CN101862870A - 阵列微坑电解加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种阵列微坑电解加工方法及系统，属于电解加工技术领域。包括下列步骤：(a)制作带有贯穿群孔结构的模板；(b)将模板与工件阳极(4)紧密贴合；(c)工具阴极(1)和工件阳极(4)分别与电源(5)正负极连接；(d)在工具阴极(1)和模板之间通入电解液(2)，使电解液通过模板上的贯穿群孔到达阳极表面(4)；(e)接通电源(5)进行电解加工；其特征在于：上述模板为惰性金属模板(3)。本发明及系统解决了现有绝缘模板微坑阵列电解加工过程中杂散腐蚀比较大的缺点，显著提高电解加工的定域性和微细尺度加工能力。

Description

阵列微坑电解加工方法及系统

技术领域

本发明涉及一种阵列微坑电解加工方法及系统，属电解加工技术领域。

背景技术

机械零件的表面磨损是机械零件失效的主要形式之一，不仅浪费大量能源与资源，而且导致部件频繁更换与维修，加快了设备的报废，间接和直接地造成了大量的经济损失，极大地影响了国民经济的发展。据测算，纺织机械干摩擦所消耗的功率是其总功率的85％；汽车的功率消耗中，摩擦损失占48％，远高于用于保持巡航的17％和用于加速的35％。据统计，2003年我国国民经济生产总值为11694亿元，摩擦磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5％，其损失为584.7亿元。由此可见，摩擦磨损造成的经济损失是十分巨大的。减少摩擦磨损，降低设备维修次数和费用，从而提高资源的利用率，对于我们这个人均资源十分贫乏的国家具有战略意义。其收益包括以下几个方面：(1)减少能源消耗；(2)提高机器的功率输出；(3)减少润滑油的消耗；(4)减少有害气体的排放；(5)提高机器及其零部件的使用寿命和可靠性；(5)减少对维护的需求，节省经济成本。

改善机械系统的摩擦性能对提高机器的承载能力和使用寿命有着重要作用。工程实践表明，通过改变润滑油的化学成分以及降低润滑油粘度可以减少润滑油中硫、磷含量，降低环境污染；另一种合理的方法是对摩擦副工作表面进行精加工，如表面抛光、研磨等，从而达到减小摩擦副之间的摩擦损耗的目的，但受材料性质和加工精度的影响，粗糙度的提高已经达到了极限水平。表面工程技术的进步为更好地控制材料的摩擦学行为提供了多种有效的解决方法，其中表面织构技术作为精确表面工程在提高摩擦副承载能力以及抗磨减摩性能方面有着明显的改善效果。大量的理论研究和工程实践发现，合理的表面织构能够产生流体动压，储存润滑液，为表面提供润滑、容纳磨屑以及减少表面吸附力等效果。日本本田汽车株式会社的研究者利用粒径40um陶瓷球高速喷射(v＞100m/s)的方法在活塞表面加工出平均深度为0.6um-1.8um的微小凹坑(micro-dimple)。运行120小时以后，发动机整体的机械损失降低了2％-2.6％。近两年，随着研究的不断深入，研究人员已形成共识：摩擦副表面的微小凹坑阵列具有极佳的抗磨减摩性能。

近年来，国内外研究人员在摩擦副表面微坑阵列的制造领域倾注了极大地热情。目前的表面微坑制造技术主要有自激振动加工方法、低频振动冲击加工方法、数控激光珩磨方法、电火花放电加工方法、超声加工方法、松孔镀铬方法、微研磨方法和电解加工方法。

电解加工是一种基于阳极电化学溶解原理去除金属材料的制造技术，具有加工范围广，生产效率高，表面质量好，工具无损耗等突出优点。用电解方法加工摩擦副表面微坑阵列效率高，而且表面质量好。根据国内外研究现状，使用电解加工微细群坑、群孔等相似结构的方法主要有以下几种：1)活动模板电解加工。活动模板是由绝缘层和金属层构成，并带有贯穿的群孔结构。加工过程中，金属层作为工具阴极提供电场。该方法加工效率高，成本低廉，但是由于阴极侧壁提供电场，所以杂散腐蚀比较大。2)双极性电极电解加工。双极性电极是在活动模板的绝缘层一侧增加辅助阳极层，从而可以有效地减小杂散腐蚀，提高加工精度。但是辅助阳极层增加了模板的厚度，不利于电解产物的及时排出，而且，在多次加工后，辅助阳极层容易剥落，导致双极性电极的重复利用率降低。3)群电极电解加工。群电极电解加工是使用一排电极分几次加工阵列图形或使用阵列群电极进行一次加工。该方法电极制作过程复杂，电极尺寸以及加工后阵列微坑尺寸的一致性很难保证。4)电液束加工。电液束加工属于单点或单排加工，加工效率比较低。5)绝缘板掩模电解。绝缘板掩模电解是将带图案的绝缘板通过夹紧装置与阳极贴紧后进行电解加工的一门特种加工工艺，加工效率高，可以一次同时在金属基体表面加工数千到数万个直径几十微米到几百微米，深度为几微米到几十微米的微小凹坑，加工所需时间仅为几秒钟到几分钟。该方法工艺过程简单，成本低廉，加工效率高。在以上多种电解微坑的方法中，绝缘板掩模电解加工中绝缘模板制作流程最简易，可一次制作，多次使用，降低了加工成本，而且极大地提高了加工效率。

在电解加工过程中，只要阴阳极间有电解液流过，就会产生电流，发生阳极溶解现象，这就意味着已加工区域或不需要加工区域的材料被去除，这种现象称为杂散腐蚀。根据国内外的摩擦试验研究表明，摩擦副表面的微小凹坑的直径一般控制在几微米到几十微米时，减摩效果比较显著。但是掩模电解加工存在严重的杂散腐蚀现象，相对于模板上的微孔，加工后的微坑直径明显扩大，严重影响了加工精度和减摩效果。目前，减小模板电解加工杂散腐蚀的方法主要有：1)改进电解液，降低电解液浓度，可以明显降低侧面材料加工速度，但是材料的纵向腐蚀速度也被减慢，影响了加工效率，而且，当微坑深度增加时，侧向腐蚀的减小无明显效果；2)增加绝缘层厚度，减小侧面材料腐蚀速度，但是对于微坑的加工，绝缘层过厚不利于电解液冲液以及电解产物的及时排出；3)采用双极性电极进行加工，增加的辅助阳极可以有效降低杂散腐蚀，但是双极性电极增加了模板的厚度，不利于加工产物及时排出，而且双极性电极制作工艺复杂，重复利用率低。因此，有必要探索新的高效、低成本的掩模板阵列微坑电解加工工艺。

发明内容

本发明提出了一种阵列微坑电解加工方法及系统，解决了现有绝缘模板微坑阵列电解加工过程中杂散腐蚀比较大的缺点，显著提高电解加工的定域性和微细尺度加工能力。

一种阵列微坑电解加工方法，包括下列步骤：(a)、制作带有贯穿群孔结构的模板；(b)、将模板与工件阳极紧密贴合；(c)、工具阴极和工件阳极分别与电源正负极连接；(d)、在工具阴极和模板之间通入电解液，使电解液通过模板上的贯穿群孔到达阳极表面；(e)接通电源进行电解加工；其特征在于：上述模板为惰性金属模板。

一种阵列微坑电解加工系统，包括工件阳极、带有贯穿群孔结构的模板、工具阴极、电源，其特征在于于：上述模板为惰性金属模板。

在电解池中，电极本身不参与反应的电极称为惰性电极，反之称为非惰性电极。石墨、铂等电极为惰性电极，其它电极一般为非惰性电极。惰性金属模板是不易得失电子的，一般不与电解液反应。上述惰性金属模板具体材料可以为金、铂或铑等。

使用本发明的加工方法，可以有效地减弱了加工区域周围的杂散腐蚀，提高了微坑加工的定域性和微细尺度加工能力。

附图说明

图1是采用惰性金属模板的微细群坑电解加工方法示意图。

图2是惰性金属模板示意图。图2(a)和图2(b)分别是主视图和剖视图。

图3是分别采用绝缘模板和采用惰性金属模板的电解加工微坑时，加工区域电场等势面分布示意图比较。图3(a)是采用绝缘模板的电解加工微坑时，电场区域电场等势面分布示意图；图3(b)采用惰性金属模板的电解加工微坑时，电场区域电场等位面分布示意图。

图4是采用绝缘模板和采用惰性金属模板的电解加工微坑结果示意图比较。图4(a)是采用绝缘模板的电解微坑加工结果示意图；图4(b)是采用惰性金属模板的电解微坑加工结果示意图。

图中标号名称：1.工具阴极，2.电解液，3.惰性金属模板，4.工件阳极，5.电源，6.绝缘层。

具体实施方式

下面结合图1、图2具体说明实施本发明——“采用惰性金属的微细群坑电解加工方法”

1)在惰性金属板上加工出微小阵列群孔，得到惰性金属模板3；

2)通过夹持工具，将惰性金属模板3与工件阳极4加工表面紧密贴合；

3)分别将工件阳极4、工具阴极1与电源5的正负极相连接；

4)在工具阴极1和惰性金属模板3之间通入电解液2，电解液2冲入惰性金属模板3中的微小孔，到达工件阳极4的加工表面

5)接通电源，进行电解加工。

本发明的特点是带有阵列群孔的惰性金属板作为电解加工的模板，可以把金属板上的图案转移到阳极表面，同时，该金属板也作为电解加工的辅助阳极，改变了加工区域的电势分布，减弱了加工区域周围的电场强度，减小了微坑的杂散腐蚀。由有限元分析可得，绝缘板掩模电解加工过程中，加工区域上方的等势面呈均匀分布(见图3(a))。而使用本发明的加工过程中，加工区域上方的等势面比较集中在加工区域的中心区域，而边缘区域的等势面分布较稀疏(见图3(b))。由电场理论可知，等势面越密的区域，电力线也越密，则电场强度就越高，反之亦然。因此，采用绝缘板掩模电解加工过程中，加工区域的电场强度比较均匀，工件在深度方向上被腐蚀的同时，侧面方向上也在被腐蚀，从而导致加工后的微坑直径大于绝缘模板上微孔的直径(见图4(a))。在本发明中，使用金属模板作为掩模时，加工区域的电场主要集中在加工区域的中心区域，而边缘区域由于等势面分布非常稀疏，其电场强度趋于零，因此在加工过程中，阳极工件在深度方向被腐蚀时，加工区域周边几乎不发生腐蚀，因而可以极大地减小杂散腐蚀(见图4(b))。

Claims (4)

1.一种阵列微坑电解加工方法，包括下列步骤：

(a)、制作带有贯穿群孔结构的模板；

(b)、将模板与工件阳极(4)紧密贴合；

(c)、工具阴极(1)和工件阳极(4)分别与电源(5)正负极连接；

(d)、在工具阴极(1)和模板之间通入电解液(2)，使电解液通过模板上的贯穿群孔到达阳极表面(4)；

(e)接通电源(5)进行电解加工；

其特征在于：上述模板为惰性金属模板(3)。

2.根据权利要求1所述的阵列微坑电解加工方法，其特征在于：上述惰性金属模板材料具体为金、铂或铑。

3.一种阵列微坑电解加工系统，包括工件阳极(4)、带有贯穿群孔结构的模板、工具阴极(1)、电源(5)，其特征在于于：上述模板为惰性金属模板(3)。

4.根据权利要求5所述的阵列微坑电解加工系统，其特征在于：上述惰性金属模板材料具体为金、铂或铑。

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