CN108620700B - 一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，包括供电模块、电解液模块、夹具和五层结构，五层结构由上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块依次贴合形成；夹具内形成腔体；五层结构在腔体内被夹具压紧，用于分隔腔体；上下遮蔽模板都开有上下贯穿的微流道，上下阴极块与微流道对齐，使得电解液从微流道流过时加工该工件。本发明通过五层结构将各个加工区隔离，通过微流道设计出侧向冲液更好地冲刷杂质，通过上下阴极块规划出垂直电场使得加工精度更高，通过夹具压紧五层结构使得工件不会抖动，能够在金属工件上下表面同时高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的阵列微沟槽结构。本发明还提供加工方法。

Description

一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置及方法

技术领域

本发明涉及微沟槽加工技术领域，尤其涉及一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置及方法。

背景技术

随着电子元器件朝着微小型、精密型、集成型方向发展，越来越多的零部件表面使用了微结构来提高产品的性能。其中，微筛网、微喷丝嘴、微掩模板、微光栅等表面存在大量的微沟槽结构，使零部件表现出优异的筛分特性、熔融物成形特性、图案成形特性、信号传递特性等。

目前微沟槽结构的加工方法主要有：机械加工、激光加工、电火花成形和线切割加工、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；电火花成形与线切割加工存在工具损耗，需要制作成形电极或加工前需要穿丝、张紧，加工后的工件表面同样存在重熔层和热影响区，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，电解加工(ECM)具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力、高材料去除率、无工具损耗等优点，可以保证加工后工件无应力变形，所以电解加工技术为难加工金属表面微沟槽结构的高效率、低成本、高稳定性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。

现有技术的缺点：专利201210250510.5提出的方法需要在工件上开微小孔，并且所开孔数要与预期加工槽数相等，对难加工材料表面开孔已经是技术难题，并且穿丝、张紧工作步骤繁琐；所采用的外部多喷头冲液方式需要对每个加工区进行对准，对准度不佳时直接影响加工稳定性。

专利201710282730.9提出的方法由于左右挡板要安装丝线，并进行进给，所以实际上丝线横跨整个工件，只能加工左右贯穿槽，无法加工非贯穿型微沟槽。

专利201710311839.0提出的射流电解加工方法，虽然能实现微沟槽的高效率、高精度加工，但由于射流扫过后已加工表面仍然有较多的电解液，容易继续腐蚀已加工表面，使已加工表面发黑，进而导致加工表面质量下降。

专利CN201610801107.5提出的微群槽连续电解加工方法供液方面是依靠外部喷嘴对加工区喷液，并且对不同的工位需布置相对应的喷嘴，随着加工深度的增加，电解液进入加工区的量逐渐减少，一定程度上影响加工稳定性。

专利200810022328.8提出的反拷方案，即便能加工出群条状电极，在成形电极电解加工微沟槽时也要对流场进行合理设计，否则很难维持电解加工稳定性。

发明内容

本发明提供了一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置及方法，利用电解加工的方法，实现在金属工件上下表面同时高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好、上下贯穿，左右不贯穿的阵列微沟槽结构。

本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，包括供电模块、电解液模块、夹具、上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块；

所述夹具内形成腔体，所述腔体设置有入液口和出液口，用于输入输出电解液；

所述上阴极块、所述上遮蔽模板、所述待加工工件、所述下遮蔽模板和所述下阴极块依次贴合形成五层结构，所述五层结构被所述夹具压紧；

所述五层结构设置在所述腔体内部，所述上阴极块和所述下阴极块与所述腔体内壁贴合，所述上遮蔽模板、所述待加工工件、所述下遮蔽模板的四边与所述腔体内壁贴合，用于分隔所述腔体；

所述上遮蔽模板和所述下遮蔽模板都开有上下贯穿的微流道，所述上阴极块和所述下阴极块与所述微流道对齐，使得所述电解液从分隔的所述腔体一边通过所述微流道流到另一边时加工所述待加工工件；

所述供电模块的正极连接所述待加工工件，负极连接所述上阴极块和所述下阴极块；

所述电解液模块连通所述入液口和所述出液口，用于输送并回收电解液。

优选地，所述夹具具体包括下夹具体和上夹具体，所述下夹具体和所述上夹具体能够锁紧组合形成所述夹具；

所述下夹具体和所述上夹具体均开有所述入液口和所述出液口。

优选地，所述微流道的沿电解液流向的长度大于对应的所述上阴极块或所述下阴极块的长度，用于防止所述上阴极块或所述下阴极块阻碍所述电解液进入所述微流道。

优选地，所述微流道具体为呈阵列排布的贯穿槽道。

优选地，所述电解液模块包括电解液箱和水泵；

所述电解液箱通过所述水泵连通所述入液口；

所述电解液箱还连通所述出液口。

优选地，所述下夹具体和所述上夹具体通过螺栓锁紧。

优选地，所述入液口具体为两个，包括上入液口和下入液口，所述出液口具体为两个，包括上出液口和下出液口；

所述下夹具体上开有所述下入液口和所述下出液口；

所述上夹具体上开有所述上入液口和所述上出液口。

优选地，所述上阴极块或所述下阴极块对齐于所述微流道中央，所述微流道上超出所述上阴极块或所述下阴极块的部分为微流道入液口及微流道出液口，用于连通分隔的所述腔体。

本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方法，基于上述的双面同步电解加工阵列微沟槽的装置进行加工，包括：

安装如上述的双面同步电解加工阵列微沟槽的装置；

通过电解液模块循环输送和回收电解液，同时接通供电模块进行加工。

优选地，所述安装双面同步电解加工阵列微沟槽的装置具体包括：

将上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块按顺序放置于夹具内部；

锁紧夹具，将电解液模块连通入液口和出液口。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，包括供电模块、电解液模块、夹具、上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块；所述夹具内形成腔体，所述腔体设置有入液口和出液口，用于输入输出电解液；所述上阴极块、所述上遮蔽模板、待加工工件、所述下遮蔽模板和所述下阴极块依次贴合形成五层结构，所述五层结构被所述夹具压紧；所述五层结构设置在所述腔体内部，所述上阴极块和所述下阴极块与所述腔体内壁贴合，所述上遮蔽模板、所述待加工工件、所述下遮蔽模板的四边与所述腔体内壁贴合，用于分隔所述腔体；所述上遮蔽模板和所述下遮蔽模板都开有上下贯穿的微流道，所述上阴极块和所述下阴极块与所述微流道对齐，使得所述电解液从分隔的所述腔体一边通过所述微流道流到另一边时加工所述待加工工件；所述供电模块的正极连接所述待加工工件，负极连接所述上阴极块和所述下阴极块；所述电解液模块连通所述入液口和所述出液口，用于输送并回收电解液。本发明通过五层结构将各个加工区隔离，通过微流道设计出侧向冲液更好地冲刷杂质，通过上下阴极块规划出垂直电场使得加工精度更高，通过夹具压紧五层结构使得工件不会抖动，能够在金属工件上下表面同时高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好、上下贯穿，左右不贯穿的阵列微沟槽结构。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例的示意图；

图2为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中工件局部放大图；

图3为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中五层结构示意图；

图4为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中上下遮蔽模板的俯视图；

图5为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中电解液入液口示意图；

图6a为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中举例说明掩膜电解加工的示意图；

图6b为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中举例说明电解转印加工的示意图；

图6c为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中本发明电解加工的示意图；

图7a为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中未加工穿工件的阶段的示意图；

图7b为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中刚加工穿工件的阶段的示意图；

图7c为本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例中侧壁抛直阶段的示意图；

其中，附图标记为：电解液箱(1)、水泵(2)、下夹具体(3)、上夹具体(4)、上阴极块(51)、下阴极块(52)、脉冲电源(6)、上遮蔽模板(71)、下遮蔽模板(72)和工件(8)。

具体实施方式

本发明提供了一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置及方法，利用电解加工的方法，实现在金属工件上下表面同时高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好、上下贯穿，左右不贯穿的阵列微沟槽结构。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置的一个实施例，包括供电模块6、电解液模块、夹具、上阴极块51、上遮蔽模板71、待加工工件8、下遮蔽模板72和下阴极块52；

夹具内形成腔体，腔体设置有入液口和出液口，用于输入输出电解液；

上阴极块51、上遮蔽模板71、待加工工件8、下遮蔽模板72和下阴极块52依次贴合形成五层结构，五层结构被夹具压紧；

五层结构设置在腔体内部，上阴极块51和下阴极块52与腔体内壁贴合，上遮蔽模板71、待加工工件8、下遮蔽模板72的四边与腔体内壁贴合，用于分隔腔体；

上遮蔽模板71和下遮蔽模板72都开有上下贯穿的微流道，上阴极块51和下阴极块52与微流道对齐，使得电解液从分隔的腔体一边通过微流道流到另一边时加工待加工工件8；

供电模块6的正极连接待加工工件8，负极连接上阴极块51和下阴极块52；

电解液模块连通入液口和出液口，用于输送并回收电解液。

本发明通过五层结构将各个加工区隔离，通过微流道设计出侧向冲液更好地冲刷杂质，通过上下阴极块52规划出垂直电场使得加工精度更高，通过夹具压紧五层结构使得工件8不会抖动，能够在金属工件8上下表面同时高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好、上下贯穿，左右不贯穿的阵列微沟槽结构。

进一步地，夹具具体包括下夹具体3和上夹具体4，下夹具体3和上夹具体4能够锁紧组合形成夹具；

下夹具体3和上夹具体4均开有入液口和出液口。

进一步地，微流道的沿电解液流向的长度大于对应的上阴极块51或下阴极块52的长度，用于防止上阴极块51或下阴极块52阻碍电解液进入微流道。

进一步地，微流道具体为呈阵列排布的贯穿槽道。

进一步地，电解液模块包括电解液箱1和水泵2；

电解液箱1通过水泵2连通入液口；

电解液箱1还连通出液口。

进一步地，下夹具体3和上夹具体4通过螺栓锁紧。

进一步地，入液口具体为两个，包括上入液口和下入液口，出液口具体为两个，包括上出液口和下出液口；

下夹具体3上开有下入液口和下出液口；

上夹具体4上开有上入液口和上出液口。

进一步地，上阴极块51或下阴极块52对齐于微流道中央，微流道上超出上阴极块51或下阴极块52的部分为微流道入液口及微流道出液口，用于连通分隔的腔体。

以下将对本发明的原理进行解释：

本发明提出一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方案，其原理如图1和图2所示，包括电解液箱1、水泵2、下夹具体3、上夹具体4、上阴极块51和下阴极块52、脉冲电源6、上遮蔽模板71、下遮蔽模板72和工件8。上夹具体4和下夹具体3可由螺栓或其他扣件进行锁紧，即夹具内部形成密闭腔体。电解液箱1内存放有电解液，水泵2用于抽取电解液进入腔体里。如图3，加工区由上到下依次为上阴极块51、上遮蔽模板71、工件8、下遮蔽模板72和下阴极块52，共五层，利用上夹具体4和下夹具体3锁紧时产生的机械力进行层层压紧，即五层结构嵌在夹具腔体里。图4为上遮蔽模板71或下遮蔽模板72的俯视图，其内开有上下贯穿的微流道(上下贯穿是指在遮蔽模板的一面垂直贯穿至另一面，或说贯穿于遮蔽模板的两面，如图4所示，微流道可让遮蔽模板两面的电解液通过)，并且槽道长度比上阴极块51或下阴极块52的长度长，所以在加工区五层结构层层压紧后，阴极块与遮蔽模板之间还留有一定开口长度，这个开口长度即为微流道的电解液入液口(如图5所示，微流道的电解液入液口即微流道超出上阴极块51或下阴极块52的部分)，同样的微流道的出液口与微流道的入液口形成原理一样，且相互对称。上遮蔽模板71、下遮蔽模板72与工件8贴合后，工件8裸露于微流道的地方为加工区(加工区与微流道区对应)，其他地方为非加工区被遮蔽。

供电方面，供电模块6即脉冲电源，正极接工件8形成阳极，负极接上阴极块51和下阴极块52形成阴极，上阴极块51和下阴极块52为紫铜材料。电解液循环方面，在水泵2的作用下将电解液从电解液箱1中抽出，流入夹具左端的入液口，进而流入上遮蔽模板71或下遮蔽模板72内的流道，最后从夹具右端的出液口流回电解液箱1，同时接通供电模块6和水泵2时开始电解加工。由于工件8上下表面都有相同的电解加工环境，所以可以实现双面同步电解加工。

当水泵2工作时电解液导通，这里重点说明此时腔体左右两边只由上遮蔽模板71或下遮蔽模板72内的微流道连通，也就是说电解液只能从加工区流过，电解反应发生在微流道里，形状及尺寸由微流道决定。

如图6a、6b、6c是双面同步电解加工微沟槽其中一面的电场模型与其他加工方法电场模型的对比。图6a，一般的掩膜电解加工虽然电场线在工件表面较集中，可以达到较高的加工精度，但是在这种方法下掩膜制备本身较为复杂，需要经过涂胶、匀胶、前烘、曝光、显影、后烘等操作，工艺较为繁琐；图6b，电解转印是将掩膜做在阴极上，所以掩膜可以重复使用，但是电场线较分散的作用在工件8表面，加工精度较差；图6c，是本方案的的电场模型，可以发现在本方案中电解房加工间隙就是掩模板，即遮蔽模板的厚度，所以电场线完全被约束在加工区，并且这里要重点说明的是这时的电场为垂直电场，可以达到较高的加工精度。图6c也可以清晰的看出，电解液流入加工区后是直接在工件8表面冲刷，流场和电场都有利于加工出高精度的微沟槽。

请参阅图7a、7b、7c，双面同步电解加工微沟槽加工过程可以分为三个阶段，分别为未加工穿阶段、刚加工穿阶段和侧壁抛直阶段。图7a，在未加工穿阶段时，工件裸露的地方发生电化学腐蚀，工件上下两面进行均匀的电解加工。图7b，随着加工的持续进行，等到下一个时间段，工件被腐蚀穿，这时工件由于腐蚀的不均匀，在两侧壁出现尖端。由于尖端在电解加工中的特殊性，即在电解加工中尖端往往是电场线集中的地方，电流密度较大，优先放电，所以在尖端处优先进行腐蚀，即进入第三阶段侧壁抛直阶段。图7c，随着加工的持续进行，最终加工出精度较高、上下贯穿的微沟槽结构。

本发明遮蔽模板上带有阵列微流道结构，并且流道长度比阴极块长度大，贴合后能形成入液口和出液口，在这种工作环境下，采用侧向充液能直接冲刷工件表面，能及时带走电解加工中产生的不溶性电解产物、气泡、焦耳热，保持电导率稳定，使电解加工稳定性更好，加工表面质量更高。

本发明通过螺栓连接或其他锁扣装置对上夹具和下夹具进行锁紧，实现对阴极块、遮蔽模板和工件的定位和压紧，加工过程中非加工区完全被遮蔽模板屏蔽，并且电解液的冲刷不会使工件发生抖动。

本发明加工区为阴极块、遮蔽模板、工件、遮蔽模板和阴极块的五层结构，依靠夹具的精准定位，能实现双面同步电解加工，并且本方法中加工区的电场为垂直型电场，非常有利于加工侧壁垂直的微沟槽结构，使加工精度更高。

本发明流场设计的更合理，采用侧向充液的同时，能保证电解液在加工区直接冲刷工件表面，排屑能力好，同时各个加工区进行隔离，互不影响。

本发明电场设计更合理，由于本方案中电解加工间隙即为遮蔽模板的厚度，所以能得到垂直电场，使加工精度提更高。

本发明夹具设计更合理，所设计的夹具能保证阴极块、遮蔽模板和工件层层压紧，实现定位和压紧，使加工更便捷、可靠。

以下将对本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方法的一个实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方法的一个实施例，基于上述的双面同步电解加工阵列微沟槽的装置进行加工，包括：

将上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块按顺序放置于夹具内部；

锁紧夹具，将电解液模块连通入液口和出液口；

通过电解液模块循环输送和回收电解液，同时接通供电模块进行加工。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，其特征在于，包括供电模块、电解液模块、夹具、上阴极块、待加工工件、上遮蔽模板、下遮蔽模板和下阴极块；

所述夹具内形成腔体，所述腔体设置有入液口和出液口，用于输入输出电解液；

所述上阴极块、所述上遮蔽模板、所述待加工工件、所述下遮蔽模板和所述下阴极块依次贴合形成五层结构，所述五层结构被所述夹具压紧，其中，所述夹具具体包括下夹具体和上夹具体，所述下夹具体和所述上夹具体能够锁紧组合形成所述夹具；所述下夹具体和所述上夹具体均开有所述入液口和所述出液口；

所述五层结构设置在所述腔体内部，所述上阴极块和所述下阴极块与所述腔体内壁贴合，所述上遮蔽模板、所述待加工工件、所述下遮蔽模板的四边与所述腔体内壁贴合，用于分隔所述腔体；

所述上遮蔽模板和所述下遮蔽模板都开有上下贯穿的微流道，所述上阴极块和所述下阴极块与所述微流道对齐，使得所述电解液从分隔的所述腔体一边通过所述微流道流到另一边时加工所述待加工工件，其中，上阴极块或下阴极块对齐于微流道中央，微流道上超出上阴极块或下阴极块的部分为微流道入液口或微流道出液口，用于连通分隔的腔体；

所述供电模块的正极连接所述待加工工件，负极连接所述上阴极块和所述下阴极块；

所述电解液模块连通所述入液口和所述出液口，用于输送并回收电解液。

2.根据权利要求1所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，其特征在于，所述微流道具体为呈阵列排布的贯穿槽道。

3.根据权利要求1所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，其特征在于，所述电解液模块包括电解液箱和水泵；

所述电解液箱通过所述水泵连通所述入液口；

所述电解液箱还连通所述出液口。

4.根据权利要求1所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，其特征在于，所述下夹具体和所述上夹具体通过螺栓锁紧。

5.根据权利要求1所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置，其特征在于，所述入液口具体为两个，包括上入液口和下入液口，所述出液口具体为两个，包括上出液口和下出液口；

所述下夹具体上开有所述下入液口和所述下出液口；

所述上夹具体上开有所述上入液口和所述上出液口。

6.一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方法，基于如权利要求1至5中任意一项所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的装置进行加工，其特征在于，包括：

安装如权利要求1至5中任意一项所述的双面同步电解加工阵列微沟槽的装置；

通过电解液模块循环输送和回收电解液，同时接通供电模块进行加工。

7.根据权利要求6所述的一种双面同步电解加工阵列微沟槽的方法，其特征在于，所述安装双面同步电解加工阵列微沟槽的装置具体包括：

将上阴极块、上遮蔽模板、待加工工件、下遮蔽模板和下阴极块按顺序放置于夹具内部；

锁紧夹具，将电解液模块连通入液口和出液口。