CN103769700B - 高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，所述加工方法为：制作带有贯穿群孔结构的模板，所述模板是由两层绝缘层包裹一层惰性金属薄片的三层结构，然后紧密贴合模板与工件阳极；电源A和电源B的负极均和工具阴极相连，电源A的正极和模板上的惰性金属片相连，电源B的正极和工件阳极相连，设定电源A正极、电源B正极的输出电位；通入电解液，开启电源，进行电解加工；本发明的高电位惰性金属模板能够缩小工件表面电化学溶解的范围，加工出尺寸小于模板尺寸的表面微织构。

Description

高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法

技术领域

本发明涉及一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

表面织构是指物体表面具有一定排布规律的微小尺度凹坑、凹痕或凸包等图案。具有微纳米尺度微观织构的表面在表面能、光学特性、仿生特性、机械特性、流体动力学特性及摩擦磨损性能等方面与光滑表面表现出截然不同的特点，在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。

有效的表面织构加工技术是表面织构技术工程化的重要保障。近年来，研究人员在表面织构加工领域倾注了极大的研究热情，提出了多种制造方法，如激光加工表面织构技术，磨料气射流技术，电火花加工技术，电解加工技术等。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。由于金属材料以离子形式溶解去除，电解加工技术在表面微织构加工领域相比其他加工技术有更大的研究潜力。

目前表面织构电解加工方法主要有以下几种：

1）掩模电解加工：掩模电解加工是通过夹紧装置将带镂空图案的绝缘板与工件阳极贴紧后，再进行电解加工的加工工艺。电解加工时，电场控制在工件表面镂空图形对应的区域，阳极溶解在此区域进行，加工出与活动模板图案相似的表面织构。该方法工艺过程简单，成本低廉，加工效率高。

2）电解转印：电解转印是将带镂空图案的绝缘板张贴于阴极表面，然后进行电解加工的方法。

3）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。加工完成后活动模板与工件分离，可多次重复使用。

4）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，影响电场分布，从而有效地减小杂散腐蚀，提高加工定域性。

但是，上述几种方法都存在一个共同的问题：由于侧向腐蚀的存在，零件表面加工出的结构尺寸均大于模板上对应图案的尺寸。因此，模板镂空图案的最小尺寸限制了可加工的表面织构的最小尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，解决现有零件表面织构电解加工出的织构尺寸大于模板尺寸的缺点，显著提高了模板表面织构电解加工的微细尺度加工能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，其创新点在于，包括以下步骤：

（a）制作带有贯穿群孔结构的模板；

（b）紧密贴合模板与工件阳极；

（c）电源A和电源B的负极均和工具阴极相连，电源A的正极和模板上的惰性金属片相连，电源B的正极和工件阳极相连，设定电源A和电源B正极的输出电位；

（d）通入电解液，开启电源A和电源B，进行电解加工；

（e）分离模板和工件阳极，并清洗。

进一步的，所述模板为三层结构，由上层绝缘层、下层的绝缘层与中间的惰性金属薄片层构成。

模板由覆盖在惰性金属薄片上表面与电解液接触的绝缘层A、覆盖在惰性金属薄片下表面与工件阳极接触的绝缘B以及惰性金属薄片三部分组成。绝缘层A用于屏蔽非加工区惰性金属薄片与阴极之间的电场，提高能量利用率；绝缘层B用于隔离惰性金属薄片和工件阳极。

进一步的，所述惰性金属片为铂片或钯片。

惰性金属薄片电势最高，按照法拉第定律惰性金属薄片最先发生电化学溶解。选择在常见电解液中不发生电化学溶解的惰性金属铂、钯等金属，可以避免该高电位电极的溶解，从而保证工件阳极溶解的正常进行。同时，采用惰性金属的模板可以使得该模板反复使用。

进一步的，所述电源B的正极输出电位低于电源正极输出电位。

本发明电源B正极的输出电位低于电源A正极的输出电位。电源A正极的电位高于电源B正极的电位是该发明能够实现结构尺寸小于模板尺寸的表面微织构加工的核心。

进一步的，所述电源A和电源B为双通道输出、电压可调的直流稳压电源或者脉冲电源；或者为接地端相连的两台独立的直流稳压电源或者脉冲电源。

电解加工用电源主要为直流稳压电源或者脉冲电源，为了实现本发明的电源A正极和电源B正极共接地同时输出，要求电源能实现双通道输出，或者通过两台独立的直流稳压电源或者脉冲电源接地端相连实现。

本发明的有益效果：本发明的高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，电源A正极的电位高于电源B正极的电位，实现结构尺寸小于模板尺寸的表面微织构加工，施加高电位于惰性金属模板，改变了加工区域的电势分布，使得工件裸露表面电场方向发生反转，能够缩小工件表面电化学溶解的范围，加工出尺寸小于模板尺寸的表面微织构；本发明采用惰性金属的模板，模板可反复使用。

附图说明

图1为高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法原理图。

图2为高电位惰性金属模板结构示意。

图中：1-工具阴极，2-绝缘层，3-电源，4-电源，5-工件阳极，6-惰性金属薄片，7-绝缘层，8-惰性金属模板。

图3为电流密度仿真结果图。

图中，a、b、c是电源A正极分别为10V、11V、12V，电源B正极为10V的加工条件。

图4为电流密度Y分量仿真结果图。

图中a、b、c是电源A正极分别为10V、11V、12V，电源B正极为10V的加工条件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

结合图1所示的高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法原理图，电位惰性金属模板表面织构电解加工方法包括以下步骤：

（a）制作带有贯穿群孔结构的模板8，模板8由覆盖在惰性金属薄片6上表面与电解液接触的绝缘层A2、覆盖在惰性金属薄片6下表面与工件阳极5接触的绝缘B7以及惰性金属薄片6三部分组成；

（b）紧密贴合模板8与工件阳极5；

（c）电源A3和电源B4的负极均和工具阴极1相连，电源A3的正极和模板8上的惰性金属片6相连，电源B4的正极和工件阳极5相连，设定电源A3和电源B4正极的输出电位；

（d）通入电解液，开启电源A3和电源B4，进行电解加工；

（e）分离模板8和工件阳极5，并清洗。

作为本发明的具体实施例，惰性金属采用铂或钯，可以避免该高电位电极的溶解，从而保证工件阳极溶解的正常进行。

作为本发明的具体实施例，电源A和电源B为双通道输出、电压可调的直流稳压电源或者脉冲电源；或者为接地端相连的两台独立的直流稳压电源或者脉冲电源。

本发明施加高电位于惰性金属模板，改变了加工区域的电势分布，使得工件裸露表面电场方向发生反转。图3、图4分别为仿真计算的工件表面电流密度模和电流密度Y向分量的分布曲线。图3中a、b、c是电源A正极分别为10V、11V、12V，电源B正极为10V的加工条件的仿真结果。图4的情况就是双极性电极（CN100544872C）加工条件的仿真结果。对比图3、图4可以发现，当电源A正极的电位高于电源B正极时，工件阳极表面电流密度发生反向分布。根据法拉第定律可知，工件阳极5只在其电流密度Y向分量大于0时才发生电化学溶解。因此，高电位惰性金属模板能够缩小工件表面电化学溶解的范围，加工出尺寸小于模板尺寸的表面微织构。

Claims (4)

1.一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）制作带有贯穿群孔结构的模板(8)；

（b）紧密贴合模板(8)与工件阳极(5)；

（c）电源A(3)和电源B(4)的负极均与工具阴极(1)相连，电源A(3)的正极和模板(8)上的惰性金属片(6)相连，电源B(4)的正极和工件阳极(5)相连，设定电源A(3)和电源B(4)正极的输出电位；所述步骤（c）中电源B(4)的正极输出电位低于电源A(3)正极输出电位；

（d）通入电解液，开启电源A(3)和电源B(4)，进行电解加工；

（e）分离模板(8)和工件阳极(5)，并清洗。

2.根据权利要求1所述的一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，其特征在于：所述模板(8)为三层结构，由上层绝缘层、下层的绝缘层与中间的惰性金属薄片层构成。

3.根据权利要求1或2所述的一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，其特征在于：所述惰性金属片为铂片或钯片。

4.根据权利要求1所述的一种高电位惰性金属模板表面织构电解加工方法，其特征在于：所述电源A(3)和电源B(4)为双通道输出、电压可调的直流稳压电源或者脉冲电源；或者为接地端相连的两台独立的直流稳压电源或者脉冲电源。