【摘 要】
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微尺度凹坑、凸台、缝、孔、槽等金属微结构常是相关产品关键功能和重要性能主控载体,如传质传热强化、减摩降阻、生物兼容与疗效增益、控光调色、隐身降噪、防污抗粘、自洁等。因此,金属微结构制造一直先进制造领域研究热点。至今,金属阵列微结构制造技术已有十多种（类）。其中,基于电化学溶解原理的电解加工因以离子态和非接触方式去材、可加工性与材料力学性能无关、加工效率高、加工面无应力、裂纹、再铸层等缺陷产生、工具
【基金项目】
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国家自然科学基金（NO.51875178）； 河南省科技研发专项（NO.202102210069）；
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微尺度凹坑、凸台、缝、孔、槽等金属微结构常是相关产品关键功能和重要性能主控载体,如传质传热强化、减摩降阻、生物兼容与疗效增益、控光调色、隐身降噪、防污抗粘、自洁等。因此,金属微结构制造一直先进制造领域研究热点。至今,金属阵列微结构制造技术已有十多种（类）。其中,基于电化学溶解原理的电解加工因以离子态和非接触方式去材、可加工性与材料力学性能无关、加工效率高、加工面无应力、裂纹、再铸层等缺陷产生、工具无损耗等优势,在某些微结构加工场合有显著竞争力。活动掩膜电解加工是近10年来备受青睐的更适合阵列微结构制造的电解加工方式。现有活动掩膜电解加工虽各有专长,但大都存在适应性不高共性问题。鉴于此,本文将带式磨削加工理念融入活动掩膜电解加工中,提出带式掩膜电解加工技术,以期借助带式磨削的工艺柔性来增强掩膜电解加工工艺柔性和适应性（适合不同形状工件）。本文围绕带式掩膜电解加工原理、极间电场分布特性、表面微结构制备、阵列贯通微结构加工等开展数值仿真或（和）试验研究,并对所制取的阵列微结构和表面微织构进行廓形特征、形位精度或性能评价。主要研究内容和结论如下。（1）在阐释带式掩膜电解加工技术的原理基础上,利用数值仿真技术研究其在加工微坑过程中的电场分布特性及其时空变化规律、微坑廓形演变规律,并分析了它们的影响机制。仿真结果表明:工件阳极加工区的电流密度越靠近阴阳极啮合处越大,当转到啮合处时达到最大值,然后随着加工区旋转逐渐远离啮合处,其上电流密度不断减小直至为零,相应地,给定加工区的溶解速度也先逐渐增大、再逐渐减小直至为零;在相同阳极旋转速度下,极间电压越大,给定加工区的电流密度值越大,所得微坑深度和坑底“凸岛”高度也越大,但微坑侧壁倾斜角和微坑直径基本保持不变;在相同极间电压下,阳极旋转速度大小对极间电场分布特征几乎没有影响,但阳极转速越小,所得微坑深度越大,微坑侧壁倾斜角和坑底“凸岛”高度也越大,而微坑直径基本保持不变。（2）开展带式掩膜电解加工阵列微坑与阵列微通孔试验研究。基于研制的带式掩膜电解加工实验装置,研究分析在低转速单向单次加工模式下阵列微坑、阵列微通孔的成形效果及其影响机制,并与数值仿真结果进行对比。实验结果表明:圆柱状工件表面的阵列微坑都呈现典型的“盆”状廓形特征,且坑底未见“凸岛”结构,这与仿真结果存在一定的差异,原因是:仿真中没有考虑电解液传质和微坑侧向腐蚀对电场分布及微坑成形过程的影响;微坑边界未见杂散腐蚀现象,微坑表面光整、粗糙度Ra为0.49～0.65μm,优化条件参数下制取的阵列微坑的平均直径和平均刻蚀深度分别为530.75μm和89.95μm,其CV值分别小至3.22%和3.94%,微坑几何形状一致性高;平面工件表面的阵列微通孔都呈现圆孔状,孔边界未见倒圆和倒角现象,也未见杂散腐蚀现象,在优化条件参数下所得阵列微通孔的平均孔径及其CV值的分别为569.02μm和2.35%,通孔出入口直径的差值百分比（出入口直径差与入口直径的比值）为1.06%～3.47%,微通孔几何形状一致性高;在低转速单向单次加工模式下,带式掩膜电解加工技术能够一次性在360°圆柱面和平面上加工出海量无接缝的高几何形状一致性的阵列微结构。（3）开展带式掩膜电解加工极端润湿性微织构表面实验研究。以工业级尼龙网作为掩膜带,研究分析了中转速单向多次加工模式下带式掩膜电解加工微织构的演变过程和所得微织构表面的润湿性能。实验结果表明:随着加工次数的增加,圆柱状工件和平面工件上的微织构由第一次加工所得的阵列微凹坑结构逐渐演变为非规则排列的微米级孔洞和突起结构,经过3次加工后最终演变为密集排布、非均匀的微-纳米双重分形微结构,加工5次后,被加工表面完全微纳织构化;微织构化不锈钢管表面经氟化处理后对水/甘油/十六烷的接触角分别为163.3°/159.7°/154.2°、滚动角分别为2°/5.6°/8.3°,具备超双疏液性能,微织构化钛合金表面经氟化处理后对水接触角高达157.1°,滚动角低至6.2°,具备超疏水性能;此外,微织构化表面还具有优异的耐腐蚀性能和机械耐久性能。在中高转速单向多次加工模式下,带式掩膜电解加工微织构表面易于超疏液化且具有强耐腐蚀性能和机械耐久性。
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