表面織構(gòu)的微細(xì)電解加工基礎(chǔ)問題及關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

表面織構(gòu)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(gòu)的表面在表面能、光學(xué)特性、仿生特性、機(jī)械特性、流體動(dòng)力學(xué)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(diǎn)，這為眾多學(xué)科研究注入了新的活力，并且在許多工程領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。本項(xiàng)目聚焦于平面、柱面外表面及內(nèi)表面凹坑、凹槽及凸包織構(gòu)的微細(xì)電解加工技術(shù)研究。本項(xiàng)目將深入開展表面微納織構(gòu)的微細(xì)電解加工機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)研究。闡明多物理/化學(xué)場(chǎng)作用下微細(xì)電解加工過程的作用機(jī)制及復(fù)雜電場(chǎng)/流場(chǎng)作用的表面織構(gòu)動(dòng)態(tài)成形演變過程，突破微小加工間隙內(nèi)的加工狀態(tài)特征提取與間隙控制、工具制備、活動(dòng)模板與工件緊密貼合、高品質(zhì)波形超窄脈寬脈沖電源、高定域性加工等關(guān)鍵技術(shù)，解決最小特征尺寸為數(shù)微米尺度的表面織構(gòu)制造難題，使我國表面微納織構(gòu)的微細(xì)電解加工技術(shù)整體上有較大幅度的提升。

表面織構(gòu)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(gòu)的表面在表面能、光學(xué)特性、仿生特性、機(jī)械特性、流體動(dòng)力學(xué)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(diǎn)，這為眾多學(xué)科研究注入了新的活力，并且在許多工程領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。本項(xiàng)目聚焦于平面、柱面外表面及內(nèi)表面凹坑、凹槽及凸包織構(gòu)的微細(xì)電解加工技術(shù)研究，取得的主要研究成果如下： （1）闡明了表面不同微結(jié)構(gòu)形式對(duì)摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律，針對(duì)硬質(zhì)材料摩擦副的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)，通過采用變密度織構(gòu)分布，優(yōu)化表面織構(gòu)參數(shù)，顯著降低了摩擦副的粘著磨損。針對(duì)含有軟質(zhì)材料摩擦副的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)，提出軟硬材料表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 （2）通過加工過程仿真，得到了表面微坑陣列的動(dòng)態(tài)成形過程，闡明了“孤島”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)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(duì)加工參數(shù)不敏感的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)微細(xì)解加工表面織構(gòu)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(nèi)的電場(chǎng)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(cè)向腐蝕，提高了微坑電解加工的定域性。 （4）通過改進(jìn)光刻工藝，并結(jié)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(jí)微細(xì)工具。 （5）為廣州三星通訊研發(fā)出具有大面積微結(jié)構(gòu)的手機(jī)注塑模具，已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。為全球最大的空調(diào)壓縮機(jī)制造企業(yè)廣東美芝制冷設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)并電解加工出摩擦副表面織構(gòu)，有效減少了摩擦損耗，使得壓縮機(jī)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(shè)計(jì)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(xiàng)目資助發(fā)表的論文被SCI他引次數(shù)為25次。共申請(qǐng)發(fā)明專利20件，其中9件已經(jīng)授權(quán)。培養(yǎng)研究生22 名，其中18名已經(jīng)畢業(yè)。 2100433B

隨著對(duì)微細(xì)電解加工機(jī)理研究的深入 , 結(jié)合微細(xì)電解加工的特點(diǎn) , 綜合運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)理論 、控制檢測(cè)設(shè)備以及高效精確的電源設(shè)備 , 使電解加工在微細(xì)領(lǐng)域的加工能力進(jìn)一步提高 ,加工效率 、加工質(zhì)量以及加工穩(wěn)定性得到全面提升 ,主要的研究成果和進(jìn)展如下 。

基于納秒級(jí)脈沖和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工試驗(yàn)研究：基于高頻窄脈沖的微細(xì)電解試驗(yàn)國外起步較早 , 取得了一定的成果 。而國內(nèi)起步較晚 , 近幾年來 ,國內(nèi)一些科研院校和機(jī)構(gòu)也對(duì)納秒脈沖電源 、高頻窄脈沖電源和高頻群脈沖電源的微細(xì)電解加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究 ,包括加工機(jī)理 、試驗(yàn)分析 、加工定域性分析等方面, 并成功地加工出一些微細(xì)結(jié)構(gòu) 。

超純水微細(xì)電解加工試驗(yàn)研究：超純水電解加工是在常規(guī)電解加工原理的基礎(chǔ)上 ,利用超純水作電解液 ,并采用強(qiáng)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(dá)到足夠去除材料的一種新型電解加工工藝方法 。日本學(xué)者率先提出以超純水代替常規(guī)電解液 , 實(shí)現(xiàn)綠色 、微細(xì)電解加工的思想 。國內(nèi)學(xué)者近年來也開展了超純水電解加工機(jī)理、超純水小孔電解加工、超純水電化學(xué)掃描直寫加工 、超聲輔助純水微細(xì)電解加工等研究 , 為超純水電解加工的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 。

微細(xì)電解復(fù)合加工技術(shù)試驗(yàn)研究：復(fù)合電解加工是指那些基于電化學(xué)陽極溶解與其他加工作用( 如機(jī)械研磨 、電火花加工 、超聲加工 、磁力研磨) 相復(fù)合的加工方法 。由于兩種或者多種加工作用的復(fù)合 , 則加工作用相互促進(jìn) ,取長(zhǎng)補(bǔ)短 ,增強(qiáng)了加工能力 、擴(kuò)大了加工范圍 ,可全面實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 、高效率 、低成本的要求 。而最近幾年在微細(xì)制造和加工方面 , 有關(guān)微細(xì)電解復(fù)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(fù)合 、電解與電火花復(fù)合 、電解與線切割復(fù)合等加工工藝研究上 。其中試驗(yàn)研究證明 ,微細(xì)復(fù)合電解加工技術(shù)在對(duì)某些特殊材料( 如硬質(zhì)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(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) , 能獲得較好的加工精度 、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝對(duì)加工微細(xì)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(dòng) 、循環(huán)流動(dòng)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(zhì)量較好的 、大小在 30 ～ 100 μ m 的陣列孔 , 從而實(shí)現(xiàn)了微細(xì)陣列軸孔的電火花 、電化學(xué)組合加工 ,為大規(guī)模微細(xì)陣列軸孔的加工開辟了高效 、可行的新工藝方法。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)微細(xì)電解線切割加工工藝的基礎(chǔ)研究 ,也取得了較好的效果 。

結(jié)合工業(yè)實(shí)際對(duì)微細(xì)部件的電解加工試驗(yàn)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(xì)部件如微坑 、微細(xì)網(wǎng)孔等被廣泛應(yīng)用 。近幾年來 ,結(jié)合工業(yè)方面的需求 ,院校和科研機(jī)構(gòu)也加大這方面的研究力度 ,不再一味地追求微細(xì)電解加工的極限能力 , 而是有側(cè)重地結(jié)合實(shí)際需要 , 如何更有效 、更經(jīng)濟(jì) 、更穩(wěn)定地加工出微細(xì)部件 。主要集中在蜂窩狀微坑 、微細(xì)槽 、微細(xì)軸 、微細(xì)群孔和具有一定結(jié)構(gòu)的微器件上 ,并取得了一定的成果 。

關(guān)于微細(xì)電解加工的基礎(chǔ)理論試驗(yàn)研究：為了提高微細(xì)電解加工的精度 、效率及改善加工過程的穩(wěn)定性 ,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量基礎(chǔ)理論研究 : 使用絕緣掩模屏蔽保護(hù)工件上不需加工的部位 ,以制作高精度的陣列型孔或復(fù)雜圖形;電極側(cè)壁形成絕緣層來降低雜散腐蝕 , 減小側(cè)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(xì)電解加工的定域性 , 進(jìn)行微米/亞微米精度的加工; 利用工具電極高速旋轉(zhuǎn)增強(qiáng)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(dòng)以勻化電解液液流 , 增強(qiáng)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(qiáng)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(duì)微細(xì)電解加工的影響等 。

有關(guān)微細(xì)電解加工的其他研究進(jìn)展：結(jié)合微細(xì)電解加工發(fā)展的方向 , 一些科研機(jī)構(gòu)逐步開發(fā)自己的微細(xì)電解加工系統(tǒng) : 哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了多功能三維微細(xì)電解加工系統(tǒng) ,南京航空航天大學(xué)研制了電化學(xué)微細(xì)加工監(jiān)控系統(tǒng)和陰極周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)的微細(xì)電解加工系統(tǒng); 加大了電解加工間隙的檢測(cè)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(diào)整工具進(jìn)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(shù)構(gòu)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?cè)€性擬合法建立適當(dāng)?shù)年P(guān)系方程式 , 在 15 %的誤差范圍內(nèi)可用于在線檢測(cè)加工間隙; 特別是針對(duì)高頻窄脈沖電化學(xué)加工 ,對(duì)加工間隙進(jìn)行建模分析 ,提出間隙平均電流檢測(cè)法 ,從而精確地維持恒定的小間隙 。

《無取向硅鋼的織構(gòu)與磁性》從織構(gòu)與磁性的基本知識(shí)人手，介紹了織構(gòu)的基本概念及表達(dá)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(jié)晶退火等工藝過程中織構(gòu)的演變過程，同時(shí)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(duì)織構(gòu)的影響規(guī)律。根據(jù)磁性唯象理論闡述織構(gòu)與磁性的定量關(guān)系，完成了磁性計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序，這對(duì)從事硅鋼研究和生產(chǎn)人員具有重要的參考價(jià)值。