CN107186298A - 一种基于pdms模板的沟槽阵列电解加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统及方法，其中方法包括：a、制作夹具，b、制作带有沟槽结构的阴极工具；c、制作PDMS模板；c、将PDMS模板嵌入阴极工具的沟槽中；d、装夹PDMS模板、阴极工具和阳极工件；d、阳极工件和阴极工具分别连接电源正负极；e、向夹具内通入电解液，电解液压强大于0.1MPa；f、接通电源，进行电解加工。采用本方法进行电解加工，阴极工具固定PDMS模板的位置，保证所加工沟槽的宽度均匀，同时PDMS模板与阳极工件紧密接触，有利于提高沟槽阵列的电解加工精度；由于PDMS模板可以重复使用，该方法提高了沟槽阵列的加工效率。

Description

一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统及方法，属于微细电解加工领域。
背景技术：
机械装置在运行中存在多种摩擦副，这些摩擦副的摩擦学行为影响机械系统的工作性能，严重时会导致零件失效。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、沟槽或凸包等图案的点阵。合理的沟槽阵列结构能够减小摩擦力。同时，摩擦副在相对运动中会产生一些磨屑，外界也会有一些微小颗粒进入摩擦副中，这些磨粒会加剧摩擦副表面的磨损，表面沟槽阵列结构在摩擦运动中可以容纳微粒，降低摩擦副表面的磨损，提高摩擦副的使用寿命。沟槽阵列结构在热能交换方面也有这重要的作用。在散热表面上加工出沟槽阵列结构可以增加热量交换面积，提高热量交换效率。在喷雾冷却中，具有沟槽阵列结构的表面，其冷却效果比光滑表面更好。
随着沟槽阵列技术的广泛应用，沟槽阵列的加工技术引起了研究人员的兴趣，沟槽阵列的加工技术逐渐成为一个研究的重点。光刻电解加工技术是沟槽阵列的一种有效加工方法。传统的光刻电解加工技术采用光刻胶作为掩模，光刻胶经过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等步骤形成带有群缝图案的模板，贴在阳极工件表面。电解加工时，通入电解液，工件表面对应的模板镂空区域裸露在电解液中，在电场力的作用下发生电解反应被溶解去除，最终形成沟槽阵列结构。这种加工方法的光刻工艺复杂，电解加工后需要去除光刻胶，生产成本高，制作时间长。因此为提高阵列的加工效率、降低加工成本，有必要采用一种新的电解加工工艺制作沟槽阵列结构。
研究人员采用一种聚二甲基硅氧烷(PDMD)群孔模板成功制作出微坑阵列结构。PDMS是一种有弹性的有机高分子聚合物，具有良好化学稳定性和绝缘性，其注模复制精度高。在微坑阵列的电解加工中，PDMS模板贴合在阳极工件上，电解加工结束后可以直接从工件表面揭下。由于PDMS模板可以重复使用，微坑阵列的这种加工方法具有成产成本低、效率高的优势。但是由于PDMS模板具有柔性，容易变形，直接采用PDMS模板贴在阳极工件表面进行沟槽加工时，各个条状PDMS的间距难以控制，加工出的沟槽宽度不均匀。而且PDMS模板与阳极工件的粘结力弱，采用条状PDMS模板进行加工时，PDMS模板容易从阳极工件表面脱离，造成杂散腐蚀，影响沟槽的加工质量。
由于PDMS模板在表面织构电解加工中可以重复使用，将PDMS模板应用到沟槽阵列的电解加工中，可以显著地提高沟槽阵列的加工效率，降低加工成本。针对PDMS模板容易变形、与阳极工件表面结合力弱、影响沟槽加工质量等情况，需要固定条状PDMS模板的间距，保证PDMS模板与工件的有效贴合。为提高沟槽阵列的加工精度，有必要改进这项技术，探讨一种新的基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统及方法。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统及方法，解决了电解加工中条状PDMS模板的间距不一致，PDMS模板与工件贴合不牢，杂散腐蚀严重等问题，显著地提高了加工精度。。
本发明采用如下技术方案：一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统，包括夹具、阳极工件、阴极工具、电源、电解液以及PDMS模板，所述夹具内部为工作腔，阳极工件、PDMS模板以及阴极工具均位于工作腔内，所述阳极工件和阴极工具分别连接电源的正负极，所述夹具具有进液口和出液口，进液口和出液口分别位于夹具两侧，所述阳极工件位于工作腔底部，阳极工件位于PDMS模板下方，PDMS模板由长方体状的PDMS构成，各个PDMS模板彼此间隔开，所述阴极工具具有沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端为非贯通结构，沟槽用于安装PDMS模板时的定位，阴极工具上的沟槽的宽度与每个PDMS模板的宽度相等，阴极工具上的沟槽的长度与每个PDMS模板的长度相等，阴极工具上的沟槽的深度比每个PDMS模板的厚度小300μm。
进一步地，所述阴极工具上沟槽的非贯通结构的宽度为300μm。
本发明还采用如下技术方案：一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、制作夹具，夹具的进液口和出液口分别位于夹具两侧，保证电解液流动方向与待加工沟槽方向一致；
b、制作阴极工具，阴极工具具有均匀沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端为非贯通结构；
c、制作PDMS模板，采用抽真空辅助的方式使PDMS胶体填充模具，加热固化后得到PDMS模板，阴极工具上的沟槽的宽度与每个PDMS模板的宽度相等，阴极工具上的沟槽的长度与每个PDMS模板的长度相等，阴极工具上的沟槽的深度比每个PDMS模板的厚度小300μm；
d、分别将各个PDMS模板塞进阴极工具上的沟槽中；
e、将带有PDMS模板的阴极工具和阳极工件通过夹具装夹在一起，PDMS模板与阳极工件表面贴合；
f、阳极工件和阴极工具分别连接电源的正负极；
g、电解液通过采用侧向冲液的方式从阴极工具和阳极工件之间的间隙流过；
h、接通电源，进行电解加工。
进一步地，所述电解液压强大于0.1MPa。
本发明具有如下有益效果：采用上述基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统进行沟槽的电解加工，将PDMS模板嵌入阴极工具的沟槽结构中，通过阴极工具固定PDMS模板的位置，有利于保证各个PDMS模板的间距，克服了PDMS模板容易变形的缺陷，使得所加工处的沟槽具有均匀的宽度。同时，将PDMS模板与阴极工具组装在一起，PDMS模板随阴极工具一起移动，电解加工时贴在阳极工件表面，电解加工完成后可以直接将阴极工具与阳极工件分离，提高了沟槽的电解加工效率。在电解加工时对阴极工具施加压力，可以使PDMS模板紧密贴在阳极工件表面，有利于抑制电场的相互干扰和杂散腐蚀，提高沟槽的加工精度。电解加工过程中，阴极工具、PDMS模板与阳极工件之间形成高约为300μm的方形通道，电解液采用侧向充液的方式从通道内流过，通道内发生电解反应，在阳极工件表面形成沟槽结构，所产生的电解产物被电解液带走。采用压强大于0.1MPa的电解液有利于去除电解产物，提高沟槽的加工精度。。
附图说明：
图1为沟槽阵列的电解加工装置示意图。
图2为图1沿线A-A的剖视图。
图3为图1沿线B-B的剖视图。
图4为阴极工具示意图。
图5为PDMS模板制备示意图。
图6为阴极工具和PDMS模板组装示意图。
其中：
1、夹具，2、阳极工件，3、阴极工具，4、电源，5、电解液，6、PDMS模板，7胶带，8、PDMS胶体，9、微群缝模具，10、制模容器，11、真空箱，12、真空泵，13、真空计。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统，包括夹具1、阳极工件2、阴极工具3、电源4、电解液5以及PDMS模板6，夹具1内部为工作腔，阳极工件2、PDMS模板6以及阴极工具3均位于工作腔内，阳极工件2和阴极工具3分别连接电源4的正负极，夹具1具有进液口和出液口，进液口和出液口分别位于夹具1两侧，且保证电解液流向与待加工沟槽方向一致，阳极工件2位于工作腔底部，阳极工件2位于PDMS模板6下方，PDMS模板6由长方体状的PDMS构成，各个PDMS模板彼此间隔开。阴极工具3具有沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端留有宽为300μm的非贯通结构，用于安装PDMS模板6时的定位，阴极工具3上的沟槽的宽度与每个长方体状PDMS模板6的宽度相等，阴极工具3上的沟槽的长度与每个长方体状PDMS模板6的长度相等，阴极工具3上的沟槽的深度比每个PDMS模板6的厚度小300μm。
本发明基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工方法，包括如下步骤：
a、制作夹具1，夹具1的进液口和出液口分别位于夹具两侧，保证电解液5流动方向与待加工沟槽方向一致；
b、制作阴极工具3，阴极工具3具有均匀沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端留有宽为300μm的非贯通结构，沟槽宽度为0.15mm，深度为0.3mm，长度为20mm，相邻的沟槽中心间距为0.1mm，如图4；
c、制作PDMS模板6，在微群缝模具9上方贴上胶带7放入制模容器10中，再将PDMS材料和固化剂按1:1混合配制形成PDMS胶体8后倒入制模容器10中，然后将制模容器10放入真空箱11内，采用抽真空辅助的方式使PDMS胶体填充模具，再用干燥箱加热到70℃固化30min，脱模后得到PDMS模板，模板宽度为0.15mm，厚度为0.6mm，长度为20mm，如图5；
d、分别将各个PDMS模板6塞进阴极工具3上的沟槽中，如图6；
e、将带有PDMS模板6的阴极工具3和阳极工件2通过夹具1装夹在一起，PDMS模板6与阳极工件2表面贴合；
f、阳极工件2和阴极工具3分别连接电源4的正负极；
g、电解液5通过采用侧向冲液的方式从阴极工具3和阳极工件2之间的间隙流过，电解液压强为0.2MPa；
h、接通电源5，进行电解加工。
PDMS模板6嵌入阴极工具3的沟槽里，PDMS模板6与阴极工具3一起移动，电解加工时对上述阴极工具3施加压力，使PDMS模板6与阳极工件2紧密接触。采用侧向冲液的电解加工方法，电解液5从上述阴极工具3、PDMS模板6和阳极工件2构成的矩形通道中流过并带走电解产物，电解液5的压强大于0.1MPa。上述阴极工具3、PDMS模板6和阳极工件2构成的矩形通道中发生电解反应，阳极工件2表面上所加工的沟槽宽度与阴极工具3上相邻的PDMS模板6的间距有关。电解加工后，阴极工具3带动PDMS模板6离开阳极工件2表面，PDMS模板6可以重复使用。
采用具有沟槽结构的阴极工具3固定各个PDMS模板6的位置，克服了PDMS模板的易变形的缺陷，保证所加工沟槽的宽度均匀，同时采用阴极工具3辅助施加压力，PDMS模板6与阳极工件2紧密接触，有利于提高沟槽阵列的电解加工精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统，其特征在于：包括夹具(1)、阳极工件(2)、阴极工具(3)、电源(4)、电解液(5)以及PDMS模板(6)，所述夹具(1)内部为工作腔，阳极工件(2)、PDMS模板(6)以及阴极工具(3)均位于工作腔内，所述阳极工件(2)和阴极工具(3)分别连接电源(4)的正负极，所述夹具(1)具有进液口和出液口，进液口和出液口分别位于夹具(1)两侧，所述阳极工件(2)位于工作腔底部，阳极工件(2)位于PDMS模板(6)下方，PDMS模板(6)由长方体状的PDMS构成，各个PDMS模板彼此间隔开，所述阴极工具(3)具有沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端为非贯通结构，沟槽用于安装PDMS模板(6)时的定位，阴极工具(3)上的沟槽的宽度与每个PDMS模板(6)的宽度相等，阴极工具(3)上的沟槽的长度与每个PDMS模板(6)的长度相等，阴极工具(3)上的沟槽的深度比每个PDMS模板(6)的厚度小300μm。
2.如权利要求1所述的基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工系统，其特征在于：所述阴极工具(3)上沟槽的非贯通结构的宽度为300μm。
3.一种基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、制作夹具(1)，夹具(1)的进液口和出液口分别位于夹具两侧，保证电解液(5)流动方向与待加工沟槽方向一致；
b、制作阴极工具(3)，阴极工具(3)具有均匀沟槽阵列结构，沟槽的一端贯通、另一端为非贯通结构；
c、制作PDMS模板(6)，采用抽真空辅助的方式使PDMS胶体填充模具，加热固化后得到PDMS模板，阴极工具(3)上的沟槽的宽度与每个PDMS模板(6)的宽度相等，阴极工具(3)上的沟槽的长度与每个PDMS模板(6)的长度相等，阴极工具(3)上的沟槽的深度比每个PDMS模板(6)的厚度小300μm；
d、分别将各个PDMS模板(6)塞进阴极工具(3)上的沟槽中；
e、将带有PDMS模板(6)的阴极工具(3)和阳极工件(2)通过夹具(1)装夹在一起，PDMS模板(6)与阳极工件(2)表面贴合；
f、阳极工件(2)和阴极工具(3)分别连接电源(4)的正负极；
g、电解液(5)通过采用侧向冲液的方式从阴极工具(3)和阳极工件(2)之间的间隙流过；
h、接通电源(5)，进行电解加工。
4.如权利要求1所述的基于PDMS模板的沟槽阵列电解加工方法，其特征在于：所述电解液压强大于0.1MPa。
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