CN101804488A - 套筒类零件内曲面无掩膜微结构的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套筒类零件内曲面无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方式使圆柱体表面图形化，或者采用激光等办法加工平面柔性绝缘屏蔽薄膜，并将其固定于圆柱体外表面，然后将套筒类零件作为阳极，带有绝缘屏蔽膜的圆柱体模具作为阴极，严格控制间隙，采用高频窄脉冲电源进行微细电解加工，从而在曲面内表面形成微细结构。这种方法解决了套筒类零件（如轴承套）内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

套筒类零件内曲面无掩膜微结构的加工方法

技术领域

本发明中的套筒类零件内曲面无掩膜微结构的加工方法，属于电化学加工领域。

背景技术

表面形貌对润滑接触副的摩擦性能影响已成为摩擦副工程设计和应用中必须考虑的问题，摩擦系数是评价润滑接触副摩擦性能的重要参数。摩擦副表面微细结构的制造引起了国内外研究人员的普遍关注，对表面微结构作用的认识主要包括磨损颗粒吸收、蓄油及流体动力学等方面。

曲面摩擦副（如轴/轴承套，活塞环/缸体之间的摩擦副）作为摩擦副的一种，其表面微结构的加工比平面微结构的加工要更加困难，在曲面上加工微细结构比较有代表性的研究方法有：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。另外，随着表面微结构向更小尺度、更高图形密度延伸，激光加工等串行微结构工艺将面临加工效率和加工成本的瓶颈，而且与曲面外表面微结构的加工相比，内表面微结构的加工更是限制了上述技术的应用。比如，在孔径Φ50mm、宽度40mm的轴承内表面加工直径及间距均为10mm的凹坑，则微特征数量将达到上千万个，解决加工效率问题对串行本质的工艺将是一项颇具挑战性的难题。

微细电解加工作为加工方式的一种，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。微细电解加工可以分为有掩膜和无掩膜两种形式，这里的有掩模和无掩模都是针对被加工表面而言的。无掩膜微细电解是研究各种能够增强加工过程非线性效应的技术（如非线性工作介质、脉冲电流、多场复合加工等）在微尺度下影响加工定域性及工艺稳定性的机理，寻求在更小加工尺度和加工复杂程度方面的新突破，但此方法一般都采用微细探针作为阴极，加工成本高且效率低，严重限制了在工业上的应用。本专利正是基于无掩膜微细电解加工的原理，提出一种大面积、高效率、低成本、高质量的套筒类零件（如轴承套）内表面微结构加工方案。

发明内容 

本发明的目的是针对现有套筒类零件内表面微细结构加工技术的不足，提供一种高精度、高效率、低成本、大面积的无掩膜微结构加工方法。

一种套筒类零件内曲面无掩膜微结构的电解加工方法，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，其柔性绝缘薄膜的表面微结构通过刻蚀、激光加工方法制得，将平面加工制得的柔性屏蔽膜固定于圆柱体外表面，将附着在圆柱体上的绝缘屏蔽膜作为电解加工的圆柱体模具；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体外表面制作微结构图形，制得绝缘屏蔽膜，作为电解加工的圆柱体模具；

2）用夹持装置固定圆柱体模具与套筒类零件，同时控制它们之间的间隙与同轴度；

3）用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满圆柱体模具与套筒类零件之间的间隙，并能够均匀地流动于圆柱体模具与套筒类零件之间的间隙；

4）将圆柱体模具作为电解阴极，套筒类零件作为电解阳极，分别与高频窄脉冲电源连接，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，从套筒类零件中退出圆柱体模具，并从夹持装置上卸下套筒类零件，完成加工。

在圆柱体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。

圆柱体模具与套筒类零件间隙的大小控制在100微米以内，同轴度误差控制在5微米以内。

  在套筒外部上面设置四个周向均布的出液孔同时出液，下面设置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°。

采用高频窄脉冲电源以高频窄脉冲周期性的间歇供电代替传统的连续直流供电方式。

作为阳极的套筒类零件其表面无掩模，作为阴极的圆柱体模具可多次使用。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，能在圆柱体外表面制作形成具有微细结构图形的绝缘屏蔽膜，利用高频窄脉冲微细电解加工的方式，最终能在无掩模的内曲面表面制造出微结构，更重要的是附着有电解屏蔽膜的圆柱体可作为模具，能够多次重复利用，从而大大降低了加工成本。

可见，本发明的特点是：本发明采用微细电解加工方法，作为阳极的加工件表面无掩膜，有绝缘屏蔽膜的圆柱体可作为模具，持续多次使用，提高了加工效率，降低了加工成本。

本发明采用浸渍涂胶及滚动光刻的方式，使圆柱体表面图形化，或者采用平面柔性绝缘屏蔽膜，并将其固定于圆柱体表面，这种方法解决了圆柱体模具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。

圆柱体模具与套筒类零件对电极之间间隙控制与同轴度要求高，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。

阴极圆柱体与阳极轴承套对电极的固定采用端面定位与同轴控制相结合的方式。电解液的流动采用恒流泵驱动供液的方式，为了使间隙内电解液流动均匀，在轴承套外部上面加工四个周向均布的工艺孔同时出液，下面加工四个周向均布的工艺孔进液，进液孔与出液孔在周向相差45°。

本发明采用高频窄脉冲电源电解加工，以高频周期性的间歇供电代替传统的连续直流供电，该方法极大改善了加工间隙的理、化特性，对去除材料的阳极过程可以提高其溶解过程的集中蚀除能力，从而提高了图形的定域性。

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，尺寸数十到数百微米，高度数百个纳米到数十微米。

利用本发明所加工的零件曲面内表面微细结构具有加工表面质量好，生产效率高，工具不损耗，无残余应力，加工后不变形，加工面积大，加工精度高的优点，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曝光相结合的方法制作电解绝缘屏蔽膜示意图；

图3是显影或固定柔性绝缘屏蔽膜后圆柱体模具表面附着电解绝缘屏蔽膜结构示意图；

图4是采用套筒与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、圆柱体模具（阴极），3、电解屏蔽膜（即未曝光区域），4、曝光区域，5、圆柱体模具夹持装置，6、出液孔—45度方向均布4个，7、电解阳极（套筒类零件），8、套筒类零件底部定位密封装置，9、进液孔—90度方向均布4个，10、套筒类零件顶部密封装置，11、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，在圆柱体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体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，从而使得绝缘屏蔽膜与圆柱体紧密贴合，作为圆柱体模具，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固定于圆柱体外曲面，作为圆柱体模具，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控制圆柱体模具的位置，关键在于严格控制圆柱体模具2与套筒7的同轴度与间隙大小，以套筒类零件7为电解阳极，圆柱体模具2为阴极分别与高频窄脉冲电源连接实施电解，以实现微结构的稳定均匀加工。

轴承套及活塞等圆柱体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。一种轴承套内曲面微结构的制造方法，即在轴承套内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承套内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，表面微结构的制作通过激光加工的方法加工。得到图1的结构。曲面屏蔽膜通过浸入涂胶和滚动光刻的方法，在圆柱体模具（2）外表面制作微结构图形（3）；

（2）、将平面柔性屏蔽膜固定于圆柱体外表面作为圆柱体模具，若采用浸入涂胶和滚动光刻的方法，则无此步骤；

（3）、采用电解加工结构中的进给装置（11）使圆柱体模具与工作台表面接触，并利用夹持装置（5）固定圆柱体模具与轴承套（7），控制它们之间的间隙，间隙的大小控制在100微米以内，同轴度误差控制在5微米以内；

（4）、用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满圆柱体模具与轴承套之间的间隙，并能够均匀地流动于圆柱体模具与轴承套之间的间隙；

（5）、将圆柱体模具作为电解阴极，轴承套作为阳极，分别与高频窄脉冲电源连接，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，从轴承套中退出圆柱体模具，并从夹持装置上卸下轴承套零件，完成加工。

Claims (6)

1.一种套筒类零件内曲面无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，其柔性绝缘薄膜的表面微结构通过刻蚀、激光加工方法制得，将平面加工制得的柔性屏蔽膜固定于圆柱体外表面，将附着在圆柱体上的绝缘屏蔽膜作为电解加工的圆柱体模具；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体外表面制作微结构图形，制得绝缘屏蔽膜，作为电解加工的圆柱体模具；

2）用夹持装置固定圆柱体模具与套筒类零件，同时控制它们之间的间隙与同轴度；

3）用恒流泵控制电解液流动，使电解液充满圆柱体模具与套筒类零件之间的间隙，并能够均匀地流动于圆柱体模具与套筒类零件之间的间隙；

4）将圆柱体模具作为电解阴极，套筒类零件作为电解阳极，分别与高频窄脉冲电源连接，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，从套筒类零件中退出圆柱体模具，并从夹持装置上卸下套筒类零件，完成加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在圆柱体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：圆柱体模具与套筒类零件间隙的大小控制在100微米以内，同轴度误差控制在5微米以内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在套筒外部上面设置四个周向均布的出液孔同时出液，下面设置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°。

5.5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用高频窄脉冲电源以高频窄脉冲周期性的间歇供电代替传统的连续直流供电方式。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：作为阳极的套筒类零件其表面无掩模，作为阴极的圆柱体模具可多次使用。

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