)果見表2。

（1）電壓對溝槽加工的影響

電壓對溝槽形貌的影響見圖5?？煽闯?，隨著電壓的增加，溝槽的寬度和深度均明顯增大。原因是隨著電壓增加，電流密度增大，材料的去除量增加，導致溝槽的寬度和深度增大。

表1 溝槽電解加工工藝參數(shù)

表2 溝槽電解加工結(jié)果

圖5 電壓對溝槽形貌的影響

不同電壓下的溝槽形貌見圖6?？梢姡敿庸る妷狠^低時，溝槽底部材料未被全部去除，故底部不平坦；隨著電壓增加，材料去除率增大，溝槽底部變得相對平坦，溝槽的橫截面呈“U”型，加工精度較高。這是因為當電壓較高時，溝槽中間和邊緣的材料原來以相同的速度被去除，但電場邊緣效應(yīng)使溝槽邊緣的電流密度比中間大，因此溝槽邊緣形成更多的電解產(chǎn)物，產(chǎn)物的堆積增大了極間電阻，一定程度上又減少了溝槽邊緣的電流密度，在一定時間后達到動態(tài)平衡，溝槽的橫截面就被加工成“U”型。

圖6 不同電壓下的溝槽形貌圖

（2）占空比對溝槽加工的影響

占空比對溝槽形貌的影響見圖7?？煽闯?，起初隨著占空比的增加，溝槽的寬度和深度均無明顯變化，但隨著占空比進一步增加，溝槽的寬度和深度突然變小。

圖7 占空比對溝槽形貌的影響

如圖8所示，占空比對溝槽形貌的影響較大。低占空比時，溝槽形貌良好。但隨著占空比增加，溝槽底部越來越小，溝槽尺寸也發(fā)生了很大的變化。這是因為低占空比時，電解產(chǎn)物有足夠的時間被沖走，而隨著占空比增加，電解產(chǎn)物的堆積速度大于電解液被沖走的速度，產(chǎn)物在底部的堆積增大了極間電阻，減小了電流密度，從而使加工電場分布不均勻，導致加工出的溝槽形貌較差。

圖8 不同占空比下的溝槽形貌圖

（3）有效加工時間對溝槽加工的影響

有效加工時間對溝槽形貌的影響見圖9。可看出，隨著加工時間的增加，溝槽的寬度和深度顯著增大，且在一定范圍內(nèi)呈線性增長。

圖9 有效加工時間對溝槽形貌的影響

由圖10可見，溝槽底面中間部分會產(chǎn)生凸起。這是因為電場邊緣效應(yīng)使溝槽底部邊緣的電流密度大于中間，導致溝槽底部邊緣材料的蝕除速度比中間更快。在一定范圍內(nèi)，該現(xiàn)象在有效加工時間較低的情況下表現(xiàn)不明顯，但隨著有效加工時間增加會變得明顯。

圖10 不同有效加工時間下的溝槽形貌圖

3 結(jié)束語

本文采用基于干膜的掩模電解加工技術(shù)在304不銹鋼基片表面加工溝槽，利用自主設(shè)計的“側(cè)沖”夾具裝夾工件，并分別研究了電壓、占空比、有效加工時間對溝槽加工形貌的影響。結(jié)果表明，采用基于干膜的掩模電解加工技術(shù)和“側(cè)沖”方案，選擇合適的電解加工參數(shù)，可加工出深度為幾十微米、寬度為幾百微米的微溝槽，且其表面形貌良好。

[1] RYK Q，ETSION L.Testing piston rings with partial laser surface texturing for fiction reduction[J]．Wear，2006，261（7-8）：792-796.

[2] TANG Yong，PAN Minqiang，LU Longsheng，et al.Performances of electrically heated microgroove vaporizers[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17（5）：981-986.

[3] 符永宏，肖開龍，華?？?，等.表面微溝槽車刀的切削試驗與性能分析[J].中國表面工程，2013，26（6）：106-111.

[4] 徐東鳴，岳曉斌.微細結(jié)構(gòu)車削技術(shù) [J].工具技術(shù)，2007，41（5）：58-60.

[5] 王正國，莫繼良，王安宇，等.溝槽型表面織構(gòu)對界面摩擦振動噪聲特性的影響[J].振動與沖擊，2013，32（23）：175-179.

[6] 張振夫.鈦合金表面微結(jié)構(gòu)電火花加工及其水潤滑摩擦學特性研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[7] 杜文正，雷玉勇，李勁松，等.電火花線切割加工與磨料水射流加工質(zhì)量的對比研究 [J].礦山機械，2012，40（3）：115-118.

Study on Electrochemical Machining of Micro-groove Arrays Using Dry-film Mask

XUE Teng，ZHU Jiacheng，QIAN Caihong，QIAN Wenqing，WANG Kaimiao
（ College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China ）

That micro-grooves have good effect in reducing the friction and wear of contacted friction pair surfaces，enhancing heat transfer and improving lubrication properties.A new method is proposed to fabricate surface textures by using through-mask electrochemical machining with dry-film mask.According to the profiles of micro-grooves，a process of fabricating the micro-grooves and the relevant test system are set up.The experimental results verify that it is feasible to fabricate microgrooves with good profiles by through-mask electrochemical machining using the dry-film mask.

groove arrays；dry-film mask；ECM；photoetching electrochemical machining

TG662

A

1009－279X（2017）04－0034-04

2017-04-13

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2016CX00501）

薛騰，男，1994年生，本科。