表面織構的微細電解加工基礎問題及關鍵技術研究

表面織構是指物體表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的陣列。具有微納米尺度微觀織構的表面在表面能、光學特性、仿生特性、機械特性、流體動力學特性及摩擦磨損性能等方面與光滑表面表現(xiàn)出截然不同的特點，這為眾多學科研究注入了新的活力，并且在許多工程領域展示出巨大的應用潛力。本項目聚焦于平面、柱面外表面及內表面凹坑、凹槽及凸包織構的微細電解加工技術研究，取得的主要研究成果如下： （1）闡明了表面不同微結構形式對摩擦學性能的影響規(guī)律，針對硬質材料摩擦副的表面織構設計，通過采用變密度織構分布，優(yōu)化表面織構參數(shù)，顯著降低了摩擦副的粘著磨損。針對含有軟質材料摩擦副的表面織構設計，提出軟硬材料表面織構的設計準則。 （2）通過加工過程仿真，得到了表面微坑陣列的動態(tài)成形過程，闡明了“孤島”現(xiàn)象的產(chǎn)生機制。發(fā)現(xiàn)PDMS厚層模板電解加工具有高的加工精度，而且具有對加工參數(shù)不敏感的優(yōu)點，給出表面微坑的成形規(guī)律。 （3）提出采用正電位輔助陽極、厚層模板以及三明治式結構微細解加工表面織構方法，提高了微坑陣列電解加工的精度，消除了“孤島”現(xiàn)象。具有合適正電位的輔助陽極可以有效改善工件表面模板微孔內的電場分布，從而提高微坑陣列電解加工的定域性。PDMS厚層模板電解加工有效降低了微坑電解加工的側向腐蝕，提高了微坑電解加工的定域性。 （4）通過改進光刻工藝，并結合真空輔助模塑法，發(fā)明一種新的PDMS微孔模板的制作方法，成功制備出孔徑為50 μm、厚度250 μm的PDMS厚層微通孔模板。采用液膜電解加工方法，制備出亞微米級微細工具。 （5）為廣州三星通訊研發(fā)出具有大面積微結構的手機注塑模具，已應用于實際生產(chǎn)。為全球最大的空調壓縮機制造企業(yè)廣東美芝制冷設備有限公司設計并電解加工出摩擦副表面織構，有效減少了摩擦損耗，使得壓縮機的制冷量提高了1%。為我國載人航天工程中其生命保障系統(tǒng)中要求齒輪泵密封端面設計并電解加工出微小凹坑陣列，使得齒輪泵使用壽命提高了一倍以上，解決了國家重大工程亟需。 發(fā)表論文51篇（含已接受待發(fā)表論文3篇），其中SCI已收錄21篇。受本項目資助發(fā)表的論文被SCI他引次數(shù)為25次。共申請發(fā)明專利20件，其中9件已經(jīng)授權。培養(yǎng)研究生22 名，其中18名已經(jīng)畢業(yè)。 2100433B

表面織構是指物體表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的陣列。具有微納米尺度微觀織構的表面在表面能、光學特性、仿生特性、機械特性、流體動力學特性及摩擦磨損性能等方面與光滑表面表現(xiàn)出截然不同的特點，這為眾多學科研究注入了新的活力，并且在許多工程領域展示出巨大的應用潛力。本項目聚焦于平面、柱面外表面及內表面凹坑、凹槽及凸包織構的微細電解加工技術研究。本項目將深入開展表面微納織構的微細電解加工機理和關鍵技術研究。闡明多物理/化學場作用下微細電解加工過程的作用機制及復雜電場/流場作用的表面織構動態(tài)成形演變過程，突破微小加工間隙內的加工狀態(tài)特征提取與間隙控制、工具制備、活動模板與工件緊密貼合、高品質波形超窄脈寬脈沖電源、高定域性加工等關鍵技術，解決最小特征尺寸為數(shù)微米尺度的表面織構制造難題，使我國表面微納織構的微細電解加工技術整體上有較大幅度的提升。

隨著對微細電解加工機理研究的深入 , 結合微細電解加工的特點 , 綜合運用現(xiàn)代控制技術理論 、控制檢測設備以及高效精確的電源設備 , 使電解加工在微細領域的加工能力進一步提高 ,加工效率 、加工質量以及加工穩(wěn)定性得到全面提升 ,主要的研究成果和進展如下 。

基于納秒級脈沖和高頻群脈沖電源的微細電解加工試驗研究：基于高頻窄脈沖的微細電解試驗國外起步較早 , 取得了一定的成果 。而國內起步較晚 , 近幾年來 ,國內一些科研院校和機構也對納秒脈沖電源 、高頻窄脈沖電源和高頻群脈沖電源的微細電解加工技術進行了深入研究 ,包括加工機理 、試驗分析 、加工定域性分析等方面, 并成功地加工出一些微細結構 。

超純水微細電解加工試驗研究：超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎上 ,利用超純水作電解液 ,并采用強酸性陽離子交換膜來提高超純水中 OH-離子濃度 ,使電流密度達到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法 。日本學者率先提出以超純水代替常規(guī)電解液 , 實現(xiàn)綠色 、微細電解加工的思想 。國內學者近年來也開展了超純水電解加工機理、超純水小孔電解加工、超純水電化學掃描直寫加工 、超聲輔助純水微細電解加工等研究 , 為超純水電解加工的應用奠定了基礎 。

微細電解復合加工技術試驗研究：復合電解加工是指那些基于電化學陽極溶解與其他加工作用( 如機械研磨 、電火花加工 、超聲加工 、磁力研磨) 相復合的加工方法 。由于兩種或者多種加工作用的復合 , 則加工作用相互促進 ,取長補短 ,增強了加工能力 、擴大了加工范圍 ,可全面實現(xiàn)高質量 、高效率 、低成本的要求 。而最近幾年在微細制造和加工方面 , 有關微細電解復合加工方面的研究越來越多 , 有效地提升了加工的效率和精度 。目前主要集中在電解與超聲復合 、電解與電火花復合 、電解與線切割復合等加工工藝研究上 。其中試驗研究證明 ,微細復合電解加工技術在對某些特殊材料( 如硬質合金) 的加工方面具有比單一超聲加工 、單一電解加工工藝更強的技術優(yōu)勢 , 能獲得較好的加工精度 、表面質量和生產(chǎn)效率。利用微細電火花和微細電化學組合加工工藝對加工微細陣列軸孔的分析和研究 ,在加工過程中通過適度間歇抬刀 、超聲振動 、循環(huán)流動工作液等方法 ,較好地解決了微弧放電 、排屑 、加工區(qū)溫度過高等加工難題 , 獲得了質量較好的 、大小在 30 ～ 100 μ m 的陣列孔 , 從而實現(xiàn)了微細陣列軸孔的電火花 、電化學組合加工 ,為大規(guī)模微細陣列軸孔的加工開辟了高效 、可行的新工藝方法。國內研究機構對微細電解線切割加工工藝的基礎研究 ,也取得了較好的效果 。

結合工業(yè)實際對微細部件的電解加工試驗研究：隨著航空 、汽車 、生物醫(yī)療等工業(yè)的發(fā)展 , 一些微細部件如微坑 、微細網(wǎng)孔等被廣泛應用 。近幾年來 ,結合工業(yè)方面的需求 ,院校和科研機構也加大這方面的研究力度 ,不再一味地追求微細電解加工的極限能力 , 而是有側重地結合實際需要 , 如何更有效 、更經(jīng)濟 、更穩(wěn)定地加工出微細部件 。主要集中在蜂窩狀微坑 、微細槽 、微細軸 、微細群孔和具有一定結構的微器件上 ,并取得了一定的成果 。

關于微細電解加工的基礎理論試驗研究：為了提高微細電解加工的精度 、效率及改善加工過程的穩(wěn)定性 ,國內外研究機構進行了大量基礎理論研究 : 使用絕緣掩模屏蔽保護工件上不需加工的部位 ,以制作高精度的陣列型孔或復雜圖形;電極側壁形成絕緣層來降低雜散腐蝕 , 減小側壁錐度和孔徑 , 提高加工的尺寸精度 ; 利用高頻窄脈沖或超短脈沖提高微細電解加工的定域性 , 進行微米/亞微米精度的加工; 利用工具電極高速旋轉增強電解液攪拌 , 提高加工穩(wěn)定性和效率; 使工件作微量偏心搖動以勻化電解液液流 , 增強加工穩(wěn)定性 、提高加工精度等; 利用工具電極間隙回退和周期性跳躍來移除電解產(chǎn)物 , 增強電解液更新的方法 , 提高加工穩(wěn)定性 、效率以及加工精度分析電解產(chǎn)物對微細電解加工的影響等 。

有關微細電解加工的其他研究進展：結合微細電解加工發(fā)展的方向 , 一些科研機構逐步開發(fā)自己的微細電解加工系統(tǒng) : 哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了多功能三維微細電解加工系統(tǒng) ,南京航空航天大學研制了電化學微細加工監(jiān)控系統(tǒng)和陰極周期往復運動的微細電解加工系統(tǒng); 加大了電解加工間隙的檢測和監(jiān)控方法研究力度 : 利用循環(huán)迭代間隙控制方案 ,快速調整工具進給速度 ,使之近似等于工件去除速度 , 從而精確地維持恒定的小間隙 , 并利用虛擬儀器技術構建電解加工控制系統(tǒng); 利用加工電流和流體作用在陰極上的六維力為研究參數(shù) ,用最小二乘多變元線性擬合法建立適當?shù)年P系方程式 , 在 15 %的誤差范圍內可用于在線檢測加工間隙; 特別是針對高頻窄脈沖電化學加工 ,對加工間隙進行建模分析 ,提出間隙平均電流檢測法 ,從而精確地維持恒定的小間隙 。

《無取向硅鋼的織構與磁性》從織構與磁性的基本知識人手，介紹了織構的基本概念及表達方法、材料磁性基本原理，系統(tǒng)全面地論述了無取向硅鋼在熱軋、?；?、同步和異步冷軋、再結晶退火等工藝過程中織構的演變過程，同時還詳盡地分析了硅含量、熱軋溫度、異步軋制速比、退火工藝等對織構的影響規(guī)律。根據(jù)磁性唯象理論闡述織構與磁性的定量關系，完成了磁性計算的計算機程序，這對從事硅鋼研究和生產(chǎn)人員具有重要的參考價值。