CN104607734B - 辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统及方法，属微细电解加工技术领域。该系统包括上夹具（1）、下夹具（7）、安装于上夹具（1）的工具阴极（2）、安装于下夹具（7）的工件阳极（6）、工件阳极（6）表面具有群孔结构的掩模板（5）、固定在下夹具（7）并环绕工件阳极（6）边缘的辅助阳极（4），工具阴极（2）和工件阳极（6）之间形成电解液流道；还包括主电源（9）和辅助电源（8），其正极分别与工件阳极（6）和辅助阳极（4）相连，负极均与工具阴极（2）相连。其特征在于辅助电源电压小于主电源电压，两者之间具有电位差，使工件表面各掩模孔内的电流密度一致，从而提高阵列微坑的尺寸均匀性。
Description
技术领域
本发明提出了一种辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统及方法，属微细电解加工技术领域。
背景技术
摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一，据统计，工业化国家能源的30％消耗在机械磨损，大约有80％的零件损坏是由于各种形式的磨损引起。磨损不仅消耗能源和材料，而且加速设备报废，导致频繁更换零件，对经济造成极大的损失。因此，减少无用的摩擦损耗，控制和减小磨损，改善润滑性能可减少设备维修次数和费用，可以节约能源和提高资源的利用率。减小磨损，降低摩擦也是工程界长期致力于需要解决的重大技术难题之一。
早在上世纪中期，人们已经认识到汽缸的表面加工纹理对活塞/汽缸摩擦学特性的显著作用，研究人员对金刚石、陶瓷以及橡胶等不同表面加工工具对表面加工纹理的影响进行了细致的研究，发现一定加工纹理的存在，能够起到保存润滑油，防止活塞/缸体产生咬死和擦伤的效果。目前在表面摩擦学性能的研究中，表面织构技术在改善表面摩擦磨损性能方面起到了积极的作用，尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑和微小沟槽形状的表面织构已成功地应用在在机械部件、磁性存储器等摩擦表面，取得了显著的提高承载力、减小磨损、以及避免表面粘附和咬死的效果。近年来，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。
有效的微小凹坑阵列制造技术是该项技术工程化的重要保障。近年来，研究人员在摩擦副表面微小凹坑阵列制造加工领域倾注了极大的研究热情，提出了多种制造加工方法，试图解决这个制造难题。目前摩擦副表面织构制造加工方法主要有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。其中，电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理去除材料的特种加工方法。与其他加工方法比较，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。用电解方法加工微小凹坑效率高，表面质量好，成本低。
目前国内外使用电解加工微小凹坑阵列的方法主要是模板电解加工。采用具有贯穿群孔结构的绝缘材料作为模板与工件紧密贴合，同时与平板阴极之间形成流道，阴阳极接通电源后进行电解加工，在工件表面得到群坑结构。该方法加工效率高，成本低廉。然而在模板电解加工中由于电场边缘效应，造成工件表面各掩模孔内的电场分布不均匀，位于工件边缘掩模孔内的电场强度大于工件中心掩模孔内的电场强度，因而各个微坑腐蚀速度不一致，微坑尺寸差异大，导致加工结果不理想。因此，有必要探索一种新方法，在保证模板电解加工效率的同时，提高阵列微坑的尺寸精度和均匀性。
发明内容
本发明的目的是针对目前模板电解加工阵列微坑尺度均匀性差的缺点，提出了辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的方法及装置。利用本发明可以显著提高电解加工微小阵列微坑尺度均匀性。
一种辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统，包括上夹具、下夹具、安装于上夹具的工具阴极、安装于下夹具的工件阳极，工具阴极和工件阳极之间形成电解液流道；还包括紧贴于工件阳极表面的掩模板，掩模板具有贯穿群孔结构；还包括正、负极分别与工件阳极、工具阴极相连的主电源；还包括辅助阳极，它由不溶性金属制作，它固定在下夹具上并环绕在工件阳极边缘；还包括正、负极分别与辅助阳极、工具阴极相连的辅助电源。
利用所述的辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统的方法，其特征在于：上述主电源电压高于辅助电源；辅助电源电压是主电源电压的0.5-0.75倍；
本发明的有益特点在于：采用辅助阳极固定在工件阳极周围，加工时可以改变工件表面的电场分布，当辅助阳极施加合适的电压时可以促使工件表面电场均匀分布。
在掩模电解加工阵列微坑中，由于电场边缘效位于边缘掩模孔内的电场强度大于中心掩模孔内的电场强度，从而造成因而各个微坑腐蚀速度不一致，微坑尺寸差异大。采用带有正电位的辅助阳极后，工件表面边缘掩模孔内的电场强度减小并和中心掩模孔内的电场强度趋于一致，使得整个工件表面各掩模孔内的腐蚀速度趋于一致，从而提高微细电解加工阵列微小凹坑的尺寸均匀性。若辅助电压是主电压的0.5，能够改善电场，但不能完全消除电场的不均匀性；辅助电压是主电压的0.75时会造成边缘电场比中心电场低，同样也不能满足要求。
所述的辅助阳极掩模微细电解加工阵列微坑的系统，其特征在于：为不影响流场的稳定性，上述辅助阳极其厚度在0.1mm-1mm之间，且此厚度已经能满足要求。
附图说明
图1传统掩模微细电解加工阵列微小凹坑的方法示意图；
图2本发明采用辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的方法示意图；
图3工件表面掩模孔内电流密度取样编号示意图；
图4传统掩模与带有不同正电位的辅助阳极掩模微细电解加工工件表面掩模孔内电流密度分布对比图
其中标号名称：1、上夹具，2、工具阴极，3、电解液，4、辅助阳极，5、掩模板，6、工件阳极，7、下夹具，8、辅助电源，9、主电源
具体实施方式
下面结合附图具体说明实施本发明——“采用辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的系统及方法。
本发明采用辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的方法，包括下列步骤：
(a)、制作带有贯穿且一致的群孔结构掩模板5；
(b)、将掩模板5与工件阳极6紧密贴合,二者放入下夹具7内；
(c)、将辅助阳极4固定在下夹具7上，环绕在工件阳极6周围；
(d)、将工具阴极2装夹在上夹具1内，固定在掩模板5上方，与下夹具7之间形成流道；
(e)、辅助阳极4与工具阴极2分别与电源8正负极连接；
(f)、工件阳极6与工具阴极2分别与电源9正负极连接；
(g)、在流道内通入电解液3，电解液通过掩模板5上贯穿的群孔到达工件阳极6表面；
(h)、接通电源8和9，进行电解加工。
上述辅助阳极所加电压小于工件阳极所加电压。
本例利用有限元软件分析如图3所示工件表面各个掩模孔内电流密度。
由电流密度和电场强度的关系：
i＝κ·E
腐蚀速度与电流密度的关系：
ν＝ηωi
其中：
i--电流密度；
κ--电导率；
E--电场强度；
ν--腐蚀速度；
η--加工效率；
ω--电化学当量
可知电场强度与电流密度成正比，电流密度与腐蚀速度成正比。
仿真具体参数设置条件如下：
主电源电压：16V
工具阴极与工件阳极间距：2cm
电解液电导率：10S/m
工件直径：10cm
掩模板微孔直径：100μm
掩模板厚度：50μm
辅助阳极厚度：0.5mm，
利用有限元电场计算分析，结果如图4所示，在传统掩模中，没有辅助阳极的存在，在工件表面掩模孔内的电流密度分布不均匀，掩模孔内工件表面的电流密度从边缘向中间减小。采用带有8V正电位(即主电压的0.5)的辅助阳极后，工件表面边缘掩模孔内的电流密度有减小的趋势但仍然大于中心掩模孔内的电流密度，腐蚀速度仍难一致；采用带有10V正电位(即主电压的0.625)的辅助阳极后，工件表面边缘掩模孔内的电流密度减小并与中心掩模孔内的电流密度相等，使得整个工件表面各掩模孔内的腐蚀强度和速度趋于一致，从而提高微细电解加工阵列微小凹坑的尺寸均匀性；采用带有12V正电位(即主电压的0.75)的辅助阳极后，工件表面边缘掩模孔内的电流密度进一步减小并小于中心掩模孔内的电流密度，从而也不能提高微坑尺寸的均匀性。
本发明能有效提高微细电解加工阵列微小凹坑的均匀性，但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该提出的是，对于本领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明专利的保护。
Claims (3)
1.一种辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的系统，包括上夹具（1）、下夹具（7）、安装于上夹具（1）的工具阴极（2）、安装于下夹具（7）的工件阳极（6），工具阴极（2）和工件阳极（6）之间形成电解液流道；还包括紧贴于工件阳极（6）表面的掩模板（5），掩模板（5）具有贯穿群孔结构；还包括正、负极分别与工件阳极（6）、工具阴极（2）相连的主电源（9）；
其特征在于：
还包括辅助阳极（4），它由不溶性金属制作，它固定在下夹具（7）上并环绕在工件阳极（6）边缘；还包括正、负极分别与辅助阳极（4）、工具阴极（2）相连的辅助电源（8）。
2.根据权利要求1所述的辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的系统，其特征在于：上述辅助阳极其厚度在0.1mm-1mm之间。
3.利用权利要求1所述的辅助阳极掩模微细电解加工阵列微小凹坑的系统的方法，其特征在于：
上述主电源（9）电压高于辅助电源（8）；辅助电源（8）电压是主电源（9）电压的0.5-0.75倍；
在掩模电解加工阵列微小凹坑中，由于采用带有正电位的辅助阳极后，工件表面边缘掩模孔内的电流密度和中心掩模孔内的电流密度趋于均匀，使得整个工件表面各掩模孔内的腐蚀速度趋于一致，从而提高微细电解加工阵列微小凹坑的尺寸均匀性。
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