CN107498124A - 一种电解加工平面曲折群沟槽的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电解加工平面曲折群沟槽的装置，包括具有腔体的夹具，所述腔体内嵌有用于安装工件的衬底，所述工件上表面贴合安装有硬质模板，所述硬质模板上开设有蛇形流道，所述硬质模板的上表面贴合安装有阴极板；所述夹具上分别开设有进液口和出液口，所述进液口用于向所述腔体内注入电解液与气体，且所述进液口与所述硬质模板之间设置有用于将所述电解液与所述气体均匀混合的网孔板。应用本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置，通过将电解液进行混气处理得到气液两相流的方法，使曲折微沟槽在电解加工时的各段流场基本均匀，从而在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的平面曲折微沟槽。

Description

一种电解加工平面曲折群沟槽的装置

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，更具体地说，涉及一种电解加工平面曲折群沟槽的装置。

背景技术

具有微结构的表面称为微结构功能表面，这种功能表面直接影响零部件的使用性能，在许多领域均显示出重要的应用价值。其中表面带有曲折微沟槽结构的零部件在传热特性、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与光滑表面更为优异的特点，广泛用于燃料电池双极板、微热交换器、微反应器、活塞缸减摩降阻等中。

对于平面曲折微沟槽，目前的加工方法主要有：冲压成形、机械加工、激光加工、电火花加工、电解加工等。其中，电解加工技术具有非接触、无切削力、与材料强度硬度等机械性能无关、无工具损耗、效率高等优点，为金属表面平面曲折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。

也有研究者提出平板电极电解转印加工方法，但平板电极制备方法工艺繁琐，由于掩模板到工件有一定距离，所以电场依旧存在一定的分散，影响加工精度。

对于研究者提出的激光与电解联合加工环槽的方法，其加工区依靠激光控制，对设备要求较高；该方法加工环槽时采用中空激光，而加工其他异型弯槽时需采用其他异型中空激光，对激光焦点形貌控制的难度非常大。

对于研究者提出的电解线车削窄深沟槽方法，流场上采用喷液方式供给电解液，另外工件高速旋转，甩出电解产物一定程度上造成丝线抖动问题；电场上采用电极上多层包覆的多电位电场约束，工艺复杂，并且加工过程中很难保证多层包覆结构不被冲毁；该方法只能加工外环槽，不能加工其他弯槽。

对于研究者提出的微群槽连续电解加工方法，依靠外部工具电极进给，圆弧金属薄板缓慢旋转，实现金属薄板外侧环槽的加工，并不适用于平面曲折沟槽的加工。

综上所述，如何有效地解决平面曲折微沟槽加工难度大、精度低等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电解加工平面曲折群沟槽的装置，该电解加工平面曲折群沟槽的装置的结构设计可以有效地解决平面曲折微沟槽加工难度大、精度低的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电解加工平面曲折群沟槽的装置，包括具有腔体的夹具，所述腔体内嵌有用于安装工件的衬底，所述工件上表面贴合安装有硬质模板，所述硬质模板上开设有蛇形流道，所述硬质模板的上表面贴合安装有阴极板；所述夹具上分别开设有进液口和出液口，所述进液口用于向所述腔体内注入电解液与气体，且所述进液口与所述硬质模板之间设置有用于将所述电解液与所述气体均匀混合的网孔板。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述网孔板并列设置有多级，相邻两级所述网孔板之间具有预设间隙。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，多级网孔板的顶端和底端分别通过底板和顶板连接，且所述顶板与所述腔体的顶面贴合、所述底板与所述腔体的底面贴合。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述进液口与所述出液口分别位于所述硬质模板的两侧。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述阴极板、所述硬质模板与所述工件通过机械压力紧密贴合。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述阴极板、所述硬质模板与所述工件通过锁扣夹紧。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，还包括直流电源，所述直流电源的正极与所述工件电性连接，负极与所述负极板电性连接。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，还包括用于盛放所述电解液的水槽和存储有气体的气瓶，所述水槽与所述进液口之间连接有水泵，所述气瓶与所述进液口之间连接有气泵，所述出液口与所述水槽连接。

优选地，上述电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述硬质模板的蛇形流道为通过3D打印或微铣削工艺形成。

本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置包括夹具，夹具具有腔体，腔体内嵌有衬底，衬底用于安装工件，工件上表面贴合安装有硬质模板，硬质模板的上表面贴合安装有阴极板，硬质模板上开设有蛇形流道；夹具上分别开设有进液口和出液口，进液口用于向腔体内注入电解液与气体，且进液口与硬质模板之间设置有用于将电解液与气体均匀混合的网孔板。

应用本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置，由于进液口用于向腔体内注入电解液与气体，则在电解液流入腔体前进行混气，然后再流经网孔板，打散气液两相流，改善蛇形流道流场均匀性，使整个加工区电解液电导率保持在一个相对稳定的水平，很好的均匀拐弯处的流场，保证前后段加工尺寸的均匀性。同时，本发明则将阴极直接盖在模板上，加工间隙就是模板厚度，电场线集中垂直于工件表面，最大限度的防止电场发散导致侧向腐蚀，提高复制精度。且将电场和流场同时约束在狭小区域(硬质模板内的蛇形流道)，使加工定域性更好、电解液流速提升，排屑能力更好。

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为本发明一个具体实施例的电解加工平面曲折群沟槽的装置的结构示意图；

图2为图1中多级网孔板的结构示意图；

图3为图1中硬质模板的结构示意图；

图4为图1中平面曲折群沟槽加工区的结构示意图；

图5为电场分布模型示意图；

图6为电解液不进行混气的情况下流场仿真结果；

图7为气泡稳定状态示意图。

附图中标记如下：

1-直流电源、2-气泵、3-水泵、4-气瓶、5-水槽、6-腔体、7-阴极板、8-硬质模板、9-工件、10-衬底、11网孔板。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种电解加工平面曲折群沟槽的装置，以在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的平面曲折微沟槽。

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图5，图1为本发明一个具体实施例的电解加工平面曲折群沟槽的装置的结构示意图；图2为图1中多级网孔板的结构示意图；图3为图1中硬质模板的结构示意图；图4为图1中平面曲折群沟槽加工区的结构示意图；图5为电场分布模型示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置包括夹具。

夹具具有腔体6，腔体6内嵌有衬底10，衬底10用于安装工件9。具体的衬底10上可以开设凹槽，将工件9安装于凹槽内。衬底10具体可以为弹性衬底10。腔体6的形状、衬底10的形状等均可根据需要设置，此处不作具体限定。

工件9上表面贴合安装有硬质模板8，硬质模板8的上表面贴合安装有阴极板7。也就是硬质模板8的上表面与阴极板7贴合，下表面与工件9的上表面贴合，阴极板7、硬质模板8、工件9采用表面层层压紧的方式固定，形成微小的走液流道进行电解加工。硬质模板8上开设有蛇形流道，蛇形流道上下截面完全贯穿，以供电解液流通进行电解加工。具体的，硬质模板8上下表面光滑，能与工件9表面无缝贴合，对非加工表面起屏蔽电场作用，同时模板内的蛇形流道对流场进行约束，大大提升电解液流速，促进排屑。

夹具上分别开设有进液口和出液口，进液口用于向腔体6内注入电解液与气体，且进液口与硬质模板8之间设置有用于将电解液与气体均匀混合的网孔板11。进而电解液与气体在进液口处混合后进入内腔，先经过网孔板11，经网孔板11的作用被打散，形成均匀的气液混和两相流，气液混合两相流流入硬质模板8内的蛇形流道中，流经蛇形流道后由夹具上的出液口流出。通过混气的方式，利用气体自身的膨胀和压缩性能，很好的均匀拐弯处的流场。

应用本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置，由于进液口用于向腔体6内注入电解液与气体，则在电解液流入腔体6前进行混气，然后再流经网孔板11，打散气液两相流，改善蛇形流道流场均匀性，使整个加工区电解液电导率保持在一个相对稳定的水平，很好的均匀拐弯处的流场，保证前后段加工尺寸的均匀性。同时，本发明则将阴极直接盖在模板上，加工间隙就是模板厚度，电场线集中垂直于工件9表面，最大限度的防止电场发散导致侧向腐蚀，提高复制精度。且将电场和流场同时约束在狭小区域(硬质模板8内的蛇形流道)，使加工定域性更好、电解液流速提升，排屑能力更好。

具体的，网孔板11并列设置有多级，相邻两级网孔板11之间具有预设间隙。通过多级网孔板11的设置，由于网孔板11表面由密密麻麻、尺寸均一稳定的孔针，配合多级结构，能很好的对初始的气液两相流进行打散，得到均匀稳定的气液两相流。具体相邻两级网孔板11之间的预设间隙的大小可根据需要进行设置，此处不作限定。

进一步地，多级网孔板11的顶端和底端分别通过底板和顶板连接，且顶板与腔体6的顶面贴合、底板与腔体6的底面贴合。进而便于多级网孔板11在腔体6内的安装，且网孔板11均纵向设置于腔体6的顶面与底面之间，从而保证由进液口进液的气液两相流均先经过多级网孔板11后再流经硬质模板8的蛇形流道。

优选的，进液口与出液口分别位于硬质模板8的两侧。从而气液两相流由进液口进入后，经过网孔板11进入硬质模板8一侧的蛇形流道，流经蛇形流道后，由另一端流出，而后经过出液口排出。

在上述各实施例的基础上，阴极板7、硬质模板8与工件9通过机械压力紧密贴合。也就是通过机械紧固方式将阴极板7、硬质模板8与工件9压紧。具体的机械紧固方式可以不作限定，如采用锁扣夹紧，或通过螺栓紧固等。通过在阴极板7上施加压力，使阴极板7、硬质模板8、工件9靠机械力贴合，改变以往依靠胶贴或者直接在工件9工具上光刻制备掩膜的方法，使夹具适用性更强，并且模板可以根据加工不用沟槽尺寸要求而做更换。

在上述各实施例中，在供电方面，还包括直流电源1，直流电源1的正极与工件9电性连接，负极与负极板电性连接，具体负极可以与阴极块的外壁电性连接。

在上述各实施例中，还包括用于盛放电解液的水槽5和存储有气体的气瓶4，水槽5与进液口之间连接有水泵3，气瓶4与进液口之间连接有气泵2，出液口与水槽5连接。也就是在电解液循环方面，在水泵3的作用下将电解液从水槽5中抽出，流入夹具左端的入液口，同时在气泵2的作用下，气瓶4对夹具左端入液口进行充气，气液混合后流经多级网孔板11进行打散，均匀混合后的两相流流入硬质模板8内的微小流道中，最后从夹具右端的出液口流回水槽5。

优选的，硬质模板8的蛇形流道为通过3D打印或微铣削工艺形成。3D打印、微铣削等技术制作，具有工艺周期短、可反复使用、可制备复杂流道、设计灵活性大等特点。

以下以一个优选的实施方式进行说明。

在一个优选的实施方式中，请参阅图1，工件9安装在衬底10上，衬底10嵌在腔体6里，硬质模板8贴在工件9上表面，阴极板7的下表面与硬质模板8上表面贴合。这部分结构将连通左右两侧的流场约束在模板内狭小的流道中。水泵3的作用下将电解液从水槽5中抽出，流入夹具左端的入液口，同时在气泵2的作用下，气瓶4对夹具左端入液口进行充气，气液混合后流经多级网孔板11进行打散，均匀混合后的两相流流入硬质模板8内的微小流道中，最后从夹具右端的出液口流回水槽5。硬质模板8内部有微小蛇形流道，起屏蔽非加工区电场和改善流场的作用。供电方面，直流电源1正极接工件9，负极接阴极板7。加工时流场和电场同时接通，随着加工的进行，最终加工出曲折微沟槽。硬质膜板与下方工件9、上方工具紧贴，形成狭小流场域，电解液高速流过，带走不溶性电解产物、气泡和加工中产生的焦耳热。

本发明还利用仿真软件对电解液不进行混气的流程进行了仿真，结果如下：

如图6所示，在电解液不进行混气的情况下利用仿真软件进行流场仿真，选用的物理场为湍流稳态场，仿真条件为：入口压力0.4MPa(左边入液口边界)，出口压力为0Pa(右边出液口边界)，流场宽度1.5mm，流场高度1mm。可以清晰发现蛇形流道中流场在拐弯处流速不均匀，呈现内侧流速高，外侧流速底的情形，主要是因为液体是沿流程最小的方向运动。这种流场的不均匀在电解加工中会使内外两侧加工量不同，体现为内侧电解产物排出顺利，电解量大，外侧容易形成电解产物堆积，电解量小，影响槽底面加工精度。

而本申请中，在混入大量气泡的情况下因为在拐弯处电解液流速大压力小，所以气泡会向里扩散，最终达到图7稳定状态，在这种状态下各处电导率稳定，能使加工槽面尺寸均一稳定且精度好。

综上所述，本发明提供的电解加工平面曲折群沟槽的装置，具有以下有益效果：1)流场设计的更合理：将流场约束在硬质模板8内狭小的流道中，电解液流速大大提升，有利于排出电解产物，使加工顺利进行，并且气液两相流能很好决绝蛇形流场拐弯处的不均匀问题。2)电场更集中：工件9阳极、硬质模板8、工具阴极层层贴紧，模板的厚度就是电解加工间隙，使电场线集中垂直于工件9表面，进而使加工精度更高。3)夹具结构适用性强：夹具结构设计简洁，模板可重复使用，并独立于工具、工件9，硬质模板8可以根据加工不用沟槽尺寸要求而做更换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，包括具有腔体的夹具，所述腔体内嵌有用于安装工件的衬底，所述工件上表面贴合安装有硬质模板，所述硬质模板上开设有蛇形流道，所述硬质模板的上表面贴合安装有阴极板；所述夹具上分别开设有进液口和出液口，所述进液口用于向所述腔体内注入电解液与气体，且所述进液口与所述硬质模板之间设置有用于将所述电解液与所述气体均匀混合的网孔板。

2.根据权利要求1所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，所述网孔板并列设置有多级，相邻两级所述网孔板之间具有预设间隙。

3.根据权利要求2所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，多级网孔板的顶端和底端分别通过底板和顶板连接，且所述顶板与所述腔体的顶面贴合、所述底板与所述腔体的底面贴合。

4.根据权利要求1所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，所述进液口与所述出液口分别位于所述硬质模板的两侧。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，所述阴极板、所述硬质模板与所述工件通过机械压力紧密贴合。

6.根据权利要求5所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，所述阴极板、所述硬质模板与所述工件通过锁扣夹紧。

7.根据权利要求1-4任一项所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，还包括直流电源，所述直流电源的正极与所述工件电性连接，负极与所述负极板电性连接。

8.根据权利要求1-4任一项所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，还包括用于盛放所述电解液的水槽和存储有气体的气瓶，所述水槽与所述进液口之间连接有水泵，所述气瓶与所述进液口之间连接有气泵，所述出液口与所述水槽连接。

9.根据权利要求1所述的电解加工平面曲折群沟槽的装置，其特征在于，所述硬质模板的蛇形流道为通过3D打印或微铣削工艺形成。