1、表面微坑電化學加工技術研究【摘要】在摩擦副表面加工蜂窩狀微坑作為改善滑動摩擦的途徑已經成為研究熱點。文章研究了電解加工蜂窩狀微坑結構的方法，介紹了加工原理和試驗過程，分析了加工電壓、加工時間、陰極貫穿孔尺寸、電解液等加工參數對所加工微坑的影響，優化了加工參數和加工條件，提高了所加工微坑的精度。【關鍵詞】蜂窩狀微坑；電解加工；加工精度研究磨損是國際普遍關注、急需解決的重大課題，是一項永遠需要探索的問題。表面磨損是機械零件失效的主要形式之一，不僅浪費大量能源和金屬資源，降低設備運轉效率和作用質量，而且加速設備報廢、導致部件更換或維修頻繁，造成極大的直接或間接經濟損失。在傳統摩擦學理念中，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化來實現的。目前，由于受到材料性質和加工方法的限制，通過上述完善表面質量的方法已很難再進一步降低摩擦。1近年來有學者發現，表面分布的微小蜂窩狀凹坑能有效地降低摩擦因數（如能把摩擦因數從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）振動加工。在一個或多個球形工具頭上施加振動，使其沖擊待加工表面而形成微坑。根據驅動方式的不同，又可分為自激振動、低頻振動沖擊、超聲振動加工。這種加工方法使工件表面發生塑性變形，微坑周圍材料隆起，需要二次加工。（2）數控激光珩磨技術。首先用激光打

3、坑，實現表面微坑結構造型，然后進行珩磨。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。這種方法設備復雜，成本高，加工不穩定。3（4）電解加工方法。是利用金屬在電解液中發生陽極溶解的原理將零件加工成形，具有生產效率高、工序簡單、加工質量好、工具陰極沒有消耗等優點。4本文對電解加工蜂窩狀微坑結構的工藝方案進行了研究分析。二、試驗原理本試驗針對蜂窩狀微坑這種特殊結構，采用了掩膜微細電解加工方法，試驗原理如圖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

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。連接電源通電后，工具陰極與工件表面（陽極）上未遮蔽部分產生電場而被不斷溶解，同時，電解產物不斷被高速流動的電解液帶走，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構。圖1試驗原理圖圖2所示為單個孔成形過程的2D仿真，在局部電流密度下由法拉第定律計算出每個點的溶解深度。從圖2中可以看出反應初始階段不均勻的電流分布導致圖形中心區域的隆起，隨著溶解過程的進行，溶解速度變得越來越均勻，圖形逐漸接近于半圓；從仿真的結果也可看出在掩膜刻蝕中的側向腐蝕導致了微坑開口尺寸的擴大。三、試驗過程首先，在工件表面形成掩膜，保護不需要加

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。利用已經制好的掩模板在BJ401曝光機上以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。由于本試驗在電解槽中完成，需要設計專用的夾具。夾具的設計主要遵循三個方面的原則：一是能對電極和工件進行定位；二是不妨礙沖液；三是便于裝夾，根據以上原則設計了本試驗夾具。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，試驗流程如圖3所示。圖3試驗流程試驗所用電源為精測JC17310，恒壓直流；沖液所用泵

6、的流量為1200L/h。四、結果分析與加工參數優化（一）加工電壓和加工時間對加工精度的影響試驗只分析U10V時電壓對加工結果的影響。在每種工藝參數下加工5個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，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，加工時間t延長，微坑直徑d2相應增大，精度有所下降。圖4微坑直徑隨加工電壓、加工時間變化圖試驗還發現，當加工電壓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時電壓對加工結果的影響。（a）U=10V時的典型微坑（b）U=15V時的典型微坑

7、圖5不同電壓時的典型微坑（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，在單位時間內更多新鮮電解液進入加工區域使得工件與陰極之間的電阻變小，導致電流密度變大，單位時間材料的去除量變大，雜散腐蝕現象也更加顯著，加工精度相應降低。試驗表明，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，加工精度反而會降低。（三）電解液對加工精度的影響電解反應時生成大量絮狀沉淀物，如不及時排出，會堵塞加工間隙，阻礙電解反應的進行，甚至引起短路等現象。酸性電解液除了具有普通電解液沖刷加工區域的作用外，還可以溶解電解產物，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。試驗發現，當掩膜群孔直徑較小，d1=0.3mm時使用酸性電解液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）加工參數的優化加工參數的選取對加工結果具有重要影響。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，在選取滿足壓力和流量要求的沖液泵的基礎上，可選用酸性電解液（0.2mol/L硫酸）來改善加工區域的沖液條件。圖6為掩膜群孔直徑d1=0.3mm，加工電壓U=5V，加工時間t=

9、7.5min，電解液為0.2mol/L硫酸時所加工工件。圖6優選參數后所加工微坑五、結語本文研究了電解加工蜂窩狀微坑結構的方法。當試驗選取較低加工電壓，改善沖液條件，所加工微坑可以達到較高精度和一致性。試驗表明，這種方法具有投資少，效率高，工藝簡單，操作方便等優點，是一種有效的加工方法。【參考文獻】1任露泉，陳德興，胡建國.土壤動物減粘脫土規律初步分析J.農業工程學報，1990，6（1）2ManabuWakuda，YukihikoYamauchiSh-uzoKanzaki.etal.Effectofsurfacetexturingonfrictionred-uctionbetweenceramicandsteelmaterialsunderlubricatedslidingcontactJ.We