CN104772540A - 一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，属于电解加工领域。本发明的步骤为：(a)制备铜铝复合电极：将由厚度不超过50μm的铜片和铝片沿高度方向交替排列而成的铜铝复合块的端面浸入浓度不超过5％的NaOH溶液中，使铝片被腐蚀，得到铜阵列电极；(b)电解加工：在脉冲电源作用下，铜阵列电极和被加工对象之间通入浓度不超过10％的NaNO₃电解液，发生电解反应；脉冲电源电压控制在10V以内，电流控制在5A以内，被加工对象的电流密度不超过50A/cm²，电解间隙不超过0.1mm。本发明实现在被加工对象表面一次性织构大量阵列微坑，具有织构面广、织构可控和效率高等特点，有着广泛的应用前景。

Description

一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法

技术领域

本发明涉及一种电解加工方法，更具体地说，涉及一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法。

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，而且导致零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。摩擦磨损造成的损失是巨大的，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挑战之一。

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明进行精加工，如表明抛光、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，储存润滑油，为表面提供润滑、容纳磨屑以及减少表面吸附力等效果。并且，随着近年来研究的不断深入，研究人员已经形成共识：摩擦副表面的微小凹坑阵列具有极佳的抗磨减摩性能。

然而，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有：(1)照相电解：此工艺首先经光刻工艺在工件表面形成镂空图案，然后通过电化学方法在工件表面形成所需图案；此加工方法加工过程繁琐，生产效率比较低，制造成本高；(2)群电极电解加工：该方法是使用一排电极分几次加工完成或使用群电极一次加工完成；该工艺制造群坑深度的一致性很难保证；(3)固定阴极加工：该方法是将一个带有贯穿群孔结构、表面附有绝缘层的工具阴极直接与工件紧密贴合，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，但在加工阵列微小凹坑时，容易出现微小凹坑杂散腐蚀严重，导致加工定域性和均匀性差；(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。

采用电极电解加工微小凹坑阵列的难点不仅在于电极制造较为困难，而且电解加工工艺对表面织构的质量较差，导致一般工艺方法难以加工制造满足要求的微小结构电极，因此，如何在工件表面电解加工出满足使用要求的微小凹坑阵列成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有电解加工表面织构质量较差的不足，提供一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，采用本发明的技术方案，利用铜铝复合电极及相应的电解工艺参数，实现在被加工对象表面一次性织构大量阵列微坑，具有织构面广、织构可控和效率高等特点，有着广泛的应用前景，提高了被加工对象表面的使用性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，包括以下步骤：

(a)制备铜铝复合电极：

(a-1)将厚度不超过50μm的铜片和铝片压平，并保证铜片和铝片的平整度误差不小于0.01mm；

(a-2)将压平的若干个铜片和铝片沿高度方向交替排列后夹紧，形成铜铝复合块；

(a-3)利用慢走丝机床对铜铝复合块端面进行切割，并保证切割端面精度不大于0.02mm；

(a-4)将上述的铜铝复合块端面浸入浓度不超过5％的NaOH溶液中，使铝片被腐蚀，得到铜阵列电极；

(b)电解加工：在脉冲电源作用下，铜阵列电极和被加工对象之间通入浓度不超过10％的NaNO₃电解液，发生电解反应；脉冲电源电压控制在10V以内，电流控制在5A以内，被加工对象的电流密度不超过50A/cm²，电解间隙不超过0.1mm。

更进一步地，步骤(a-4)中，通过控制腐蚀时间、腐蚀浓度、腐蚀温度和腐蚀深度，制备的铜阵列电极的电阻阻值不大于1Ω。

更进一步地，步骤(a-4)中所述的铝片的腐蚀深度为0.5mm～1mm。

更进一步地，步骤(a-4)中所述的腐蚀过程中对铜铝复合块进行冷却，用于防止铜片变形。

更进一步地，步骤(a)中制备的铜铝复合电极作为阴极或阳极，铜铝复合电极与电解机床连接的接触电阻不大于0.5Ω。

更进一步地，步骤(b)中被加工对象的织构形状为槽形、三角形、菱形或方形。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，利用铜铝复合电极及相应的电解工艺参数，实现在被加工对象表面一次性织构大量阵列微坑，具有织构面广、织构可控和效率高等特点，有着广泛的应用前景，提高了被加工对象表面的使用性能；并且，通过腐蚀法制备的铜铝复合电极具有结构简单、成本低的特点，电解电极尺寸为微米级范围，实现精密加工；通过改变铜片或铝片的叠加厚度实现阵列电极间距的改变，使用灵活方便；

(2)本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，在腐蚀过程中对铜铝复合块进行冷却，避免了因铝片腐蚀放热而使铜片变形，保证复合电极的制作精度，从而保证了加工精度；

(3)本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，铜阵列电极为槽形电极，通过组合加工，可在被加工对象的表面织构出槽形、三角形、菱形或方形等形状，满足了不同的表面织构要求，大大提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明中制备的铜铝复合电极的立体结构示意图；

图2为本发明中制备的铜铝复合电极的侧视结构示意图；

图3为利用本发明的电解加工方法加工出的槽形织构示意图；

图4为利用本发明的电解加工方法加工出的方形织构示意图。

示意图中的标号说明：

1、复合电极；2、压板；3、螺栓；11、铜片；12、铝片；13、腐蚀微坑。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

本实施例的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，包括以下步骤：

(a)制备铜铝复合电极，如图1和图2所示，具体包括以下步骤：

(a-1)将厚度不超过50μm的铜片11和铝片12分别置于试验机上压平，并保证铜片11和铝片12的平整度误差不小于0.01mm；铜片11和铝片12的尺寸为微米级范围，可优选10μm、20μm、30μm和40μm，由该铜片11和铝片12制备出的复合电极尺寸也为微米级范围，实现了精密加工，并且，通过改变铜片11和铝片12的叠加厚度可实现阵列电极间距的改变，使用更加灵活方便；

(a-2)将步骤(a-1)中压平的若干个铜片11和铝片12沿高度方向交替排列后夹紧，形成铜铝复合块；上述的交替排列可以是一片铜片11和一片铝片12交替间隔排列，也可以是多片铜片11和多片铝片12叠加后交替间隔排列；

(a-3)利用慢走丝机床对步骤(a-2)中的铜铝复合块端面进行切割，并保证切割端面精度不大于0.02mm，保证了铜铝复合块端面的平面度；

(a-4)将上述的铜铝复合块端面浸入浓度不超过5％的NaOH溶液中腐蚀60min，在浓度不超过5％的NaOH溶液中，铜片11与NaOH溶液不发生腐蚀反应，而铝片12被NaOH溶液腐蚀，相邻两个铜片11之间的铝片12被腐蚀后，形成腐蚀微坑13，且在本实施例中，该腐蚀微坑13的腐蚀深度为0.5mm～1mm，得到铜阵列电极；另外，通过控制腐蚀时间、腐蚀浓度、腐蚀温度和腐蚀深度，制备的铜阵列电极的电阻阻值不大于1Ω；并且，制备的铜铝复合电极作为阴极或阳极，铜铝复合电极与电解机床连接的接触电阻不大于0.5Ω；此外，为了防止因铝片12腐蚀放热而使铜片11变形，因此，在铝片12的腐蚀过程中，需要对铜铝复合块进行冷却，用于防止铜片11变形，保证复合铜电极的制作精度，从而保证了电解加工精度。

(b)电解加工：在脉冲电源作用下，铜阵列电极和被加工对象之间通入浓度不超过10％的NaNO₃电解液，发生电解反应；脉冲电源电压控制在10V以内，电流控制在5A以内，被加工对象的电流密度不超过50A/cm²，电解间隙不超过0.1mm；由于铜阵列电极为槽形电极，通过组合加工，可在被加工对象的表面织构出槽形、三角形、菱形或方形等形状，满足了不同的表面织构要求，大大提高了加工效率。如图3和图4所示，分别给出了利用本发明中的复合电极及电解加工方法加工槽形和方形表面织构的结构示意图，通过槽形的铜阵列电极进行组合加工，还可以加工出其他结构形状的表面织构，具有织构面广、织构可控和效率高等特点，有着广泛的应用前景。

本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，利用铜铝复合电极及相应的电解工艺参数，实现在被加工对象表面一次性织构大量阵列微坑，具有织构面广、织构可控和效率高等特点，有着广泛的应用前景，提高了被加工对象表面的使用性能；并且，通过腐蚀法制备的铜铝复合电极具有结构简单、成本低的特点，电解电极尺寸为微米级范围，实现精密加工；通过改变铜片或铝片的叠加厚度实现阵列电极间距的改变，使用灵活方便。

此外，值得一提的是，采用本发明的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，将铜铝复合块端面浸入浓度不超过5％的HCl溶液中，在浓度不超过5％的HCl溶液中，铝片与HCl溶液不发生腐蚀反应，而铜片被HCl溶液腐蚀，可以得到铝电极，同样可以利用复合铝电解实现表面织构的加工。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)制备铜铝复合电极：

(a-1)将厚度不超过50μm的铜片(11)和铝片(12)压平，并保证铜片(11)和铝片(12)的平整度误差不小于0.01mm；

(a-2)将压平的若干个铜片(11)和铝片(12)沿高度方向交替排列后夹紧，形成铜铝复合块；

(a-3)利用慢走丝机床对铜铝复合块端面进行切割，并保证切割端面精度不大于0.02mm；

(a-4)将上述的铜铝复合块端面浸入浓度不超过5％的NaOH溶液中，使铝片(12)被腐蚀，得到铜阵列电极；

(b)电解加工：在脉冲电源作用下，铜阵列电极和被加工对象之间通入浓度不超过10％的NaNO₃电解液，发生电解反应；脉冲电源电压控制在10V以内，电流控制在5A以内，被加工对象的电流密度不超过50A/cm²，电解间隙不超过0.1mm。

2.根据权利要求1所述的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于：步骤(a-4)中，通过控制腐蚀时间、腐蚀浓度、腐蚀温度和腐蚀深度，制备的铜阵列电极的电阻阻值不大于1Ω。

3.根据权利要求2所述的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于：步骤(a-4)中所述的铝片(12)的腐蚀深度为0.5mm～1mm。

4.根据权利要求1所述的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于：步骤(a-4)中所述的腐蚀过程中对铜铝复合块进行冷却，用于防止铜片(11)变形。

5.根据权利要求1所述的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于：步骤(a)中制备的铜铝复合电极作为阴极或阳极，铜铝复合电极与电解机床连接的接触电阻不大于0.5Ω。

6.根据权利要求1所述的一种铜铝复合电极表面织构的电解加工方法，其特征在于：步骤(b)中被加工对象的织构形状为槽形、三角形、菱形或方形。