CN102699456B - 微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置，包括导电导液杆；导向装置，所述导向装置环绕在所述导电导液杆四周，可防止所述导电导液杆水平晃动；工作椎体，所述工作椎体的上端固定在所述导电导液杆的下端，所述导电导液杆的中轴线与所述工作椎体重合；所述工作椎体为下端窄、上端宽的圆锥形结构，所述工作椎体的外表面涂覆有多条螺旋线绝缘胶。同时，本发明还公开了采用上述电解加工装置对微热管内壁非连续微结构微细电解加工的方法，可通过变截面多线螺旋电极的正反两次旋转进给，在微热管的内表面电解形成不同尺寸、不同形状的复杂非连续微结构，所述方法操作简单，有效解决了表面微结构制造的难题。

Description

微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及微细电解加工技术领域，尤其是涉及一种微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置以及加工方法。

背景技术

在电力电子行业，微电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和微型化，使得电子器件的耗散功率迅速增大，发热量急剧升高，常规的冷却方式已无法满足要求，电子器件的散热成为其发展的一个瓶颈。

强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术。具有强化传热结构的微型热管已成为高热流密度微电子器件导热的理想元件。所谓强化传热微结构是指在管内壁加工出具有不同尺寸形貌，并具有散热或传热功能的连续或非连续微结构，如肋槽、凹坑或凸台等。这些结构可以增加传热表面积，在一定条件下还可以扰动壁面边界层，减小黏性底层厚度以降低热阻，达到在同样冷气量条件下实现最高冷却效果的目的。

连续和非连续微结构管都具有较高的传热性能，其中非连续微结构管蒸发传热性能最佳，其传热性能比连续微结构管平均提高6.71%。而非连续微结构更有利于冷凝液表面张力发挥作用和液体的沸腾，有利于促进冷凝膜内部的对流换热、沸腾泡核的成倍增长和气泡的大量发生和蒸发。目前，微热管内强化传热结构的加工技术主要是针对连续微结构，而有关微热管内表面非连续微结构的加工尚未见报道。

目前，金属内表面微结构的加工方法主要有挤压-切削法、激光加工法、电火花加工法、电解加工法等。挤压-切削法只适合于加工微热管内表面的连续微结构；激光加工法受激光头尺寸的限制，很难深入微热管内壁进行加工；电火花加工法效率低，工具电极存在损耗，无法实现对微热管内表面的大量微结构进行加工；电解加工过程中材料去除过程是以离子的形式进行的，这使其在微细制造领域，以至于纳米制造领域有着很大的发展潜力。从原理上讲，微细电解加工具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力等优点。更重要的是，微细电解加工可以一次同时加工数千到数万个微小凹坑、凹槽和凸包，加工所需时间仅为几十秒钟到几分钟。因而，最近几年国内外很多专家学者特别关注微细电解加工技术，期望利用其独特的加工原理和特性应用到表面微结构制造方面。

微热管内表面非连续微结构加工难点表现在如下几个方面：第一是微热管的内径小、长径比大、内表面空间狭窄；第二是微结构特征尺寸几十至几百微米（微米级深度的浅槽）且呈非连续分布状态；第三是所需加工的微结构数量巨大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种结构简单的微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置；同时，本发明还提供一种采用所述加工装置对微热管内壁非连续微结构微细电解加工的方法，所述方法便于操作实现，可获得不同尺寸和形状的非连续表面微结构。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置，包括：

导电导液杆；

导向装置，所述导向装置环绕在所述导电导液杆四周，可防止所述导电导液杆水平晃动；

工作椎体，所述工作椎体的上端固定在所述导电导液杆的下端，所述导电导液杆的中轴线与所述工作椎体重合；

所述工作椎体为下端窄、上端宽的圆锥形结构，所述工作椎体的外表面涂覆有多条螺旋线绝缘胶。

所述微细电解加工装置包括用于设在被加工工件预制孔中部的变截面多线螺旋微细电解加工工作椎体、设在被加工工件上部一端与工作椎体连接另一端与电解液回流管连接的导电导液杆、设在导电导液杆上的导向装置。加工时电源的正极与被加工工件连接，电源的负极与导电导液杆连接，在所述工作椎体与被加工工件的内壁之间加入电解液。所述工作椎体、导电导液杆和导向装置组成所述加工装置的变截面多线螺旋电极，将所述变截面多线螺旋电极在被加工工件的预制孔中按照一定的速度顺时针或逆时针旋转，在旋转的同时并沿所述被加工工件内壁轴向进给，完成一次旋转进给后，将所述变截面多线螺旋电极回退到被加工工件的上端，然后将其按照与第一次相反的方向旋转，并在旋转的同时沿所述被加工工件内壁轴向进给，完成正反两次旋转进给。由于工作椎体的外表面按照设计好的螺旋线有选择涂覆有绝缘胶，阴极体的侧面为加工面，加工过程中绝缘胶表面对应的工件表面受到保护，而与未涂覆绝缘胶表面对应的工件表面被电解，变截面多线螺旋电极在被加工工件预制孔中完成正反两次旋转进给后，在被加工工件的内表面形成非连续微结构。

所述工作椎体设计为上端宽、下端窄的圆锥形结构，可方便工作椎体在微热管管内的送进及旋转。实践中，可通过工作椎体外表面涂覆的螺旋线绝缘胶数、螺旋角、螺旋线宽等参数的改变，以及对工作椎体旋转状态的控制，从而在被加工工件内表面形成复杂的内表面非连续微结构。

作为本发明所述微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置的优选实施方式，所述导电导液杆为中空圆柱形结构，所述导电导液杆的下端设有至少一个电解液出口。将所述导电导液杆设计为中空圆柱形结构，电解液可通过导电导液杆的中空部分从上向下流动，通过导电导液杆下端的电解液出口，流入到工作椎体与微热管的内壁之间。

作为本发明所述微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置的优选实施方式，所述导向装置的外周设有至少一个密封圈。当所述导电导液杆设计为中空圆柱形结构时，电解液通过导电导液杆的中空部分从上向下流动，通过导电导液杆下端的电解液出口流出，流入到工作椎体与微热管的内壁之间；因为在加工的过程中，导电导液杆处于旋转的状态，因此，密封圈的设计可对电解液起到一定的密封作用，防止电解液的回流，避免对已加工表面的二次加工。

同时，本发明还提供一种采用上述所述加工装置对微热管内壁非连续微结构微细电解加工方法，包括以下步骤：

（1）将所述导向装置固定在所述微热管的内壁，所述工作椎体的中轴线与所述微热管的中轴线重合；

（2）在所述工作椎体与微热管内壁之间加入电解液；

（3）将所述导电导液杆按照一定的速度顺时针或逆时针旋转，并在旋转的同时沿所述微热管内壁轴向进给；

（4）步骤（3）中导电导液杆完成一次旋转进给后回退到原始位置，将所述导电导液杆按照与步骤（3）相反的方向旋转，并在旋转的同时沿所述微热管内壁轴向进给。

加工时，将被加工工件安装在机床夹具上，将工作椎体的轴线调整至与被加工孔孔心同轴，并调整电解至初始加工位置，完成后将电解液回流管与导电导液杆连接，设定由工作椎体、导电导液杆和导向装置组成的变截面多线螺旋电极的旋转速度及轴向进给速度即可进行电解加工，进给完成后，将电极回退至初始位置，重新设定电极反向旋转速度及轴向进给速度，进行二次旋入加工即可形成复杂的内表面非连续微结构。采用上述加工方法对微热管内壁进行非连续微结构微细电解加工时，可方便快速在微热管的内表面加工出非连续微结构。

本发明所述电解加工装置，提出一种由工作椎体、导电导液杆和导向装置组成的变截面多线螺旋电极，其阴极本体设计成圆锥形，圆锥电极上按照设计好的螺旋线有选择涂覆绝缘胶，阴极体的侧面为加工面，加工过程中绝缘胶表面对应的工件表面受到保护，而与未涂覆绝缘胶表面对应的工件表面被电解。阴极在管内作轴向送进的同时按一定速度旋转。在优化的电解加工参数和电解液流动方式下，利用具有变截面多线螺旋电极进行正反两次旋进加工，通过螺旋线数、螺旋角、螺旋线宽等参数的改变以及对电极旋转状态的控制，从而形成复杂的内表面非连续微结构。本发明所述微热管内壁非连续微结构微细电解加工方法，可快速在微热管的内表面加工出不同形状、不同尺寸的复杂非连续微结构，操作简单，有效解决了表面微结构制造的难题。

附图说明

图1为本发明所述微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置的一种实施例的结构示意图。

图2为图1中工作椎体的上端的横截面结构示意图。

图3为本发明所述微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置的一种使用状态的结构图。

图4为图3中微热管的结构示意图。

图5为图3中微热管进行一次旋进加工后的内表面结构示意图。

图6为图3中微热管进行一次旋进加工后的另一种内表面结构示意图。

图7为图3中微热管进行正反两次旋进加工后的内表面结构示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

一种微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置，如附图1所示，包括：导电导液杆10；导向装置20，所述导向装置20环绕在所述导电导液杆10四周，可防止所述导电导液杆10水平晃动；工作椎体30，所述工作椎体30的上端固定在所述导电导液杆10的下端，所述导电导液杆10的中轴线与所述工作椎体30重合；所述工作椎体30为下端窄、上端宽的圆锥形结构，所述工作椎体30的外表面涂覆有多条螺旋线绝缘胶32。

如附图1、2和3所示，所述工作椎体30设计为变截面多线螺旋结构，使用时，所述工作椎体30设于微热管40预制孔的中部，所述导电导液杆10设于微热管40上部，所述导向装置20环绕设于所述导电导液杆10的周向，可防止所述导电导液杆10水平晃动，影响所述工作椎体30对微热管40内壁的加工。微热管40与电源50的正极连接，导电导液杆10与电源50的负极连接，在所述工作椎体30与微热管40的内壁之间加入电解液42。将所述导电导液杆10按照一定的速度顺时针或逆时针旋转，并在旋转的同时按照一定的速度沿所述微热管40的内壁轴向进给，导电导液杆10的旋转进给使得由工作椎体30、导电导液杆10和导向装置20组成的变截面多线螺旋电极以同样的速度旋转及进给；所述变截面多线螺旋电极完成一次旋转进给后，回退到微热管40的上端，然后按照与第一次相反的方向旋转，且在旋转的同时按照一定的速度沿微热管40内壁轴向进给，从而完成在微热管40内表面的正反两次旋转进给加工。由于工作椎体30的外表面按照设计好的螺旋线有选择涂覆绝缘胶32，工作椎体30的侧面为加工面，加工过程中，绝缘胶32表面对应的微热管40表面受到保护，而与未涂覆绝缘胶表面对应的微热管40内表面被电解。所述变截面多线螺旋电极在微热管40内完成正反两次旋转进给后，在微热管40的内表面电解形成非连续微结构。

所述工作椎体30设计为上端宽、下端窄的圆锥形结构，可方便工作椎体30在微热管40管内的送进及旋转，同时，有效减少工作椎体30在加工过程中的磨损。实践中，可通过工作椎体30外表面涂覆的螺旋线绝缘胶32数、螺旋角、螺旋线宽等参数的改变，以及对工作椎体30旋转状态的控制，在微热管内表面获得不同尺寸、不同形状、复杂的内表面非连续微结构。所述工作椎体30锥度大小可根据需要以及需要加工的微热管40内表面非连续微结构的特点设计。

较佳地，如附图1和3所示，所述导电导液杆10为中空圆柱形结构，所述导电导液杆10的下端设有至少一个电解液出口12。将所述导电导液杆10设计为中空圆柱形结构，电解液42可通过导电导液杆10的中空部分从上向下流动，通过导电导液杆10下端电解液出口12，流入到工作椎体30与微热管40的内壁之间。所述导电导液杆10也可为其他形状的中空结构，例如中空方柱形等；优选地，所述导电导液杆10为中空圆柱形，可方便在电解加工过程中导电导液杆10的旋转及上下移动。所述导电导液杆10下端设计的电解液出口12数量可根据需要设计，电解液出口12的数量越多，向所述工作椎体30与微热管40内壁之间加入一定量的电解液42所需的时间越短。所述电解液出口12的形状没有特殊的要求，一般地可为圆形、方形、三角形等，可根据需要选择设计为不同的形状。

较佳地，如附图1所示，所述导向装置20的外周设有至少一个密封圈22。当所述导电导液杆10设计为中空圆柱形结构时，电解液42通过导电导液杆10的中空部分从上向下流动，通过导电导液杆10下端的电解液出口12流出，流入到工作椎体30与微热管40的内壁之间；因为在加工的过程中，导电导液杆10处于旋转的状态，当导电导液杆10旋转时，由于离心力的作用，导电导液杆10中空部分的电解液在导电导液杆10中向下流动的同时沿所述导电导液杆10的内壁具有一定的周向运动，当电解液通过导电导液杆10下端的电解液出口12甩出时，甩出的电解液具有较大的动能，在导向装置20的外周设置密封圈22，所述密封圈22在导向装置20与微热管40内壁之间，可对电解液起到一定的密封作用，防止电解液的回流，避免对已加工表面的二次加工。所述密封圈22环箍在所述导向装置20的圆周，电解加工过程中，所述密封圈22在所述导向装置20与微热管40内壁之间的空隙中，所述密封圈22将导向装置20与微热管40内壁之间的空隙密封。

实施例1采用本发明所述微细电解加工装置对微热管进行电解加工

采用本发明所述微热管内壁非连续结构微细电解加工装置对微热管进行电解加工，如附图3所示，一般情况下，微热管40被装夹在专用夹具（图中未画出）上，电解加工装置的导电导液杆10的下端与工作椎体30连接，上端装夹在微细电解加工机床主轴（图中未画出）上，与电解液池（图中未画出）相连，电源50正极与微热管40相连，负极与导电导液杆10相连接。所述导向装置20环绕在所述导电导液杆10四周，用于防止在电解加工过程中，固定在导电导液杆10下端的工作椎体30在水平方向晃动，影响电解加工的效果。

加工时，将微热管40安装在机床夹具上，将工作椎体30的轴线调整至与微热管40预制孔孔心同轴，并调整工作椎体30至初始加工位置，完成后将电解液回流管与导电导液杆10连接，并将导电导液杆10与电源50的负极连接，微热管40与电源50的正极连接，向所述工作椎体30与微热管40之间加入电解液42。由于本实施例所述导电导液杆10为中空圆柱形结构，导电导液杆10的下端设有电解液出口12，导电导液杆10与电解液回流管连接，因此，电解液通过电解液回流管从导电导液杆10的上端加入，在压力作用下流到导电导液杆10的下端并通过导电导液杆10下端设置的电解液出口12流入工作椎体30与微热管40内壁之间。电解液加入后，设定工作椎体30旋转速度及轴向进给速度，即可进行电解加工，进给完成后，即实现对微热管40内表面的一次旋进加工。工作椎体30按照不同的方向旋转，完成一次旋进加工的微热管40的内表面结构图分别如附图5和6所示。

完成一次旋进加工后，将工作椎体30回退至初始位置，重新设定工作椎体30反向旋转速度及轴向进给速度，进行二次旋入加工，从而实现微热管40的正反两次旋转加工，在微热管40的内表面形成复杂的非连续微结构，加工完成后的微热管40的内表面结构图如附图7所示。

在此实施例中，可通过工作椎体30外表面的涂覆的螺旋线绝缘胶32数、螺旋角、螺旋线宽等参数的改变，以及对工作椎体30旋转状态的控制，从而在微热管内表面形成多种多样的、复杂的内表面非连续微结构。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置，其特征在于，包括：

导电导液杆；

导向装置，所述导向装置环绕在所述导电导液杆四周，可防止所述导电导液杆水平晃动；

工作椎体，所述工作椎体的上端固定在所述导电导液杆的下端，所述导电导液杆的中轴线与所述工作椎体重合；

所述工作椎体为下端窄、上端宽的圆锥形结构，所述工作椎体的外表面涂覆有多条螺旋线绝缘胶；

所述导电导液杆为中空圆柱形结构，所述导电导液杆的下端设有至少一个电解液出口。

2.如权利要求1所述的微热管内壁非连续微结构微细电解加工装置，其特征在于，所述导向装置的外周设有至少一个密封圈。

3.一种采用如权利要求1所述加工装置对微热管内壁非连续微结构微细电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将所述导向装置固定在所述微热管的内壁，所述工作椎体的中轴线与所述微热管的中轴线重合；

(2)在所述工作椎体与微热管内壁之间加入电解液；

(3)将所述导电导液杆按照一定的速度顺时针或逆时针旋转，并在旋转的同时沿所述微热管内壁轴向进给；

(4)步骤(3)中导电导液杆完成一次旋转进给后回退到原始位置，将所述导电导液杆按照与步骤(3)相反的方向旋转，并在旋转的同时沿所述微热管内壁轴向进给。