摘要
微缝类阵列表面微结构在生产生活中有着极为广泛的应用，但目前仍缺少高效率、低成本、高精度、高自由度制备表面微结构的方法。以生活中常见的剃须刀静刀盖上的微群缝阵列加工为例，目前国内厂家采用的线切割加工方法工序繁琐，加工成本高、效率低，课题组基于微细电解加工技术具有不受金属材料力学性能和硬度限制、工具电极无加工损耗、不产生加工应力和形变、适用于大规模生产等优点，提出采用成型电极，通过脉冲电流和超声能场辅助对微群缝阵列进行微细电解加工的方法。目前电解加工研究中仍缺少基于剃须刀静刀盖的微群缝阵列超声能场辅助电解加工文献，工艺参数对微缝加工影响规律暂不清楚，这限制了电解加工技术在剃须刀静刀盖生产中的应用。论文以某企业剃须刀静刀盖上微群缝阵列为加工目标，旨在通过工艺实验探究不同工艺参数对微缝加工的影响规律，并得到可在剃须刀静刀盖上稳定加工出符合预期要求的微群缝阵列的加工参数，为金属材料上微缝类表面微结构加工提供一定解决方案。为了达成这一目标，论文进行了加工方案设计，基于加工方案的实验平台搭建与完善，电解加工工装夹具设计与优化，基础实验研究，探究加工参数对加工结果影响规律的工艺实验研究，参数优化及实验验证等工作。主要研究内容如下： （1）深入探究超声能场辅助电解加工等基本原理，在此基础上提出剃须刀静刀盖上微群缝阵列超声能场辅助电解加工方案。基于所提出的加工方案，搭建了实验系统，包括设计工件夹具与变幅杆一体装置，解决了在电解加工系统中如何引入超声能场的问题；对比了不同工艺制备电极的加工效果，确定工具电极结构和制备方式并定制得到满足实验要求的工具电极等。 （2）基于所提出的微群缝阵列超声能场辅助电解加工方案和现有装置，综合考虑对超声振动传导影响、密封方案、操作便利性等因素，进行电解加工工装夹具结构设计，建立了用于判定工装夹具性能优劣的评价体系，提出以实际加工区域流场的流速均匀性和平均流速值为主要评价指标，探究工装夹具的不同设计方案和不同结构参数对夹具所形成流场的影响，得出结论：对于选定的采用正流复合侧流冲液方式的工装夹具设计方案，电解液入口流道高度为10mm,电解液入口流道半径为5mm，工具电极中心孔直径为5mm，片电极偏转内切圆半径为1mm，电解液出口高度为10mm，电解液出口半径为4mm时，所设计工装夹具能形成较好的间隙流场，并根据研究结果通过3D打印技术制备出高度匹配实验系统的工装夹具，操作便利且满足后续工艺实验研究需要。 （3）基于搭建的微群缝阵列超声能场辅助电解加工实验平台，进行基础工艺实验研究包括：工具电极导电均匀性实验研究，有无超声能场辅助的微群缝阵列加工对比实验研究，不同工艺参数对微群缝阵列成形结果影响的单因素实验研究。对比实验结果表明超声能场可以显著提高微缝电解加工定域性，对减小微缝入口缝宽有显著作用。单因素工艺实验探究了超声振幅、加工电压、脉冲频率、电解液入口压力对加工微缝的入口和出口缝宽、侧壁面斜度、材料去除率、缝宽一致性和加工电流的影响规律。 （4）基于单因素工艺实验研究结果进行田口方法优化实验，通过极差分析进一步探究不同工艺参数对加工结果的影响程度，并获得优选加工参数：当超声振幅为14μm，脉冲电压为12V，脉冲频率为5kHz，电解液入口压力为0.05MPa时可以加工出精度和表面质量较好，缝宽标准偏差较小且满足预期目标要求的微群缝阵列。其中内圈上微缝入口平均缝宽约为332.7μm，出口平均缝宽约为251.2μm，平均截面积约为127552.6μm2，外圈上微缝入口平均缝宽约为325.5μm，出口平均缝宽约为242.6μm，平均截面积约为122976.1μm2，入口缝宽的尺寸标准偏差值为3.21，出口缝宽的尺寸标准偏差值为4.06，并通过多组实验验证了加工稳定性。
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