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摘 要

超长分布的阵列结构广泛使用在高精密领域中，例如现代科技的尖端领域航空航天以及医疗器械中，所以其加工质量的优劣，直接影响产品设备的性能。超长分布的阵列微结构由于具有加工精度要求高工、材料难加工的原因，所以加工方式困难，本课题采取进给式掩膜电解加工技术制备该结构，由于加工过程中阳极与掩模为连续进给，其电场环境为连续动态变化的，难以分析，所以采用固定阳极，使阴极进行进给运动的研究方式进行仿真分析。

本课题通过仿真软件COMSOL研究阳极阵列微结构成型过程中电场变化，对静态阴极掩膜电解加工、动态阴极掩膜电解加工的各段加工过程进行电流密度分析，得出了适当长度的阴极板在进给加工对掩膜电解加工并无负面影响，同时又可以提高超长分布的阵列微结构的加工效率，降低加工、时间成本。

关键词：掩膜电解加工 模板电解加工 电场仿真分析 进给式

Electric field simulation analysis of feed mask electrolytic processing

ABSTRACT

The super-long array structure is widely used in high-precision fields, such as the advanced field of modern technology, aerospace and medical devices, so the quality of its processing directly affects the performance of products and equipment.Because of the high machining precision and difficult machining of materials, the ultra-long distributed array microstructures are difficult to process.

Based on the simulation software COMSOL the electric field changes in the forming process of anode array microstructures, the current density analysis of the processing processes of static cathode mask and dynamic cathode mask is carried out.

Key words: rotary support; Test machine design; Finite element analysis

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景与意义 1

1.3国内外研究现状 4

1.4本文主要研究内容 7

第二章 掩膜电解加工理论 9

2.1电解加工基本原理 9

2.1.1法拉第定律. 9

2.1.2双电层理论 10

2.1.3阳极极化 11

2.2掩膜电解加工电场模型 12

2.2.1物理模型以及边界条件^[23] 12

2.2.2阳极材料溶解模型 14

2.3进给式掩膜电解加工 16

2.4本章小结 16

第三章 掩膜电解加工电场仿真分析 18

3.1COMSOL软件简要介绍 18

3.2几何模型建立 18

3.3全覆式静态阴极掩膜电解加工 20

3.4动态阴极对电场的影响分析 22

3.5动态阴极进入段和分离段的电场分析 24

3.6阴极板长度对电场的影响分析 26

3.7总结与概括 28

第四章 经济性分析 29

4.1进给式掩膜电解加工仿真分析总结 29

4.2经济性分析 29

参考文献 30

致谢 32

绪论

1.1引言

随着现代工业化的飞速发展，各个领域产品的零件对其加工表面的力学性能的质量精度要求也越来越高，阵列结构表面加工技术也随之应运而生^[1]。相对于传统机械理论，众多学者专家通过研宄表明：加工材料表面如果具有一定的微观结构、图形分布、尺寸形状等特征结构，将会对材料表面的力学性能和承受载荷能力带来显著的重要影响，同时零件表层越光滑，并不代表着它的耐磨性能就越好^[2]。若零件表面存在阵列微结构，则可以起到存储润滑油、减少零件磨损以及防止表面产生摩擦的作用^[3]。因此我们可以通过对材料表面进行阵列结构的设计以及加工来改善零件的承载性能、摩擦能力以及减少粘附力，以此提高工件使用寿命^[4]，尤其是对于摩擦以及承载能力有较高要求的领域。零件可以仅靠更改其表面形状或特征结构就可以起到很好的抗阻抗磨增加承载能力的效果，绿色有效，所以该途径在机械工业、交通工具、现代化工等领域被广泛应用。

图1.1阵列微坑图像

1.2研究背景与意义

在21世纪的现在，作为尖端科技的航空航电、电子仪器等领域，作为新型材料结构的超长分布阵列微结构已经在很多重要关键零部件被大面积使用，随着科技的进步，科学探寻深度的延伸，对材料的要求越来越高，航空航天领域也需

要更加出色先进的工件，对阵列结构的改善也随之提上日程，对阵列加工的研究提出了越来越高的要求，当务之急就是研究出可以高水平、大规模制造出阵列结构零部件的加工技术^[5]。无论是国内还是国外的科研人员，都对阵列结构的制造展开了大量的研究。主要的加工方法如表1.1所示：

表1.1几种微阵列结构制备方法的比较^[6]

传统的机械加工手段虽然加工效率高，精度较高，但是机械钻削加工过久会产生大量的热量，会降低刀具寿命，同时机械钻头逐渐磨损，不仅仅提高了加工的成本同时还影响了加工质量，在高精密仪器使用中是非常致命的。电火花加工是通过电能与热能的共同作用，受材料限制比较小，但是非常容易存在裂纹、热影响区等负面效果^[7]。激光加工具有加工速度快、效率高的特点，但常规激光容易形成重铸层，不利于在航空航天领域这种精度要求特别高的方向使用。电化学加工方法中，由于加工方式的限制，电射流加工的孔径无法自由改变；而电液束加工时，电解液会溅到其他场域产生额外的腐蚀，严重影响加工效果。管电极电解加工稳定性差，加工过程中有电解沉淀物出现。在照相电解加工过程中，工件的加工形状难以控制，加工出的凹坑的锥度较大，不适合加工较厚的工件^[7]。综上所述，各种阵列结构加工方式在进行超长微槽阵列结构的制备时，仍存在两个方面的缺陷：一是利用机械外力或高能量去除材料，在超长的加工区域内如何保证工件不发生变形，以及如何消除重铸层等加工缺陷；另一方面，上述加工方法虽然可以采用成型群组式工具进行加工，但相较于整体叶环中所需的阵列微槽结构的数量，仍有极大的差距，很难实现高效的、低成本的加工。

图1.4激光加工

对比上述的传统加工方式，掩膜电解加工有着自身独特的优势，主要有以下几点^[8]：

1. 没有残余应力以及热再铸层。掩膜电解加工是通过阳极溶解原理去除材料，最小的化学反应单位是离子层次，且反应过程中只产生很少的热量，对材料的机械性能的负面影响很小。
2. 群结构特征可以一次成型。这是掩膜电解加工的最大优势，可以一次性制备大量的阵列微结构，这是远远优于传统加工方式以及其他电解加工方式所不具备的作用。
3. 材料适用性强^[9]。几乎所有的金属材料（甚至硅）都能够利用掩膜电解加工技术进行减材加工和成型加工。
4. 成品表面质量高、精度高。掩膜电解加工是将阳极材料以离子形式去除，甚至可以得到微米级的高精度表面，可以很好的降低使用时的摩擦情况。
5. 加工效率高。不仅仅可以一次性成型群结构特征，还可以一次性加工完多种不同形状的的立体结构，且加工速度以及成型精度都远远高于传统加工方法。

原理图如图1.5所示。基于阳极金属在电化学反应中的溶解现象，加工过程为非接触式加工，不产生高温高热，因此加工后不会产生变形、残余应力和重铸层等加工缺陷。同时，通过模板限定阳极工件的溶解区域，可以将模板结构一次性复制到工件之上，具有较高的加工效率。

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