CN101791726A - 圆柱件外曲面有掩膜微结构的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆柱件外曲面有掩膜微结构的加工方法，属于电化学加工领域。该方法采用浸渍涂胶及滚动光刻的方式使曲面零件表面图形化，或者采用激光等加工平面柔性绝缘屏蔽薄膜，并将其固定于曲面零件表面的方法，然后将圆柱体零件作为阳极，套筒作为阴极进行微细电解加工，从而在曲面表面形成微细结构。这种方法解决了曲面零件外表面具有复杂精细微结构的制造难题，能加工大面积的曲面微结构，特别是具有复杂图形及小尺寸的微结构。采用本发明所加工的曲面微细结构具有加工面积大，加工精度高，可加工复杂小尺寸微细结构的优点，且操作简单，效率高，加工成本低。
Description
技术领域
本发明中的圆柱件外曲面有掩膜微结构的加工方法，属于电化学加工领域。
背景技术
随着科学技术的发展，解决能源日益紧张的问题成为各国工作者的研究热点，减小摩擦提高能源效率始终是摩擦学工作者追求的目标。传统摩擦学研究认为,相互接触的两个表面越光滑摩擦系数和磨损量越小。而近年来的研究表明,表面并非越光滑就越耐磨,而是具有一定非光滑形态，即表面织构的表面具有更好的耐磨性能。所谓表面织构，是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、沟槽或凸包等微结构图案的阵列。
摩擦副表面微结构的制造已引起国内外研究人员的普遍关注，曲面摩擦副（如轴/轴承，活塞环/缸体之间的摩擦副）作为摩擦副的一种，其表面微细结构的加工比平面微细结构的加工要更加困难。目前金属表面微结构的加工方法主要包括激光加工、LIGA/准LIAG技术、超精密机械加工技术以及特种加工技术等，但能用于曲面微结构的加工方式比较少，比较代表性的有：机床自激振动加工技术、激光珩磨技术、振动冲击加工方法、超声加工及陶瓷球喷射技术等，但这几种方法都存在表面质量不高，加工工艺繁琐，制造成本过高等问题。
微细电解加工是基于金属电化学溶解的原理，加工过程是以离子形式进行的，因而从原理上讲可以实现微纳米级的加工精度。其主要优点包括：加工工件表面不存在热变形、内应力和微裂纹等缺陷；可实现批量加工，成本低；与材料硬度无关等。由于原理上的优势，微细电解加工技术在微纳米制造领域有着巨大的发展潜力，目前已在微纳米制造技术群中占据重要位置。本专利正是基于微细电解加工的原理，提出一种大面积、高效率、低成本、高质量的曲面微结构加工方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有圆柱件外曲面微细结构加工的不足，提供一种操作简单、高效率、低成本、大面积的微细结构加工方法。
一种圆柱件外曲面有掩膜微结构的电解加工方法，（1）制作绝缘屏蔽膜：采用两种方式：平面加工和曲面加工，平面加工绝缘屏蔽膜要求制得的绝缘屏蔽膜必须是柔性绝缘薄膜，其表面微结构的制作通过刻蚀、激光加工方法，将平面加工柔性屏蔽膜固定于圆柱件外表面，制得附着在圆柱件上的绝缘屏蔽膜；曲面加工屏蔽膜通过浸渍涂胶及滚动光刻相结合的方法在圆柱件外表面制作微结构图形，制得绝缘屏蔽膜；
（2）用夹持装置固定圆柱件与套筒，控制它们之间的间隙，间隙的大小可为微米到分米级；
（3）用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满圆柱件与套筒之间的间隙，并能够均匀地流动于圆柱件与套筒之间的间隙；
（4）将圆柱件作为电解阳极，套筒作为电解阴极，分别与电源正负极连接，通电实施电解；
（5）电解结束时，先断电，然后停止电解液的流动，从套筒中退出圆柱件，并从夹持装置上卸下；
（6）去除绝缘屏蔽膜，完成加工。
在圆柱件表面形成的绝缘屏蔽膜微结构的截面形状为方形、圆形、菱形，尺寸大小可从微米级到毫米级。
圆柱件与套筒对电极的固定采用端面定位与同轴控制相结合的方式。
在套筒外部上面加工四个周向均布的出液孔同时出液，下面加工四个周向均布的进液孔同时进液，进液孔与出液孔在周向相差45°。
采用平面柔性绝缘屏蔽膜或浸渍涂胶及滚动光刻相结合的方法，在圆柱体表面制作具有微细结构图形的绝缘屏蔽膜，利用微细电解加工的方式，最终能在圆柱件表面形成精确的微细结构。
可见，本发明的特点是：
本发明采用浸渍涂胶及滚动光刻相结合的方式，使圆柱件表面图形化，或者采用平面加工柔性绝缘屏蔽薄膜，并将其固定于圆柱件表面。这种方法解决了曲面零件外表面具有复杂精细微结构的电解屏蔽膜的制造难题，能形成大面积的曲面微结构，特别是具有复杂图形及小尺寸的微结构。
屏蔽膜微结构的特点在于截面形状可为方形、圆形、菱形等任意形状，尺寸为微米级到毫米级。
圆柱件与套筒对电极同轴度要求高，控制在5微米以内，以形成均匀稳定的电场，有利于提高加工精度与微结构的一致性，但对间隙大小要求不严格，可为微米级到分米级。
圆柱件与套筒对电极的固定采用端面定位与同轴控制相结合的方式。⑤电解液的流动采用恒流泵驱动的方式，为了使间隙内电解液流动均匀，在套筒外部上面加工四个周向均布的工艺孔同时进液，下面加工四个周向均布的工艺孔同时出液，进液孔与出液孔在周向相差45°。
利用本发明所加工的曲面微细结构具有加工面积大，加工精度高，可加工复杂小尺寸微细结构的优点，且操作简单，效率高，加工成本低。
附图说明
图1是平面柔性绝缘屏蔽膜表面微结构主视图；
图2是通过浸渍涂胶与滚动光刻相结合的方法制作电解绝缘屏蔽膜示意图；
图3是显影和固定柔性绝缘屏蔽膜后圆柱件表面附着电解绝缘屏蔽膜结构示意图；
图4是采用圆柱对电极实施电解的结构剖视图。
图1—4中标号名称：1、掩模板，2、采用浸渍光刻后的圆柱件（电解阳极），3、显影后的电解屏蔽膜（即未曝光区域），4、曝光区域，5、圆柱件夹持装置，6、出液孔-45度方向均布4个，7、电解阴极（套筒），8、套筒底部定位密封装置，9、进液孔-90度方向均布4个，10、套筒顶部密封装置，11、电解液，12、进给装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参照图1所示，在圆柱件表面形成的绝缘屏蔽膜微结构的截面形状可为方形、圆形、菱形等任意形状，尺寸大小可从微米级到毫米级。
参照图2所示，通过采用浸渍涂胶与滚动光刻相结合的方法制作绝缘屏蔽膜，对涂有光刻胶的圆柱件2通过紫外光曝光复制掩模板1上的微结构图形，即曝光区域4，显影后剩下未曝光区域3，此方法使得绝缘屏蔽膜与圆柱件紧密贴合，有利于电解加工。
参照图3所示，通过采用浸渍涂胶与滚动光刻相结合的方法制作绝缘屏蔽膜3，或者将平面加工柔性绝缘屏蔽膜3固定于圆柱件外曲面，加工精度高，且能加工大面积的微机构。
参照图4所示，电解加工时，通过密封装置8和10进行密封，通过进给装置11控制圆柱件的位置，关键在于严格控制圆柱件2与套筒7的同轴度与间隙大小，以圆柱件2为电解阳极，套筒7为阴极分别与电源正负极连接通电实施电解，以实现微结构的稳定均匀加工。
轴颈及活塞等表面的微小凹槽能够起到磨损颗粒吸收、蓄油等作用，从而能够减小摩擦磨损。一种圆柱件外曲面微结构的制造方法，即在轴颈曲面上制造出微结构阵列，在电解加工过程中，仅采用一次电解成形即可在轴颈曲面表面得到所需的微结构。结合图1-4，具体的加工实施过程依次经过以下步骤：
（1）、制作绝缘屏蔽膜。屏蔽膜的制作通过平面加工和曲面加工两种方式。平面加工的屏蔽膜是柔性绝缘薄膜，其表面微结构的制作通过激光加工的方法加工，得到图1所示结构。曲面加工屏蔽膜通过浸渍光刻的方法，通过采用浸入式涂胶，进而采用滚动光刻在轴颈外表面制作微结构图形（3）；
（2）、将平面柔性屏蔽膜固定于轴颈外表面，若采用浸渍光刻方法，则无此步骤；
（3）、采用电解加工结构中的进给装置（11）使圆柱件（2）与工作台平面接触，用夹持装置（5）固定圆柱件与套筒（7），控制它们之间的间隙，间隙的大小可为微米到分米级；
（4）、用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满轴颈与套筒之间的间隙，并能够均匀地流动于轴颈与套筒之间的间隙；
（5）、将圆柱件作为电解阳极，套筒作为阴极，分别与电源正负极连接，控制时间通电实施电解；
（6）、电解结束时，先断电，然后停止电解液的流动，从套筒中退出圆柱件，并从夹持装置上卸下；
（7）、若采用的是平面柔性屏蔽膜，将屏蔽膜取下即可；若采用的是光刻胶屏蔽膜，则将轴颈浸入相应的溶剂即可去除，完成加工。
Claims (4)
1.一种圆柱件外曲面有掩膜微结构的电解加工方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）制作绝缘屏蔽膜：采用两种方式：平面加工和曲面加工，平面加工绝缘屏蔽膜要求制得的绝缘屏蔽膜必须是柔性绝缘薄膜，其表面微结构的制作通过刻蚀、激光加工方法，将平面加工柔性屏蔽膜固定于圆柱件外表面，制得附着在圆柱件上的绝缘屏蔽膜；曲面加工屏蔽膜通过浸渍涂胶及滚动光刻相结合的方法在圆柱件外表面制作微结构图形，制得绝缘屏蔽膜；
（2）用夹持装置固定圆柱件与套筒，控制它们之间的间隙，间隙的大小可为微米到分米级；
（3）用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满圆柱件与套筒之间的间隙，并能够均匀地流动于圆柱件与套筒之间的间隙；
（4）将圆柱件作为电解阳极，套筒作为电解阴极，分别与电源正负极连接，通电实施电解；
（5）电解结束时，先断电，然后停止电解液的流动，从套筒中退出圆柱件，并从夹持装置上卸下；
（6）去除绝缘屏蔽膜，完成加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在圆柱件表面形成的绝缘屏蔽膜微结构的截面形状为方形、圆形、菱形，尺寸大小可从微米级到毫米级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：圆柱件与套筒对电极的固定采用端面定位与同轴控制相结合的方式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在套筒外部上面加工四个周向均布的出液孔同时出液，下面加工四个周向均布的进液孔同时进液，进液孔与出液孔在周向相差45°。
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