CN106862683B - 一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法 - Google Patents

一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法，包括：衬底，以及位于衬底上的掩模板；掩模板内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各镂空流道结构中设置有针电极。由于本发明提供的上述装置中掩模板内部设置有多条镂空流道结构，可以将流场和电场离散化，形成独立的加工区，且各镂空流道结构中具有针电极，控制针电极的上下运动，利用电解加工方法在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。

Description

一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法
技术领域
本发明涉及电解/电化学加工技术领域，特别是涉及一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法。
背景技术
在科学技术和制造技术高速发展的今天，由于各个领域的需要，越来越多带有功能表面结构的零部件不断被研究出来并加以利用。其中，表面阵列深微沟槽结构使零部件在传热特性、流体动力学特性、能量转换特性、化学反应特性、仿生特性、摩擦特性等方面表现出比光滑表面更为优异的特点，应用潜力巨大，如质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)的核心部件双极板，其具有隔离并均匀分配反应气体、收集并导出电流、串联各个单电池等功能，这些功能的实现与表面深微沟槽结构关系密切。
目前深微沟槽结构的加工方法主要有：机械加工、激光加工、电火花线切割加工、微细电解加工等。机械加工中刀具与工件之间存在作用力，导致加工后的工件产生变形，得到的沟槽一般有边角毛刺等缺陷；激光加工由于热效应的影响，在沟槽表面存在重熔层和翻边，在对表面质量要求严格的使用场合必须进行磨料气射流或化学研磨等二次加工，且加工深微沟槽时，容易造成大的槽形锥角；电火花线切割深沟槽时，加工前需要穿丝、张紧，加工后同样存在重熔层，在要求较高的场合需要进行二次加工，并且在实际加工中存在断丝现象，影响加工效率；
从原理上来讲，微细电解加工具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力等优点，从而可以保证加工后工件无应力变形，所以电解加工技术为金属表面阵列深微沟槽结构的高质量低成本加工提供了有效途径。但电解加工时的电场、流场等需要认真考虑和恰当设计，否则加工的精度和效率等难以得到有效保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法，可以在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，包括：衬底，以及位于所述衬底上的掩模板；
所述掩模板内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各所述镂空流道结构中设置有针电极。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，各所述针电极等间距且相互平行。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，还包括：用于控制所述针电极向上或向下运动的控制部件。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，所述控制部件包括相对而置且延伸方向与所述掩模板相互垂直的第一挡板和第二挡板，以及设置在所述第一挡板和第二挡板上且可同时控制所述第一挡板和第二挡板上下运动的运动架；其中，
所述第一挡板和第二挡板上均设置有用于固定和导向所述针电极的电极套。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，所述第一挡板、第二挡板和电极套的材料均为导电材料。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，还包括：直流电源；
所述直流电源的正极与工件电性连接；所述直流电源的负极分别与所述第一挡板和第二挡板电性连接。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，还包括：水泵，水槽和夹具；
所述水泵的一端与所述水槽连接，所述水泵的另一端与所述夹具的入液口连接；所述夹具的入液口与所述掩模板连接，所述夹具的出液口与所述水槽连接。
优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，所述针电极的直径小于所述镂空流道结构的宽度和高度。
本发明实施例还提供了一种平面阵列深微沟槽的电解加工方法，包括：
在水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；
所述电解液流入夹具的入液口后，流入掩模板内部设置的多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各所述镂空流道结构中设置有针电极；
所述电解液从所述夹具的出液口流回所述水槽。
优选地，在本发明实施例提供的上述电解加工方法中，所述镂空流道结构的图形通过3D打印工艺或微铣削工艺形成。
本发明所提供的一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法，包括：衬底，以及位于衬底上的掩模板；掩模板内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各镂空流道结构中设置有针电极。由于本发明提供的上述装置中掩模板内部设置有多条镂空流道结构，可以将流场和电场离散化，形成独立的加工区，且各镂空流道结构中具有针电极，控制针电极的上下运动，利用电解加工方法在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的具有镂空流道结构的掩模板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的具有控制部件的加工区的结构示意图；
图4a为未设置有镂空流道结构加工时间t＝5s时电解液电流密度模云图；
图4b为设置有镂空流道结构加工时间t＝5s时电解液电流密度模云图；
图5a为未有镂空流道结构加工时间t＝1-5s时电解液电流密度模变化趋势图；
图5b为有镂空流道结构加工时间t＝1-5s时电解液电流密度模变化趋势图；
图6a为未有镂空流道结构加工时间t＝1-5s时微沟槽槽口形貌的演变趋势图；
图6b为有镂空流道结构加工时间t＝1-5s时微沟槽槽口形貌的演变趋势图；
图7为本发明实施例提供的平面阵列深微沟槽的电解加工方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
其中，附图中各结构的大小和形状不反映用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。
本发明提供一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，如图1所示，包括：衬底1，以及位于衬底1上的掩模板2；
掩模板2内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各镂空流道结构中设置有针电极3。
需要说明的是，如图1所示，本发明提供的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，除了包括衬底1、掩模板2和针电极3，一般还可以包括：腔体4，衬底1、掩模板2和针电极3均位于该腔体4内，掩模板2上设置有保护层5(或上衬底)，工件6嵌在衬底1上，且工件6的上表面与掩模板2的底面贴合，通过掩模板2的镂空流道结构使工件6的加工区裸露，非加工区被屏蔽，而针电极3分布在各镂空流道结构中，形成独立的加工区。
在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，由于掩模板内部设置有多条镂空流道结构，可以将流场和电场离散化，形成独立的加工区，又由于各镂空流道结构中具有针电极，使用针电极同步加工，利用电解加工方法可以在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，如图2所示，掩模板2的各镂空流道结构等间距且相互平行，由于各镂空流道结构中设置有针电极3，此时各针电极3可以设置为等间距且相互平行。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，针电极的直径小于镂空流道结构的宽度和高度，这样针电极才能分布在在各镂空流道结构中，形成独立的加工区。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，还可以包括：用于控制针电极向上或向下运动的控制部件，这样使用针电极同步加工工件表面，并且适时进行回退，强化排屑，最终加工出平面阵列深微沟槽。
进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，如图1和图3所示，控制部件可以包括相对而置且延伸方向与掩模板2相互垂直的第一挡板7和第二挡板8，以及设置在第一挡板7和第二挡板8上且可同时控制第一挡板7和第二挡板8上下运动的运动架9；其中，第一挡板7和第二挡板8上均设置有用于固定和导向针电极3的电极套10。
需要说明的是，如图3所示，第一挡板7(左挡板)和第二挡板8(右挡板)上镶嵌有电极套10，针电极3穿在电极套10里，同时针电极3的上下运动由运动架9控制，可以实现针电极3的向下进给或向上回退。这里电极套10的使用降低了电解液对针电极3的冲击，同时运动架控制针电极的进给和回退，能强化排屑使工件溶解和电解产物的排出达到一动态平衡，可加工深度更大。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，第一挡板、第二挡板和电极套的材料均设置为导电材料，这样可以将电传递到针电极上。
具体地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，第一挡板、第二挡板和电极套的材料均为导电材料，在供电方面，如图1所示，包括：直流电源11；直流电源11的正极与工件6电性连接；直流电源11的负极分别与第一挡板7和第二挡板8电性连接。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置中，如图1所示，还可以包括水泵12，水槽13和夹具14；水泵12的一端与水槽13连接，水泵12的另一端与夹具14的入液口连接；夹具14的入液口与掩模板2连接，夹具14的出液口与水槽13连接。
根据上述的连接关系，在电解液循环方面，腔体4中，在水泵12的作用下将电解液从水槽13中抽出，流入夹具14左端的入液口，进而流入掩模板2内部设置的多条沿设定方向延伸的镂空流道结构，最后从夹具14右端的出液口流回水槽13。
需要说明的是，加工过程中，控制运动架的运动，同时接通直流电源和水泵，可以实现工件材料的去除和电解产物的排出，随着加工的持续进行，最终加工出平面阵列深沟槽。
本发明还利用仿真软件对未有镂空流道结构，以及设置有镂空流道结构分别进行仿真分析，结果如下：
提取一个加工区截面，利用仿真软件进行电场仿真，模拟具有镂空流道结构的掩模板和不具有镂空流道结构的掩模板时5s内微沟槽的成形过程。仿真条件为：两极施加电压为20V，初始加工间隙为50μm，进给速度为1.2mm/min，针电极的直径0.3mm，掩模板每个镂空流道宽度为1mm，镂空高度为2mm；
如图4a和图4b所示，可以清晰的发现针电极正下方离工件最近所以电流密度最大，同时由于到两边的距离逐渐变大，所以电流密度从中间向两边逐渐减小，而电解加工中工件的腐蚀量与电流密度呈正比关系，所以这一现象解释了电解加工中侧向腐蚀的形成原理；比较图4a和图4b，可以清晰的发现图4a中电流密度的减小趋势并无明显特征，而图4b中在掩模板边缘处非加工区电场被屏蔽；
如图5a和图5b所示，对仿真结果进行后处理，分析1-5s电流密度数值大小的变化趋势，可以清晰的发现图5a中电流密度呈正态分布状减小，图5b中电流密度在一开始的呈正态分布状减小后，在掩模板边缘处电流密度迅速降低为零；
如图6a和图6b所示，对仿真结果进行后处理，分析1-5s微沟槽槽口形貌的演变趋势，可以清晰的发现随着加工时间变长，槽深不断加大。对于槽口宽度，由图6a可以看出，不加镂空流道结构掩模板时槽口宽度为1.6mm，由图6b可以看出，加镂空流道结构掩模板时槽口宽度为1.1mm。
仿真结果表明该掩模板的使用使非加工区电场被屏蔽，能有效抑制侧向腐蚀使槽切口尺寸更小。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种平面阵列深微沟槽的电解加工方法，如图7所示，具体包括以下步骤：
S701、在水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；
S702、电解液流入夹具的入液口后，流入掩模板内部设置的多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各镂空流道结构中设置有针电极；
S703、电解液从夹具的出液口流回水槽。
在本发明实施例提供的上述电解加工方法中，具体地，在电解液循环方面，在腔体中，在水泵的作用下将电解液从水槽中抽出，流入夹具左端的入液口，进而流入镂空流道结构，最后从夹具右端的出液口流回水槽，这样可以将流场和电场离散化，形成独立的加工区，又由于各镂空流道结构中具有针电极，针电极同步进给，在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述电解加工方法中，掩模板的镂空流道结构的图形可以通过3D打印工艺或微铣削工艺形成，这样具有工艺周期短、可反复使用、设计灵活性大等特点，该掩模板起到屏蔽非加工区电场，同时约束流场只在加工区流动的作用。
本发明实施例提供的一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法，包括：衬底，以及位于衬底上的掩模板；掩模板内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；各镂空流道结构中设置有针电极。由于本发明提供的上述装置中掩模板内部设置有多条镂空流道结构，可以将流场和电场离散化，形成独立的加工区，且各镂空流道结构中具有针电极，控制针电极的上下运动，利用电解加工方法在工件表面加工出阵列深微沟槽，具有小切入口，高深宽比，高加工效率，工艺简单，掩模板可重复使用的特点。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
以上对本发明所提供的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置及电解加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，包括：衬底，以及位于所述衬底上的掩模板；其特征在于，
所述掩模板内部设置有多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；所述设定方向与所述衬底平行；各所述镂空流道结构中设置有针电极；
所述掩模板远离所述衬底一侧的上表面为平整状，且所述掩模板的上表面设置有保护层。
2.如权利要求1所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，各所述针电极等间距且相互平行。
3.如权利要求2所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，还包括：用于控制所述针电极向上或向下运动的控制部件。
4.如权利要求3所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，所述控制部件包括相对而置且延伸方向与所述掩模板相互垂直的第一挡板和第二挡板，以及设置在所述第一挡板和第二挡板上且可同时控制所述第一挡板和第二挡板上下运动的运动架；其中，
所述第一挡板和第二挡板上均设置有用于固定和导向所述针电极的电极套。
5.如权利要求4所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，所述第一挡板、第二挡板和电极套的材料均为导电材料。
6.如权利要求5所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，还包括：直流电源；
所述直流电源的正极与工件电性连接；所述直流电源的负极分别与所述第一挡板和第二挡板电性连接。
7.如权利要求6所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，还包括：水泵，水槽和夹具；
所述水泵的一端与所述水槽连接，所述水泵的另一端与所述夹具的入液口连接；所述夹具的入液口与所述掩模板连接，所述夹具的出液口与所述水槽连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的用于电解加工平面阵列深微沟槽的装置，其特征在于，所述针电极的直径小于所述镂空流道结构的宽度和高度。
9.一种平面阵列深微沟槽的电解加工方法，其特征在于，包括：
在水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；
所述电解液流入夹具的入液口后，流入位于衬底上的掩模板内部设置的多条沿设定方向延伸的镂空流道结构；所述设定方向与所述衬底平行；各所述镂空流道结构中设置有针电极；所述掩模板远离所述衬底一侧的上表面为平整状，且所述掩模板的上表面设置有保护层；
所述电解液从所述夹具的出液口流回所述水槽。
10.如权利要求9所述的电解加工方法，其特征在于，所述镂空流道结构的图形通过3D打印工艺或微铣削工艺形成。
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