基于多孔噴嘴技術的陣列微織構仿真與實驗*

陳朝大 巫少方 單 亮 李康興 鄒寶健 吳思洋

（①廣州航海學院船舶與海洋工程學院，廣東 廣州 510725；②廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

研究表明，具有微納米尺度表面織構的非光滑表面在表面性能、密封特性、潤滑特性、機械特性等方面與光滑表面織構出現截然不同的特點，在航空航天、汽車機械及生命科學等領域具有極大的應用前景，如何大規模制造出形貌一致性好的表面微織構成為該技術能夠得到廣泛應用的核心因素[1-4]。

表面微織構形貌制備工藝技術有電火花加工、電解加工、磨粒噴射加工和激光加工等，其中射流電解掩膜加工是研究熱點[5-7]。

He J F 等[8]以PAM 和PAM-NaOH 兩種電解液進行對比實驗，研究表明，混合電解質（PAM-NaOH）不僅具有非牛頓流體的物理特性，還具有傳統電解質溶解加工產物的優點，能有效提高SS304 掩膜ECM 的加工精度和微織構加工效率。Kong W J 等[9]對NaNO3-乙二醇溶液進行電解放電實驗，分析電解液電導率、脈沖電壓、脈沖導通時間和送絲速率等關鍵工藝參數，及其對狹縫寬度、標準偏差、狹縫入口處圓角半徑和粗糙度的影響，能夠實現典型微觀結構加工。Zhao R C 等[10]通過掩膜處理未加工零件，在不損失陰極工具情況下，考慮到陽極工件的除蝕主要受電場、流場和溫度場之間的耦合作用，構建電化學掩膜加工的多物理場耦合模型，結合數值仿真分析來實現多物理場的分布狀態，從而實現對整個加工過程的優化指導。Liu J 等[11]對一種高速流動的微研磨顆粒輔助條件下的ECM 方法進行研究，流動的微磨料顆粒能使工件表面的電化學溶解和磨料拋光同時進行，能夠去除在ECM 過程中形成的鈍化膜，在3 V 條件下加工10 min，工件平均表面粗糙度為0.095 3 μm，從而提高拋光效果。

射流電解掩膜加工是在金屬表面覆蓋一層掩膜，外加電壓使裸露的金屬在電解液射流環境中溶解，其加工裝置主要包含：噴嘴、夾具、電解液循環系統和數控運動控制平臺。夾具、電解液循環系統和數控運動控制平臺的構建相對成熟，并且對加工效果的影響可控。由于加工對象的多元化，導致噴嘴的種類繁多和結構復雜，噴嘴設計是制約加工工藝的關鍵因素[12-13]。

噴嘴主要有：毛細管電極、毛細管排電極、單孔噴嘴、霧化噴嘴和螺旋噴嘴等。毛細管電極加工方法，工具需要外加一個耐腐蝕的夾具并且毛細管較脆不容易裝夾，在裝夾過程中也很難保證毛細管端部與工件表面垂直，影響加工效果，難以滿足微尺度的加工要求。單孔噴嘴加工方法，存在對刀不方便和容易受束流影響，使走刀路徑發生偏移，導致同一路的微織構加工狀態不一致。由于在加工路徑的兩端存在換向時間差，使得微織構在深度寬度和加工形貌上有較大的波動，降低了加工精度[14-15]。

鑒于上述噴嘴不能滿足制造大規模、形貌一致的表面微織構要求，提出一種多孔條形噴嘴工藝。對射流電解掩膜加工的多孔條形噴嘴進行結構設計，利用Comsol 軟件進行流場與電場仿真，結合工藝實驗，研究該噴嘴實現大規模制造表面微織構的可行性。

1 多孔條形噴嘴結構設計

以70 mm×50 mm×1 mm 的304 鏡面不銹鋼為加工工件，在其表面鍍上厚度為30 μm 的掩膜，工件設計圖如圖1 所示。單孔直徑為500 μm，孔與孔之間的行間距、列間距均為6.5 mm，構成7 行10 列的陣列。

圖1 工件設計圖

根據工件設計圖，為滿足加工要求，多孔條形噴嘴的下端出水口設計為10 個噴嘴，每個噴嘴直徑為2 mm，噴嘴距離工件表面距離為2.5 mm。為了使10 個噴嘴間的壓力分布均勻，需要在每兩個噴嘴中間的正上方開一個進水口，上端進水口共5 個，進水口直徑為3 mm。為了對刀及安裝工件方便，噴嘴上端進水口和下端出水口之間的腔體做成直徑為20 mm、高70 mm 的圓柱體，建立噴嘴的SolidWorks 三維模型，如圖2a 和圖2b 所示。把圖2a 多孔條形噴嘴工具安裝到射流裝置上，實物加工效果圖如圖2c 所示。

圖2 多孔條形噴嘴的三維模型及實物圖

如圖2 所示，電解液從上端5 個進水口流入腔體，在壓力作用下從下端10 個出水口噴射流出。進水口初始壓力為0.3 MPa，測試射流出水口壓力均勻性見表1。

表1 測試射流壓力均勻性實驗

將出水口10 個噴嘴編號，每個噴嘴進行3 次實驗。由表1 測試數據可得，射流的壓力均勻性較好。

在射流電解掩膜加工工藝基礎上，采用多孔條形噴嘴工具，既能保證加工的一致性又能提高加工效率，有利于大規模制造出具有相同加工形貌的表面微織構。具有相同形貌的陣列，從整體上放大檢測區域，有利于總體形貌的觀察和加工結構的測量。

2 基于Comsol 的流場與電場仿真

為了驗證多孔條形噴嘴的可行性，利用Comsol進行流場與電場仿真，研究電解液射流能否在噴嘴的腔體和工件表面加工區域形成均勻穩定的流場與電場。

2.1 多孔條形噴嘴到工件表面的流場仿真

利用Comsol 軟件進行多孔條形噴嘴到工件表面之間流域的流場仿真，導入噴嘴的幾何模型，在噴嘴的出水口處添加一個長70 mm、寬20 mm、高2.5 mm 的圓柱體，連通噴嘴形成封閉流體域。材料選擇內置材料中的水，物理場選擇湍流（k-ε）模型，設定5 個入口初始壓力為0.3 MPa，與噴嘴相連接的圓柱體頂面和周圍四面設定壓力為0。選擇物理場控制網格為粗化，進行穩態計算得到仿真結果。不同噴嘴出水口處平均流速和壓力值如圖3所示。

圖3 不同噴嘴出水口處平均流速和壓力值

圖3 中，最小壓力1.14×104Pa，最大壓力1.41×104Pa，均值1.244×104Pa。最低流速13.0 m/s，最高流速13.5 m/s，均值13.25 m/s。仿真模擬值和表1 實驗測試值吻合。壓力值和速度值均變化不大，即射流狀態穩定，為加工陣列微織構奠定基礎。

工件表面壓力等值圖和速度等值圖如圖4 所示。當束流噴射到工件表面時，雖然沒有管壁的約束，但是束流仍能保持一定的速度和壓力，能對工件表面預期需要加工的位置進行加工。束流在工件表面上形成一定范圍的環狀流動，液體向工件表面兩側泄流，速度值向四周減小，壓力值也是從中心向四周逐漸遞減。在非加工區會形成一定規律的液體流動，但是液體流動速度較小，而且非加工區有掩膜保護，所以不會對工件上的非加工區造成影響。

2.2 多孔條形噴嘴到工件表面的電場仿真

利用Comsol 進行多孔條形噴嘴到工件表面之間流域的電場仿真，選擇電流場為物理場，工件加工表面接地，5 個進水口為高電勢位，設定值為400 V。導入幾何模型，模型材料選擇硝酸鈉溶液，補充相對介電常數為8。進行單元網格劃分和穩態計算，得到仿真結果。噴嘴到工件表面的電勢等值線圖如圖5 所示。

電勢從進水口方向沿工件表面呈環狀遞減，并在工件表面加工區形成一致性較好的環狀等電勢線。因為束流噴射在工件表面時，束流的定域性較好，即在一定范圍內10 個噴嘴噴射到工件表面束流的等效電阻阻值相同，因此在工件表面加工區上有相同的電勢分布。電流密度等值線圖如圖6 所示。

圖6 工件表面電流密度等值線圖

圖6 中，在工件表面加工區，電流密度等值線呈環狀分布，中心電流密度相對較高。因為在束流中心存在一個高壓區，電解液的流速幾乎為零，束流中心的電解液得不到及時的交換，其等效電阻阻值增大，分壓增高，故電流密度增大。在遠離束流中心的四周，壓力急劇減小，電解液流速加大，電解液得到充分的交換，其等效電阻阻值減小，分壓降低，因而束流邊界的電流密度較小。

2.3 單一出水口射流束加工效果電場仿真

在射流電解加工狀態下，為了研究脈沖電壓峰值對凹坑的影響，選擇電壓值分別為375、425 和475 V 進行電場仿真分析，后處理時，選取最后時間點（t=1 s）的電位云圖和不同時間點的（間隔時間0.1 s）電流密度曲線圖，如圖7 所示。

圖7 不同電壓對應的電壓云圖和電流密度曲線

從電位云圖可得，電場線由陽極出發，沿陰極法向進入，微孔內部電位大小分布均勻，沿著電場線方向電位逐漸減小，即陽極邊緣處電位最高。施加電壓越大，微孔內部平均電壓越大，加工效果越明顯。

從電流密度曲線圖可得，在一恒定電壓下，隨著仿真時間的增加，微孔底部的電流密度會不斷減小。即仿真剛開始時，電流密度最大，且孔邊緣電流密度大于四周電流密度。隨著時間的增加，微盲孔底部電流密度大小逐漸均勻。

3 實驗結果與討論

3.1 脈沖電壓峰值對凹坑形貌的影響

在其余加工參數保持不變的情況下，取不同的脈沖電壓峰值（V）進行工藝試驗，加工具體參數見表2。

表2 脈沖高壓電射流加工凹坑試驗參數

脈沖電壓對加工凹坑深度H（crater depth）、寬度D（crater diameter）的影響曲線圖如圖8 所示。

圖8 脈沖電壓峰值對凹坑深度、寬度的影響

由圖8 可知，隨著加工電壓的升高，凹坑的深度越深、直徑越大。這是因為隨著加工電壓的增加，工件表面的電流密度也在增加，單位時間的蝕除效率提高，因而所得微坑的深度H與直徑D均在增加。

脈沖電壓峰值對材料去除率（MRR）、腐蝕系數（EF）影響曲線圖如圖9 所示。隨著加工電壓的升高，材料去除率MRR逐漸遞增。通過觀察平均腐蝕系數EF可以發現，隨著加工電壓的提高，平均腐蝕系數EF迅速減小，即加工的定域性明顯變差，加工精度降低。因為凹坑直徑是線性增長，所以腐蝕系數EF和凹坑深度H有相同的曲線表征。

圖9 脈沖電壓峰值對材料去除率MRR（mm3）、腐蝕系數EF 影響曲線圖

3.2 脈沖電壓占空比對凹坑形貌的影響

在其余加工參數保持不變的情況下，取不同的脈沖電壓占空比（%）進行工藝試驗，加工具體參數見表3。

表3 脈沖高壓占空比電射流加工凹坑試驗參數

脈沖電壓占空比對加工凹坑深度H（crater depth）、寬度D（crater diameter）的影響曲線圖如圖10 所示。隨著脈沖電壓占空比的增大，凹坑深度和寬度呈現一致的發展趨勢，先增大后減小，并且在占空比為70%時達到峰值。凹坑的深度從52 μm（占空比10%）一直增大到峰值129 μm（占空比70%）然后回落減小到104 μm（占空比100%），深度最大差值為77 μm。凹坑的寬度從533 μm（占空比10%）一直增大到峰值724 μm（占空比70%）然后回落減小到680 μm（占空比100%），寬度最大差值為191 μm。

圖10 脈沖電壓占空比對凹坑深度、寬度的影響

占空比的增大意味著在相同周期內的高電平時間變長，有效加工時間的增長促使了能量的進一步積累，更大的能量和更高的熱量，使得所得凹坑的深度寬度逐漸增加，一直到占空比為70%時達到峰值。但是隨著脈沖電壓占空比的進一步增大，電壓放電時間間隙減小，使得加工過程中產生的產物不能及時地排出，造成產物堆積，去極化、散熱及沖刷電解產物過程尚未完成寬度從峰值回落變少，使得加工效率下降，凹坑的深度和占空比對材料去除率（MRR）、腐蝕系數（EF）影響曲線圖如圖11所示。

圖11 脈沖電壓占空比對材料去除率MRR（mm3）、腐蝕系數EF影響曲線圖

圖11 可知，MRR從0.055 mm3（占空比10%）一直增大到峰值0.146 mm3（占空比70%）然后回落減小到0.119 mm3（占空比100%），最大差值為0.091 mm3。這是因為當脈沖占空比增大時，脈寬增加即單位脈沖內有效加工時間增加，材料去除能力增強，但當占空比過大即脈間過小時，不能有效地散熱及沖刷產物，材料去除能力回落減少。平均腐蝕系數EF呈現先降后升的發展趨勢。EF從1.575（占空比10%）一直減小到谷值0.520（占空比90%）然后回升增大到0.57（占空比100%）。這是因為當脈沖占空比增大時，有效高電平時間增長，能量的增大能夠產生更好的加工能力，導致表面粗糙度增大，凹坑精度質量下降，定域性變差。最優參數組合（加工電壓475 V，占空比70%）加工凹坑陣列和形貌測量圖如圖12 所示。

圖12 最優參數組合加工凹坑陣列和形貌測量圖

由圖12 可以看出，凹坑陣列形狀規則，在射流的有效沖刷作用下，加工效果更趨均勻。單個凹坑形貌光滑，表面質量好。凹坑兩側垂直度較好，沒有出現倒梯形結構，凹坑底部平整，沒有出現明顯的孤島效應。

4 結語

本文在射流電解掩膜加工基礎上，對多孔條形噴嘴工藝加工技術進行仿真與實驗，得出以下結論：

（1）以不銹鋼為加工工件，在其表面鍍上厚度為30 μm 的掩膜，利用光刻工藝與電液束加工工藝，實現電液束的“光刻+圖形轉移”技術。設計并制作多孔條形噴嘴，從噴嘴到工件共10 個出水口，每個噴嘴的直徑為2 mm，噴嘴之間的間距為6.5 mm，射流形態穩定。

（2）利用Comsol 進行流場與電場仿真，出水口處束流中心平均速度為13.25 m/s，平均壓力為1.244×104Pa。束流在工件表面上形成環狀流動，能夠在工件上的加工孔處形成穩定且均勻的高速度場。電勢從噴頭進水口方向沿工件表面呈環狀遞減，電流密度等值線呈環狀分布，中心電流密度相對較高。

（3）開展射流電解加工實驗，結果表明：隨著脈沖電壓峰值的升高，凹坑的深度越深、直徑越大，材料去除率MRR逐漸遞增。當加工電壓為450 V 時，MRR達到峰值。隨著脈沖電壓占空比的升高，凹坑深度、凹坑直徑、材料去除率MRR均是先增大后減小。當占空比為70%時，MRR達到峰值。