CN106001806B - 大面积微坑阵列高精度电解加工的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大面积微坑阵列高精度电解加工的系统及方法，属微细电解加工领域。该方法包括：制作阴极工具和夹具，在阴极工具下表面处设置出液口，进液口与出液口总截面积比为50‑200；柔性模板贴在阳极工件上，装夹阴极工具和阳极工件，阴极工具和柔性模板的距离为10‑50mm；阳极工件和阴极工具分别连接电源正负极，通入电解液后接通电源，进行电解加工。采用本方法进行电解加工，利用电解液的压力和重力，柔性模板紧密贴合在工件表面；同时微坑内的电解产物缓慢流离加工区域，降低加工间隙内的电导率，加工尺寸对电参数的敏感性降低，抑制了电场边缘效应对大面积微坑阵列加工尺寸的影响。该方法可有效提高大面积微坑阵列的加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及大面积微坑阵列高精度电解加工的系统及方法，属于微细电解加工领域。
背景技术
一般机械装置系统中存在各种各样的摩擦副，这些摩擦副的摩擦学行为，不仅影响机械系统的工作性能和运行效率，甚至是导致其失效的主要因素。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，同时可以增加密封件的密封性能。表面织构是指在摩擦副表面通过一定的加工技术加工出具有一定尺寸和分布的凹坑、凹痕或凸包等图案的点阵。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、流体动力学性能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，这为众多学科研究注入了新的活力，并且在许多工程领域展示出巨大的应用潜力。微坑阵列已经在缸套、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。摩擦副相对运动过程中，在有润滑剂存在的条件下，微坑阵列在改善摩擦副的摩擦学性能方面起到了积极的作用，其表面摩擦学性能明显优于光滑表面。
在摩擦副表面加工出阵列微坑作为改善滑动摩擦的途径已经成为研究热点。电解加工微坑阵列是一项有效技术手段，具备加工效率高，成本低，无需二次加工等优点。电解加工是利用阳极在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的一种制造技术。电解加工微坑阵列的技术主要包括单电极电解加工、射流电解加工、掩膜电解加工、旋印电解加工等。掩膜电解加工具有很好的定域性，加工精度高，传统的掩膜电解加工采用光刻胶作为掩膜，加工后工件需要去胶，难以进行大面积微坑阵列加工。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种无毒、疏水性的弹性体，它具有良好的复制性和化学稳定性、绝缘性、和耐腐蚀性。以PDMS通孔模板作为柔性模板进行电解加工具有较大的优势。加工时柔性模板贴合在阳极工件上，通电后在电解液的作用下，阳极工件上对应通孔的区域发生电化学反应，逐渐被溶解去除，最终得到微坑阵列。PDMS模板可以重复使用。为获得高精度的大面积微坑阵列，需要保证加工区域流场和电场均匀。
在微坑电解加工过程中，柔性模板与工件需要紧密贴合。陈晓磊、曲宁松提出了一种方法使柔性模板与工件贴合进行微坑电解加工（采用柔性模板提高阵列微坑电解加工定域性的系统及方法，专利申请号：CN201410752718.6）。该方法采用高速电解液正向冲击柔性模板来确保柔性模板与工件的贴合，提高了微坑阵列电解加工的定域性，但是由于阴阳极间间隙过小，电解液通过阴极工具群缝后对阳极工件表面压力不均匀，工件表面各区域流场不均匀，可能造成加工精度低等问题。对于大面积微坑阵列电解加工需要采用大面积的柔性模板，这加剧了柔性模板与工件贴合的难度。此外，在微坑阵列电解加工中，由于电场的边缘效应，工件表面模板微孔内的电场强度从工件边缘到中心逐渐减小，微坑的腐蚀速度从工件边缘到中心逐渐降低，最终导致微坑阵列的加工精度差，对于大面积的微坑阵列尤为显著。大面积微坑阵列在工程中有着更多的应用需求，对于大面积微坑阵列电解加工带来的一些问题，有必要探讨新的电解加工方法。
发明内容
本发明提出了一种大面积微坑阵列高精度电解加工的系统及方法，解决了原有电解加工中柔性模板与工件贴合不牢，杂散腐蚀严重以及大面积加工精度低等问题，显著地提高了加工精度。
一种大面积微坑阵列高精度电解加工系统，包括夹具、阳极工件、柔性模板、阴极工具、电源；上述夹具具有进液口和出液口，进液口位于夹具上方，出液口沿周向均匀分布于夹具侧壁；上述夹具内部为工作腔，阳极工件、柔性模板、阴极工具均位于工作腔内；上述阳极工件位于工作腔底部，柔性模板贴合于阳极工件上表面，柔性模板具有通孔阵列；上述阴极工具位于柔性模板上方，阴极工具具有均匀群缝结构；阳极工件和阴极工具分别连接电源正负极；其特征在于：上述阴极工具到柔性模板的距离为10-50mm；上述夹具的进液口与出液口的总截面积比为50-200；上述夹具的出液口紧贴阴极工具下表面。
采用所述的大面积微坑阵列高精度电解加工系统的加工方法，其特征在于包括以下过程：电解液采用正向流动的方式通过阴极工具缝隙流向阳极工件，压强大于0.1MPa。
采用以上所述的装置进行微坑阵列电解加工，阴极工具具有均匀群缝结构，缝宽在0.2-0.5mm，缝间距是缝宽的3-5倍，合适的缝宽和缝间距便于制造阴极工具；电解液采用正向流动的方式通过阴极工具缝隙流向阳极工件，较小的缝宽保证了阳极工件加工区域流场均匀。同时将出液口设置在阴极工件下表面，进液口与出液口总截面积比为50-200，阴极工具和柔性模板之间距离为10-50mm，出液口处的电解液快速流出，工件上方的电解液缓慢流动，工件表面的流场均匀稳定。当夹具的出液口过大、阴极工具和阳极工件间隙较小时，阳极工件上方的电解液流动较快，容易造成阳极工件上方的流场不均匀，这可能降低电解加工微坑阵列的精度，工件表面有可能出现杂散腐蚀的情况。出液口较小时，工作腔内的电解液更换速度较慢，不利于电解产物离开工作腔。此外，由法拉第定律可知，加工区的电场强度与阴阳极之间的间隙成反比，间隙过大会使电场强度减弱，不利于电解加工，为确保微坑电解加工的顺利进行，将阴极工具与柔性模板之间的最大距离设置为50mm。电解液压强大于0.1MPa，利用电解液的压力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板与阳极工件紧密贴合，阻止电解液渗透进入柔性模板和工件表面的贴合处，减小杂散腐蚀。同时，在电解液的重力以及压力的共同作用下，微坑内产生的电解加工产物缓慢流离加工区域，降低了加工间隙内的电导率，使得加工尺寸对电参数的敏感性降低，抑制了电场边缘效应对大面积微坑阵列加工尺寸的影响，从而有利于提高加工精度，保证了大面积微坑加工的尺寸均匀。采用本方法进行电解加工，可有效地提高微坑阵列的加工精度，获得大面积微坑阵列。
附图说明
图1电解加工微坑阵列装置示意图；
图2通孔阵列柔性模板示意图；
图3阴极工具示意图；
图4微坑阵列的深度尺寸分布图;
其中标号名称：1、柔性模板，2、阳极工件，3、夹具，4、阴极工具，5、电解液，6、电源。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明：大面积微坑阵列的高精度电解加工的系统及方法，包含以下步骤：
a、制作阴极工具4和夹具3，阴极工具4具有均匀群缝结构，缝宽为0.2mm，缝间距为0.8mm，夹具进液口直径为20mm，在位于阴极工具下表面处设置两个出液口，直径为1mm；
b、制作具有通孔阵列的柔性模板1，如图2；
c、将柔性模板1贴在阳极工件2上，使用夹具3将阴极工具4和阳极工件2装夹在一起，其中阴极工具4和柔性模板1的距离为15mm；
d、阳极工件2和阴极工具4分别连接电源6正负极；
e、电解液5通过阴极工具群缝流向阳极工件，电解液压强为0.2MPa；
f、接通电源6，进行电解加工。
图4是电源电压为20V，占空比为20%，总加工时间为90s，使用带有通孔阵列的PDMS模板作为柔性模板（其中进液口与出液口的总截面积比为50、阴极工具和柔性模板的距离为10mm）进行电解加工时，微坑的深度分布情况；其中微坑深度的平均值为15.0μm，标准偏差为0.38μm，可以看出微孔阵列的精度较高。经试验证明，使用该装置进行电解加工，微坑阵列的精度较高，工件表面无杂散腐蚀现象。
Claims (2)
1.一种大面积微坑阵列高精度电解加工系统，包括夹具（3）、阳极工件（2）、柔性模板（1）、阴极工具（4）、电源（6）；
上述夹具（3）具有进液口和出液口，进液口位于夹具（3）上方，出液口沿周向均匀分布于夹具（3）侧壁；
上述夹具（3）内部为工作腔，阳极工件（2）、柔性模板（1）、阴极工具（4）均位于工作腔内；
上述阳极工件（2）位于工作腔底部，柔性模板（1）贴合于阳极工件（2）上表面，柔性模板（1）具有通孔阵列；
上述阴极工具（4）位于柔性模板（1）上方，阴极工具（4）具有均匀群缝结构；
上述阳极工件（2）和阴极工具（4）分别连接电源（6）正负极；
其特征在于：
上述阴极工具（4）到柔性模板（1）的距离为10-50mm；
上述夹具（3）的进液口与出液口的总截面积比为50-200；
上述夹具（3）的出液口紧贴阴极工具（4）下表面。
2.根据权利要求1所述大面积微坑阵列高精度电解加工系统的加工方法，其特征在于包括以下过程：
电解液采用正向流动的方式通过阴极工具缝隙流向阳极工件，压强大于0.1MPa；
由于出液口紧贴阴极工具（4）下表面，出液口处的电解液快速流出，工件上方的电解液缓慢流动，工件表面的流场均匀稳定；加工过程中电解液的压力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板与阳极工件紧密贴合，阻止电解液渗透进入柔性模板和工件表面的贴合处；同时，在电解液的压力以及重力的共同作用下，微坑内产生的电解加工产物缓慢流离加工区域。
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