CN106141347A - 压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法，属微细电解加工领域。该方法包括：具有通孔阵列的柔性模板（2）贴在阳极工件（3）上，装夹阴极工具（7）和阳极工件；加工前打开第三阀门（5）和第二阀门（11），开启泵（13），通入电解液，排除工作腔内的气体，然后关闭出液口处的第三阀门（5），调节的第一阀门（12），使进液口处的电解液压强稳定，最后接通电源（1）进行电解加工。采用本方法进行电解加工，夹具工作腔内的电解液处于高压状态，压强为0.3‑1MPa，阳极工件上方的流场稳定。利用电解液的压力，柔性模板紧密贴合在工件表面，减少杂散腐蚀。该方法可有效提高微坑阵列的加工精度。

Description

压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法
技术领域
本发明涉及压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法，属于微细电解加工领域。
背景技术
一般机械设备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。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。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。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。合理的表面织构能够储存润滑油，并形成良好的油膜，提高了活塞-缸套摩擦副的润滑效果和耐磨性。
在摩擦副表面加工出微坑阵列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，具有大面积加工效率高、无残余应力、阴极工具无损耗等优点。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电极电解加工、射流电解加工、掩模电解加工、旋印电解加工等。掩模电解加工具有很好的定域性，加工精度高。加工时掩模作为绝缘层贴在阳极工件上，掩模通孔区域充满电解液，在电场的作用下，通孔区域的阳极发生电化学反应，逐渐被溶解去除，最终形成微坑阵列。传统的掩模电解加工采用光刻胶作为掩模，加工后工件需要去胶，工艺复杂；而且由于光刻技术的限制，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通孔柔性模板作为掩模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，通入电解液，在电场的作用下，阳极工件表面发生氧化反应，最终加工出微坑阵列。PDMS柔性模板可以重复使用，但是PDMS柔性模板直接覆盖在工件表面，与阳极工件无粘附性，加工时容易造成杂散腐蚀。因此对基于PDMS柔性模板作为掩模的微坑电解加工，PDMS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存在差异，工件表面各区域流场不均匀，可能造成加工精度低等问题。
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。对于传统的掩模电解加工，夹具有进液口和出液口，出液口流速快，由于电解液的流动，阳极工件上方的流场不均匀，可能会造成电解加工精度低，同时也对掩模产生扰动作用，减弱了掩模与工件的贴合，容易造成杂散腐蚀。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。而且大面积电解加工需要更多的电解液流过，这增加了电解液泵的运行难度。因此，有必要探讨新的加工方法解决柔性模板与工件的贴合问题。
发明内容
本发明提出了一种压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法，解决了原有电解加工中柔性模板与工件贴合不牢，杂散腐蚀严重以及微坑阵列加工精度低等问题，显著地提高了加工精度。
一种压力辅助式电解加工微坑阵列的系统，其特征在于：包括夹具、阳极工件、柔性模板、阴极工具、电源、电解液槽；上述夹具具有进液口和出液口，进液口位于夹具上方，出液口位于夹具侧壁；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，阴极工具是带有通孔的金属平板，且通孔远离金属平板中心，接近金属平板边缘并沿周向均匀分布；阳极工件和阴极工具分别连接电源正负极；上述阴极工具到柔性模板的距离为10-50mm；上述电解液槽通过一条安装有泵的支路，与另一条安装有第一阀门的支路并联后经过第二阀门及压力表后与上述夹具的进液口相连；上述夹具的出液口经过第三阀门与电解液槽相连。
所述的压力辅助式电解加工微坑阵列的系统，其特征在于：沿阴极工具的金属平板下表面将上述夹具视为上、下部分；上述阴极工具的通孔紧贴下夹具的内壁面。
所述的压力辅助式电解加工微坑阵列的系统的加工方法，其特征在于包括以下过程：加工前先打开进液口处的第二阀门和出液口管道的第三阀门，开启电解液泵，电解液进入夹具工作腔，排除工作腔内的气体，然后关闭出液口管道的第三阀门，调节进液口管道支路上的第一阀门，使压力表示数稳定，进液口处的电解液压强为0.3-1MPa，最后接通电源进行电解加工；电解加工时夹具进液口处电解液压力恒定，夹具出液口关闭，夹具工作腔内的电解液处于高压状态，阳极工件上方的流场稳定。
采用以上所述的装置进行微坑阵列电解加工，阴极工具为金属平板，阴极工具的通孔位于夹具内壁面，减小了通孔区域对工件上方电场分布的影响；少量通孔有利于电解加工前的电解液通过，排除夹具工作腔内的气体，同时也有利于排除电解加工过程中阴阳极上所产生的气体。
电解液通过阴极工具的通孔流向阳极工件，电解加工时夹具进液口电解液压力恒定，夹具出液口关闭，夹具工作腔内的电解液处于高压状态，高压力的电解液作用在柔性模板上，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；而且阳极工件上方的流场稳定，有助于提高微坑阵列电解加工的精度。
在稳定的高压力电解液中，阴阳极产生的气体缓慢运动，当阴阳极加工间隙较小时，气体会聚集在阴阳极之间，气体的含量增加，不利于电解加工的进行，因此将阴极工具与柔性模板之间的最小距离设置为10mm；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。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。
附图说明
图1 压力辅助式电解加工微坑阵列系统示意图；
图2阴极工具示意图；
图3通孔阵列柔性模板示意图；
其中标号名称：1、电源，2、柔性模板，3、阳极工件，4、夹具，5、第三阀门，6、电解液槽，7、阴极工具，8、电解液，9、压力表，10、管道、11、第二阀门，12、第一阀门，13、泵。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明：压力辅助式电解加工微坑阵列的系统及方法，包含以下步骤：
a、制作夹具4，进液口位于夹具上方，出液口位于夹具侧壁；制作阴极工具7，如图2 所示；
b、制作具有通孔阵列的柔性模板2，如图3；
c、将柔性模板2贴在阳极工件3上，使用夹具4将阴极工具7、阳极工件3和柔性模板2装夹在一起，其中阴极工具和阳极工件加工间隙为20mm；
d、上述电解液槽6通过一条安装有泵13的支路，与另一条安装有第一阀门12的支路并联后经过第二阀门11及压力表9后与上述夹具4的进液口相连；上述夹具4的出液口经过第三阀门5与电解液槽6相连。
e、阳极工件3和阴极工具7分别连接电源1正负极；
f、打开进液口处的第二阀门11和出液口管道的第三阀门5，开启电解液泵13，电解液8通过阴极工具通孔进入夹具工作腔，排除工作腔内的气体，然后关闭出液口管道的第三阀门5，调节进液口管道支路上的第一阀门12，使压力表9示数为0.4MPa；
g、接通电源1，进行电解加工。

Claims (3)

1.一种压力辅助式电解加工微坑阵列的系统，其特征在于：包括夹具（4）、阳极工件（3）、柔性模板（2）、阴极工具（7）、电源（1）、电解液槽（6）；上述夹具（4）具有进液口和出液口，进液口位于夹具（4）上方，出液口位于夹具（4）侧壁；上述夹具（4）内部为工作腔，阳极工件（3）、柔性模板（2）、阴极工具（7）均位于工作腔内；上述阳极工件（3）位于工作腔底部，柔性模板（2）贴合于阳极工件（3）上表面，柔性模板（2）具有通孔阵列；上述阴极工具（7）位于柔性模板（2）上方，阴极工具（7）是带有通孔的金属平板，且通孔远离金属平板中心，接近金属平板边缘并沿周向均匀分布；阳极工件（3）和阴极工具（7）分别连接电源（1）正负极；上述阴极工具（7）到柔性模板（2）的距离为10-50mm；上述电解液槽（6）通过一条安装有泵（13）的支路，与另一条安装有第一阀门（12）的支路并联后经过第二阀门（11）及压力表（9）后与上述夹具（4）的进液口相连；上述夹具（4）的出液口经过第三阀门（5）与电解液槽（6）相连。
2.根据权利要求1所述的压力辅助式电解加工微坑阵列的系统，其特征在于：沿阴极工具的金属平板下表面将上述夹具（4）视为上、下部分；上述阴极工具（7）的通孔紧贴下夹具的内壁面。
3.根据权利要求1所述的压力辅助式电解加工微坑阵列的系统的加工方法，其特征在于包括以下过程：加工前先打开进液口处的第二阀门（11）和出液口管道的第三阀门（5），开启电解液泵（13），电解液（8）进入夹具工作腔，排除工作腔内的气体，然后关闭出液口管道的第三阀门（5），调节进液口管道支路上的第一阀门（12），使压力表（9）示数稳定，进液口处的电解液压强在在0.3-1MPa，最后接通电源（1）进行电解加工；
电解加工时夹具（4）进液口处电解液压力恒定，夹具（4）出液口关闭，夹具工作腔内的电解液（8）处于高压状态，阳极工件上方的流场稳定。
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