磁场辅助泡沫阴极掩膜电解加工微坑阵列试验研究

【作者】 赵晨昊； 明平美； 申继文； 张新民； 秦歌； 闫亮； 王伟；

【机构】 河南理工大学特种加工技术与装备研究所；

【摘要】 为了在金属零件表面方便、高效地制备高质量的微坑阵列,本文提出一种磁场辅助无压液泡沫阴极掩膜电解加工方法。该方法中,磁力用于压紧固定活动掩膜,以期减免机械固定结构又避免它对极间电场和流场的干扰;浸入在电解液中的磁体-工件-掩膜-阴极组合单元在电解液槽中作周期换向的平动运动,以驱动极间电解液的更新和电解产物的排出,而无需泵驱动的供液循环系统,以期减少可能存在的流向流路固定问题;磁场持续作用于电化学反应过程,以期在泡沫阴极内部和加工区域形成磁致对流效应,进而获得增强传质、均匀流场和电场的作用。试验结果表明,叠加磁场后加工的微坑阵列具有更均匀的尺寸分布、更光滑的微坑表面以及一致性更好的廓形,其直径和深度变异系数(即尺寸标准差与尺寸平均值的比值,数值越小代表尺寸分布均匀性越好)最小分别可达到3.5%和6.8%。这说明,磁力使得掩膜能够获得均匀紧密的压贴,即使无泵送排液,磁流体力学效应和平动式搅拌效应的协同作用也能为泡沫阴极掩膜电解加工提供良好的传质条件;同时,其直径和深度相较于无磁场条件下加工的微坑阵列也有所增大,磁场辅助作用有利于提高泡沫阴极掩膜电解加工微坑结构的深径比。磁场辅助泡沫阴极掩膜电解加工的实际效果除与磁场大小有关外,还受平动搅拌强度、加工电压等工艺条件的影响。同一加工电压下,平动搅拌强度的增大,微坑的深度和直径也随之增大,也一定程度上会导致微坑阵列尺寸分布均匀性的降低,但随着加工电压的增大,尺寸分布均匀性随移动速度增大而降低的幅度在减小;当搅拌强度不变时,随着加工电压的增大,微坑阵列的平均直径和深度都有不同程度的增加,电压的变化与加工的微坑阵列的变异系数值的变化并不是线性关系,低电压配合低搅拌强度,能获得非常小的尺寸变异系数值的微坑阵列。这是因为微坑阵列尺寸分布均匀性是由外部强制对流效应、磁流体力学效应和电压大小等三者的综合作用决定,只有加工电压和装配体平动速度等参数匹配合理,才能获得理想的加工效果。更多还原