表面织构的微细电解加工基础问题及关键技术研究

表面织构是指物体表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。本项目聚焦于平面、柱面外表面及内表面凹坑、凹槽及凸包织构的微细电解加工技术研究，取得的主要研究成果如下： （1）阐明了表面不同微结构形式对摩擦学性能的影响规律，针对硬质材料摩擦副的表面织构设计，通过采用变密度织构分布，优化表面织构参数，显著降低了摩擦副的粘着磨损。针对含有软质材料摩擦副的表面织构设计，提出软硬材料表面织构的设计准则。 （2）通过加工过程仿真，得到了表面微坑阵列的动态成形过程，阐明了“孤岛”现象的产生机制。发现PDMS厚层模板电解加工具有高的加工精度，而且具有对加工参数不敏感的优点，给出表面微坑的成形规律。 （3）提出采用正电位辅助阳极、厚层模板以及三明治式结构微细解加工表面织构方法，提高了微坑阵列电解加工的精度，消除了“孤岛”现象。具有合适正电位的辅助阳极可以有效改善工件表面模板微孔内的电场分布，从而提高微坑阵列电解加工的定域性。PDMS厚层模板电解加工有效降低了微坑电解加工的侧向腐蚀，提高了微坑电解加工的定域性。 （4）通过改进光刻工艺，并结合真空辅助模塑法，发明一种新的PDMS微孔模板的制作方法，成功制备出孔径为50 μm、厚度250 μm的PDMS厚层微通孔模板。采用液膜电解加工方法，制备出亚微米级微细工具。 （5）为广州三星通讯研发出具有大面积微结构的手机注塑模具，已应用于实际生产。为全球最大的空调压缩机制造企业广东美芝制冷设备有限公司设计并电解加工出摩擦副表面织构，有效减少了摩擦损耗，使得压缩机的制冷量提高了1%。为我国载人航天工程中其生命保障系统中要求齿轮泵密封端面设计并电解加工出微小凹坑阵列，使得齿轮泵使用寿命提高了一倍以上，解决了国家重大工程亟需。 发表论文51篇（含已接受待发表论文3篇），其中SCI已收录21篇。受本项目资助发表的论文被SCI他引次数为25次。共申请发明专利20件，其中9件已经授权。培养研究生22 名，其中18名已经毕业。 2100433B

表面织构是指物体表面具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等图案的阵列。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。本项目聚焦于平面、柱面外表面及内表面凹坑、凹槽及凸包织构的微细电解加工技术研究。本项目将深入开展表面微纳织构的微细电解加工机理和关键技术研究。阐明多物理/化学场作用下微细电解加工过程的作用机制及复杂电场/流场作用的表面织构动态成形演变过程，突破微小加工间隙内的加工状态特征提取与间隙控制、工具制备、活动模板与工件紧密贴合、高品质波形超窄脉宽脉冲电源、高定域性加工等关键技术，解决最小特征尺寸为数微米尺度的表面织构制造难题，使我国表面微纳织构的微细电解加工技术整体上有较大幅度的提升。

随着对微细电解加工机理研究的深入 , 结合微细电解加工的特点 , 综合运用现代控制技术理论 、控制检测设备以及高效精确的电源设备 , 使电解加工在微细领域的加工能力进一步提高 ,加工效率 、加工质量以及加工稳定性得到全面提升 ,主要的研究成果和进展如下 。

基于纳秒级脉冲和高频群脉冲电源的微细电解加工试验研究：基于高频窄脉冲的微细电解试验国外起步较早 , 取得了一定的成果 。而国内起步较晚 , 近几年来 ,国内一些科研院校和机构也对纳秒脉冲电源 、高频窄脉冲电源和高频群脉冲电源的微细电解加工技术进行了深入研究 ,包括加工机理 、试验分析 、加工定域性分析等方面, 并成功地加工出一些微细结构 。

超纯水微细电解加工试验研究：超纯水电解加工是在常规电解加工原理的基础上 ,利用超纯水作电解液 ,并采用强酸性阳离子交换膜来提高超纯水中 OH-离子浓度 ,使电流密度达到足够去除材料的一种新型电解加工工艺方法 。日本学者率先提出以超纯水代替常规电解液 , 实现绿色 、微细电解加工的思想 。国内学者近年来也开展了超纯水电解加工机理、超纯水小孔电解加工、超纯水电化学扫描直写加工 、超声辅助纯水微细电解加工等研究 , 为超纯水电解加工的应用奠定了基础 。

微细电解复合加工技术试验研究：复合电解加工是指那些基于电化学阳极溶解与其他加工作用( 如机械研磨 、电火花加工 、超声加工 、磁力研磨) 相复合的加工方法 。由于两种或者多种加工作用的复合 , 则加工作用相互促进 ,取长补短 ,增强了加工能力 、扩大了加工范围 ,可全面实现高质量 、高效率 、低成本的要求 。而最近几年在微细制造和加工方面 , 有关微细电解复合加工方面的研究越来越多 , 有效地提升了加工的效率和精度 。目前主要集中在电解与超声复合 、电解与电火花复合 、电解与线切割复合等加工工艺研究上 。其中试验研究证明 ,微细复合电解加工技术在对某些特殊材料( 如硬质合金) 的加工方面具有比单一超声加工 、单一电解加工工艺更强的技术优势 , 能获得较好的加工精度 、表面质量和生产效率。利用微细电火花和微细电化学组合加工工艺对加工微细阵列轴孔的分析和研究 ,在加工过程中通过适度间歇抬刀 、超声振动 、循环流动工作液等方法 ,较好地解决了微弧放电 、排屑 、加工区温度过高等加工难题 , 获得了质量较好的 、大小在 30 ～ 100 μ m 的阵列孔 , 从而实现了微细阵列轴孔的电火花 、电化学组合加工 ,为大规模微细阵列轴孔的加工开辟了高效 、可行的新工艺方法。国内研究机构对微细电解线切割加工工艺的基础研究 ,也取得了较好的效果 。

结合工业实际对微细部件的电解加工试验研究：随着航空 、汽车 、生物医疗等工业的发展 , 一些微细部件如微坑 、微细网孔等被广泛应用 。近几年来 ,结合工业方面的需求 ,院校和科研机构也加大这方面的研究力度 ,不再一味地追求微细电解加工的极限能力 , 而是有侧重地结合实际需要 , 如何更有效 、更经济 、更稳定地加工出微细部件 。主要集中在蜂窝状微坑 、微细槽 、微细轴 、微细群孔和具有一定结构的微器件上 ,并取得了一定的成果 。

关于微细电解加工的基础理论试验研究：为了提高微细电解加工的精度 、效率及改善加工过程的稳定性 ,国内外研究机构进行了大量基础理论研究 : 使用绝缘掩模屏蔽保护工件上不需加工的部位 ,以制作高精度的阵列型孔或复杂图形;电极侧壁形成绝缘层来降低杂散腐蚀 , 减小侧壁锥度和孔径 , 提高加工的尺寸精度 ; 利用高频窄脉冲或超短脉冲提高微细电解加工的定域性 , 进行微米/亚微米精度的加工; 利用工具电极高速旋转增强电解液搅拌 , 提高加工稳定性和效率; 使工件作微量偏心摇动以匀化电解液液流 , 增强加工稳定性 、提高加工精度等; 利用工具电极间隙回退和周期性跳跃来移除电解产物 , 增强电解液更新的方法 , 提高加工稳定性 、效率以及加工精度分析电解产物对微细电解加工的影响等 。

有关微细电解加工的其他研究进展：结合微细电解加工发展的方向 , 一些科研机构逐步开发自己的微细电解加工系统 : 哈尔滨工业大学开发了多功能三维微细电解加工系统 ,南京航空航天大学研制了电化学微细加工监控系统和阴极周期往复运动的微细电解加工系统; 加大了电解加工间隙的检测和监控方法研究力度 : 利用循环迭代间隙控制方案 ,快速调整工具进给速度 ,使之近似等于工件去除速度 , 从而精确地维持恒定的小间隙 , 并利用虚拟仪器技术构建电解加工控制系统; 利用加工电流和流体作用在阴极上的六维力为研究参数 ,用最小二乘多变元线性拟合法建立适当的关系方程式 , 在 15 %的误差范围内可用于在线检测加工间隙; 特别是针对高频窄脉冲电化学加工 ,对加工间隙进行建模分析 ,提出间隙平均电流检测法 ,从而精确地维持恒定的小间隙 。

《无取向硅钢的织构与磁性》从织构与磁性的基本知识人手，介绍了织构的基本概念及表达方法、材料磁性基本原理，系统全面地论述了无取向硅钢在热轧、常化、同步和异步冷轧、再结晶退火等工艺过程中织构的演变过程，同时还详尽地分析了硅含量、热轧温度、异步轧制速比、退火工艺等对织构的影响规律。根据磁性唯象理论阐述织构与磁性的定量关系，完成了磁性计算的计算机程序，这对从事硅钢研究和生产人员具有重要的参考价值。