潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究.pdf

论坛FORUM引文格式：董志刚，程吉瑞，高尚，等.潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究 .航空制造技术,2 0 2 3,6 6(13):38 45,7 2.DONG Zhigang,CHENG Jirui,GAO Shang,et al.Study on contact characteristics of moist particle electrolyte electrochemicalmechanical polishing of copper workpieceJJ.Aeronautical Manufacturing Technology,2023,66(13):38-45,72.潮湿颗粒电解质电化学机械抛光铜工件的接触特性研究*董志刚，程吉瑞，高尚，康仁科（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，大连116 0 2 4）摘要潮湿颗粒电解质电化学机械抛光（Moist particleelectrolyteelectrochemicalmechanical polishing，M PE-ECMP）作为新兴技术，仍存在难以获得高表面质量的问题。为解决该问题，深入研究电解质颗粒与工件的接触特性，采用离散元仿真软件AltairEDEM探究了工件倾斜角、转速对接触数量、接触力的影响规律，并进行MPE-ECMP工艺试验。研究结果表明，倾斜角为30 时，单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量最多，且切向力最大，为3.38mN；在9 0 时，切向力最小，为1.2 1mN。随着工件转速增大，单位时间内电解质颗粒与工件的接触数量变少，电解质颗粒与工件接触的法向力、切向力呈增大趋势。当抛光电位（vs.Hg/Hg2SO4）为0.8 V，工件倾斜角为30，抛光1h，表面粗糙度从S.433.51nm降低到S.22.43nm，降低了9 4.8%。结果证明了工件倾斜角、转速的调整可有效提高MPE-ECMP的抛光精度，表面粗糙度的降低是由接触数量及接触力共同决定的，EDEM可有效模拟电解质颗粒运动的流态特性，为MPE-ECMP的进一步研究奠定了基础。关键词：潮湿颗粒电解质电化学机械抛光（MPE-ECMP）；离散元法；流场轨迹；接触特性；表面质量D0I:10.16080/j.issn1671-833x.2023.13.038铜及铜合金因具备高热导率、高延展性、高电导率等优异特性-4,被广泛应用于航空航天精密零件 5-8 、表面技术 9 、集成电路 10-13 等领域。为了满足服役性能,对纯铜的表面质量提出了更高的要求。为了使纯铜达到超精密表面，常需对其进行抛光加工。传统的抛光方法有机械抛光、化学抛光及电化学抛光。机械抛光是采用高速旋转的抛光轮黏附抛光膏消除工件表面粗糙峰而达到表面光洁的抛光方董志刚法。该方法通常采用大型设备或者教授，主要从事航空难加工材料高人工抛光，加工费用昂贵，易对工件效加工技术、精密超精密加工技术研究工作。38航空制造技术2023年第6 6 卷第13期表面形成机械划擦，产生应力变形的现象 4。化学抛光使用具有腐蚀性的抛光液对工件表面的粗糙峰腐蚀溶解，该方法抛光液配比复杂，工件表面易形成过腐蚀 15。电化学抛光是通过施加极化电位使阳极工件表面粗糙峰溶解的光整加工方法，电化学抛光具有抛光效率高、设备简单等优点。如Huang等 16 研究了电化学抛光中不同电解液配比对纯铜表面质量的影响，试验表明，纯磷酸电解抛光50 s后，铜表面粗糙度由R.6.92nm明显降低到R.0.82nm。但电化学抛光使用的电解液多数使用有害*基金项目：国家自然科学基金面上项目（519 7 50 9 5）；大连市高层次人才创新支持计划（2 0 2 0 R D 0 2）；辽宁省“兴辽英才计划”杰出人才项目（XLYC2001004）。Multi-EnergyField Composite Manufacturing成分制备，会对环境造成一定的破数40%磷酸电解液的方式，研究了坏 1。基于上述现状，潮湿颗粒电MPE-ECMP对H65黄铜的表面质量解质电化学机械抛光（Moistparticle的改善情况，结果表明，在抛光电压electrolyte electrochemical mechanical1.5V时，随着抛光时间的延长,表面polishing，M PE-EC M P）作为一种新粗糙度由 S.764nm降低到S,218nm;型环保的表面抛光技术逐渐被研究。在抛光电压2.0 V时，表面粗糙度由MPE-ECMP加工原理如图1所示（其S.764 nm降低到 S,252 nm。但是对中wiws为角速度；ViVs为线速度)。于机械旋转过程中电解质与工件的该技术通过采用潮湿电解质颗粒代接触特性，研究相对较少，且主要定替传统的液体电解液，结合机械旋转性表征电解质颗粒的机械作用。如控制游离的电解质颗粒与工件进行Bai等 18 的研究表明，电解质颗粒在随机接触。在外加电场的作用下，固MPE-ECMP抛光过程中，会去除工体电解质导通阳极工件与阴极，并对件表面形成的氧化膜，使工件露出新阳极工件的粗糙峰进行选择性去除。的表面，其抛光机理是原始表面生成MPE-ECMP技术是一项新型抛氧化膜被去除的过程光方法，且MPE-ECMP是耦合电化MPE-ECMP的电解质颗粒与工学作用与机械作用的抛光方法，期望件的接触特性主要影响因素为接触被用于航空航天领域的涡轮叶片、薄数量 2 1 及接触力 2 。这两个因素壁板筋等结构的表面光整工艺。目与工件表面质量息息相关。接触数前,研究学者对MPE-ECMP的研究量增多提高了工件表面氧化膜被去进展主要集中在电化学作用的电解除的部位数量，工件新表面露出面积质配置及电压参数选择等方面。如增加，提高了工件的表面质量。接触Bai等 18 研究了MPE-ECMP抛光力影响着电解质对纯铜接触时的接电压、抛光时间对316 L不锈钢的表触状态，法向力及切向力的分布关系面粗糙度的影响规律，探究使用质量着表面氧化膜的去除方式。然而，在分数1%硫酸的树脂作为电解质,将试验过程中，电解质颗粒与工件之间316L不锈钢表面粗糙度从R.12100的接触数量每时每刻都在变化，想要nm 降低到 R,800 nm。Ch e n g 等 19 将测量记录十分困难。同时，由于电解硫酸-甲醇一氟化铵电解液加人树质颗粒的尺寸限制，测量电解质颗粒脂作为电解质，利用MPE-ECMP抛与工件之间的接触力同样也是一件光了钛合金Ti-6A1-4V,探究抛光电困难的事情。因此,本文采用EDEM压、时间对钛合金表面形貌及电化仿真软件进行离散元法仿真，实现了学性能的影响,抛光1h表面粗糙度对工件与电解质颗粒接触数量的监由 S316 nm降低到 S198 nm。M i n测及电解质颗粒流场轨迹和速度的等 2 0 通过向树脂颗粒中添加体积分分析。探究了不同工件倾斜角、工件直流电源阳极工件、十转速Wa反应池一阴极一电解质，颗粒多能场复合制造转速对接触数量、接触力的影响规律，并结合MPE-ECMP试验，探究了接触数量及接触力对表面粗糙度的影响规律，最终获得了较高的表面质量，为MPE-ECMP的高质量表面加工提供了应用指导。1试验及方法1.1仿真模型设计试验装置采用直立斜叶浆式搅拌器，筒体直径为10 0 mm，工件采用纯铜片,尺寸为10 mm20mm1mm,纯铜片安装在夹具上。为了减少仿真时计算机的计算量，对搅拌器的电机、筒体的底座及工件的夹具等不会对试验结果产生影响的结构采取了省略设计且采用单个纯铜叶片搅拌模型。使用Solidworks三维建模软件对试验设备建模，并通过AnsysWorkbench仿真软件细化了网格的划分，如图2 所示。$100$96反应池20（a）So l i d w o r k s 建模及尺寸（mm）网格尺寸0.1 mmW24W3.W4W54W1V34ViV2阳极工件图11MPE-ECMP加工原理Fig.1Principle of MPE-ECMP20工件网格尺寸5.0 mmZV50（b）A n s y s Wo r k b e n c h 网格划分离子扩散图2 MPE-ECMP试验装置三维建模及网格划分Fig.23Dmodeling and meshing ofMPE-ECMPexperimentaldevice2023年第6 6 卷第13期航空制造技术392550mmX论坛FORUM1.2仿真参数设置采用离散单元法数值模拟软件EDEM对潮湿电解质颗粒及纯铜的参数进行合理的设置。潮湿电解质颗粒与纯铜接触模型采用Hertz-Mindlin（n o s l i p）接触模型（图3）。其中,法向接触力采用Hertz理论模型,切向接触力采用Mindlin接触理论模型 2 。Hertz-Mindlin 接触模型表示了法向力、切向力的作用情况。其中，根据经典的Hertz公式计算法向力F为F413H111R*RR,1(1-vi)+(1-v)EE,式中，E为等效杨氏模量；R为等效半径；.为法向重叠量；E,和E、V和V、R,和R,分别为互相接触的两个颗粒介质的弹性模量、泊松比和半径。切向接触力F由Mindlin公式表示为(4)钝化电位为抛光电位，进行MPE-S.2GR1(2 v)(2V)G,G,式中，S为切向刚度；为切向重叠量；G*为等效剪切模量。设置颗粒和工件的物性参数 2 4,以及颗粒与颗粒、颗粒与工件的接触参数,并考虑颗粒的潮湿特性对参数进行校正,相关参数设置如表1和2 所示 2 4。搅拌筒内部填充大约30 0 0 0 个球形聚合物电解质颗粒，颗粒粒径设置为R0.5mm，与试验颗粒粒径保持一致，采用EDEM预设的颗粒工厂生成颗粒。初始阶段颗粒保持静止状态，铜片在0.0 1s开始以恒定转速绕搅拌筒中心轴旋转。由于电解质颗粒运动具有周期性，每个周期内电解质颗粒运动轨迹基本一致，所以仿真时间设置为1s,研究两个旋转周期内电解质颗粒的运动轨迹、运动速度，以及随着工件倾斜角、叶片转速工艺参数的变化，工件与电解质颗粒的接触数量、接触力的变化规律。R*3nE;立HITACHI）观察工件抛光前后表面形貌，使用3D表面光学轮廓仪（Zy g o 9 0 0 0,ZY G O Co r p o r a t i o n）测量工件表面的3点表面粗糙度，采用平均值表示工件表面的整体粗糙度值，采用标准差衡量表面粗糙度的测量误差。2结果与讨论2.1倾斜角对电解质颗粒运动轨迹与运动速度的影响规律设置工件转速为10 0 r/min。设(1)1.3工艺试验及表面形貌观测仿真结束后，保持工件倾斜角、(2)转速与仿真一致,进行相应的MPE-ECMP试验，试验装置如图4所示。（3)设计不同的夹具夹持铜片，使铜片保持倾斜角为0、30 6 0、9 0 12 0 150。电解质颗粒采用离子交换树脂，颗粒平均粒径为0.5mm。辰华CHI660E电化学工作站提供直流电源，不锈钢作阴极，参比电极为Hg/Hg2SO4,测量LSV极化曲线。选取(5)ECMP抛光,抛光时间为1h,并通过(6)电化学工作站记录抛光电流变化。选取倾斜角为30 的工件进行不同转速的MPE-ECMP抛光，抛光时间为1h。通过扫描电镜（SU5000，日表1潮湿电解质颗粒和纯铜的物性参数 2 4Table1 Physical properties ofmoistparticleelectrolytes and pure copper/24剪切模量/项目泊松比(kgm)颗粒0.35铜0.37置工件倾斜角为与工件旋转运动方向分别呈0、30 6 0 9 0、12 0 150，倾斜角示意图如图5所示。观察在不同倾斜角下电解质颗粒的运动轨迹及运动速度。观察仿真开始0.0 5s、0.50 s、1.0 0S时电解质颗粒运动轨迹及运动速度，从图6 可以看出，工件在不同的倾斜角下转动时电解质颗粒的运动轨迹基本呈现U形分布。在仿真0.0 5s时，电解质颗粒运动幅度较小，这是因为运动初期工件对电解质颗粒作用时间较短，使得电解质颗粒具有较少的动能。0.50 s和1.0 0 s电解质电机参比电极导电一