CN104526093A - 一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出制造表面织构微细电解加工用阴极制造的方法，其主要是：在经过改性后的柔性薄膜上通过LDS工艺制造出所需的表面铜质织构图案，作为电解加工表面织构用阴极；利用柔性薄膜的可变形性，制作适用于对任意曲面进行电解加工表面织构用的阴极。具体工艺流程为：在PU树脂中掺杂了金属复合物，采用SPI光纤激光器(波长1064nm)对改性树脂表面按照表面织构图案进行扫描，形成活化中心；把经过活化后的柔性薄膜放入化学镀铜液中使活化区域沉积上铜金属，形成导电的织构图案；把具有表面织构导电图案的薄膜覆盖在工件表面，并经过适当的背衬处理，制成工具阴极；最后通过电解加工过程，完成工件的表面织构制造。

Description

一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法

技术领域

本发明涉及表面织构加工技术，特别适用于制造电解加工曲面表面织构用柔性阴极。

背景技术

研究表明,表面织构技术是改善摩擦副表面摩擦学特性的有效手段。目前,表面织构已经在缸套、滑动轴承和机械密封等工程技术领域中获得了成功的应用。因此,低成本、高效率、高精度的表面织构加工技术已成为制造领域的研究热点。国内外研究学者提出了多种表面织构加工手段。电解加工(Electrochemical Machining,ECM)是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法，具有加工范围广、生产率高、表面质量好、工具阴极无损耗等显著优点，尤其适合于难加工材料和复杂形状零件的加工，具有诸多优点,如:与工件材料的硬度无关,加工表面无热影响层等。由于电解加工过程中,工件材料的减少过程以离子的形式进行,因此这种溶解去除方式使电解加工技术在微细制造领域有着巨大的发展潜力。

发明内容

本发明提出了一种解决曲面表面织构加工的方法：1.首先制备出一种掺杂了有机金属复合物催化型活化剂的软性聚合物材料，在聚焦激光束的辐射下可以发生物理化学反应，形成活性催化中心。再通过化学镀铜工艺，制作出精细表面织构铜层图案。把表面具有导电织构图案的软性薄膜贴合到待加工的工件表面上，经过适当的背衬处理，精确复制工件表面的几何形状，实现适用于曲面表面织构电解加工工具阴极的快速制造。2.采用这种方法制备的工具电极，电极表面的导电部分将高出绝缘基体，因此可以预期在更小的加工间隙条件下，获得更佳的排除电解产物的能力，提高电解加工复制精度和加工效率。该项技术的突出优势体现在，随着对表面织构功能性机理研究的不断深入，更多变幻莫测的表面织构形状将不断出现，将对加工制造技术提出严峻的挑战，该方法可以实现把制造电解加工曲面表面织构用阴极的过程转化为二维加工(阴极表面激光直写)，极大降低了工具电极制造的复杂程度，具有重要的实际应用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1 含金属复合物的PU浆料制备流程图；

图2 柔性PU基LDS材料；

图3 激光加工系统示意图；

图4 不同功率作用时基体表面形貌：(a)未经活化区域(b)激光功率为4w(c)激光功率为8w；

图5 表面粗糙度随激光功率的变化；

图6 活化层EDS能谱分析；

图7 基体表面激光活化前(1)和活化后(2)Cu2p的XPS谱图；

图8 激光活化后基体表面Cu LMM的Auger谱图；

图9 基于LDS技术的柔性电极制作流程图；

图10 柔性阴极电解加工示意图；

图11 轴瓦表面织构电解加工实例加工。

具体实施方式：

实施例1：

1.材料制备

用于制作人造革的热塑性PU树脂，是聚合物二元醇与扩链剂、二异氰酸酯反应而得，分子中含有大量的氢键结构，在PU树脂中加入溶剂和一些助剂后，形成粘稠状的浆料，这种浆料可刮涂在基布上烘干，待溶剂挥发后制得具有柔性特性的人造革。

把有机金属复合物、无机添加剂等掺杂到合成PU树脂后，再加入一些助剂，用高速搅拌机搅拌，使得有机金属复合物与PU树脂分子发生反应，金属原子枝接到PU树脂分子结构中，制成含有金属螯合物的PU浆料。浆料的配置流程如图1所示。

制备的PU基体浆料呈粘稠状的液体，将其倾倒在干净的玻璃平面，铺平后放在通风口风干1～2天，待浆料中溶剂完全挥发，自然固化后，从玻璃上剥离获得试验所用的柔性LDS材料，如图2所示。材料质地柔软，与玻璃贴合的树脂表面光整。

实施例2：

2.激光活化

2.1 激光设备

激光加工设备主要由SPI光纤脉冲激光器、XY扫描振镜、聚焦透镜、工作平台及计算机控制系统几部分组成。图3为试验用激光加工系统示意图。

设备采用精密光学XY平台和光学Z运动轴，采用二次影像元对光学参数进行精确校准。系统准直透镜和扩束镜为一体，在反射镜上安装了全反射分光镜，加工前用650μm红外光进行定位，可以准确定位激光输出的位置，保证激光直写的准确度。激光器输出的激光束依次经过X轴振镜、Y轴振镜、平面透镜后聚焦到工件表面，通过控制X、Y轴振镜的偏转，控制激光束在材料表面的X轴和Y轴方向移动。

2.2激光粗化与活化

2.2.1 激光对基体粗化作用

激光对材料表面辐射活化过程中，基体吸收能量后表面出现烧蚀现象，达到粗化作用。表面粗化对提高后续的化学镀铜层与基体的结合力至关重要，如图4所示。未活化区域表面光整，随着激光功率增大，基体表面粗化作用增强，基体表面出现大量凹坑和空穴。

采用粗糙度仪测量PU改性材料在不同功率作用下的表面粗糙度，结果表明：当激光功率增大，表面粗糙度也随着增大，功率在1～7w时，表面粗糙度增加较快。图5为不同激光功率对基体表面粗糙度的影响。

2.2.2 激光活化区域的表征

选择激光模式为Mode 0，激光功率为5w。为了获得连续、均匀的扫描线，选择振镜扫描速度为3m/s，脉冲频率为75KHz。根据所需的待加工工件表面织构图案，进行激光辐射扫描。

通过EDS能谱分析，活化层中含有铜元素。如图6所示。这是因为在激光高能束的作用下，激光和聚合物之间发生了光热与光解反应，基体表面因吸收了激光的能量使得金属元素与非金属元素之间的共价键断裂，释放出Cu元素颗粒镶嵌在基体表面。

为了判断基体活化层中Cu元素的价态，对PU改性材料表面在激光活化前后进行XPS分析，图7为Cu2p的XPS谱图。

图7中有两个明显的峰，其中Cu2p3/2特征峰位于932.92eV，Cu2p1/2特征峰位于951.79eV，可以判断活化层中Cu元素为Cu⁰或Cu⁺。

为了进一步确认出Cu是0价还是1价，需要测量Cu LMM峰，如图8。

可知Cu LMM峰位于571.5eV，即动能KE位于915.1eV，通过式1计算出俄歇常数α＝1848.02eV。

α＝Cu2P_3/2+(hv-CuLMM)   (1)

参照表1中俄歇参数，可以看出，所求值与CuCl、CuCN比较接近，因此可以判断活化层中Cu元素以Cu⁺的形式构成化合物。亚铜离子(Cu⁺)的存在是由于掺杂的铜基金属化合物为可溶性亚铜盐。

表1 部分铜(Cu)样品XPS参考数值

实施例3

3.电解加工表面织构用柔性阴极制作

3.1 化学镀液配制

化学镀铜镀液所用试剂及配方见表2，试剂均为分析纯，用去离子水配制。

表2 镀液所用试剂及配方

首先将铜盐溶液与络合剂溶液相混合，不断搅拌直到充分溶解后，缓慢加入NaOH溶液；再加入稳定剂，最后加入还原剂甲醛，用去离子水稀释至规定体积。测试溶液pH值，镀液pH值控制在12.5左右，可用氢氧化钠稀溶液微调至合格，即可加温施镀，镀液温度通过水浴锅控制在50℃左右。改性塑料在施镀之前，要先用5％的NaOH溶液超声清洗10分钟，去除表面油污。

3.2 化学镀

经过以上的材料制备、激光表面选择性活化、镀液配制，可以实施在柔性基材上通过化学镀铜工艺制作电解加工表面织构用阴极。整个工艺流程如图9所示。

实施例4：

4.柔性阴极电解加工表面织构工艺

运用前述中制作的柔性工具阴极，通过脉冲电解加工工艺实现在工件表面上加工微细织构。其基本工艺流程是，先把具有导电织构图案的柔性薄膜贴合在工件表面，再通过背衬处理，修整加工后制备出完整的阴极结构。工具阴极接入电源的负极，待加工工件接入正极，两极间的间隙值控制在50μm左右，间隙中通过入电解液，两极间接入脉冲直流电源，开始加工。

试验用加工工件为材料为Ф32mm不锈钢轴瓦，选用加工参数：脉冲电源电压为6 V，占空比为20％，脉冲频率为10KHz，电解液为1mol/L的NaNO3，在其内表面通过电解转印加工出微沟槽。图10、图11分别为在不锈钢轴瓦内表面加工微沟槽的示意图和实物照片。以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法，其技术特征是：

首先制备出一种掺杂了有机金属复合物催化型活化剂的软性聚合物材料，在聚焦激光束的辐射下可以发生物理化学反应，形成活性催化中心；再通过化学镀铜工艺，制作出表面织构铜层图案的柔性薄膜；

把上述具有表面织构铜层图案的柔性薄膜贴合在工件表面，所述柔性薄膜具有变形性，通过背衬处理，修整加工后制备为阴极结构。

2.根据权利要求1所述的一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法，其特征在于所述柔性薄膜为在PU树脂中掺杂了金属复合物。由聚合物二元醇与扩链剂、二异氰酸酯反应而得，形成粘稠状的浆料；把有机金属复合物、无机添加剂等掺杂到合成PU树脂后，再加入一些助剂，使得有机金属复合物与PU树脂分子发生反应，金属原子枝接到PU树脂分子结构中，制成含有金属螯合物的PU浆料；这种浆料可刮涂在玻璃基板上烘干，待溶剂挥发后制得具有柔性的薄膜。

3.根据权利要求2所述的一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法，其特征在于所述柔性薄膜为可变形性，适用于制作对任意曲面进行电解加工表面织构用的阴极。

4.根据权利要求1所述的一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法，其特征在于所述激光束是由激光器输出的激光束依次经过X轴振镜、Y轴振镜、平面透镜后聚焦到工件表面，通过控制X、Y轴振镜的偏转，控制激光束在材料表面的X轴和Y轴方向移动。把三维织构图案加工简化为二维扫描过程。

5.根据权利要求1所述的一种表面织构微细电解加工用阴极的制作方法，其特征在于将工件阴极接入电源的负极，待加工工件接入正极，两极间的间隙值控制在大约50μm，间隙中通过入电解液，两极间接入脉冲直流电源，加工制作出具有表面织构的工件。