CN109014462B - 一种金属表面微结构电解加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属表面微结构电解加工装置，属于电解加工领域。该装置包括电解槽、固定于电解槽底部中心位置的阳极夹具、工具阴极、阴极盖板、密封圈和压紧机构。电解槽两侧侧壁对称地设置两个出液口；工具阴极上设有用于电解液通过的通孔群；工具阴极上表面与阴极盖板紧密贴合，二者贴合后的外轮廓中间部分形成沟槽，密封圈装配在沟槽中；阴极盖板和工具阴极外侧与电解槽内壁间隙配合，密封圈外圈与电解槽内壁紧密贴合；工具阴极与工件阳极之间的间隙填充绝缘粒子；压紧机构采用调节支撑板上螺栓的高低来保证工具阴极和工件阳极的平行以及绝缘粒子的压紧。此装置避免了掩膜制造的难题，且工艺成本低，加工质量高，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属表面微结构电解加工装置，属于电解加工技术领域。
背景技术
机械系统中常用到各种形式的摩擦副，并在不同的工况下发生着不同程度的磨损行为。摩擦磨损成为工业设备失效的主要原因之一。据资料统计，工业化国家能源的30％消耗于机械磨损，大约有80％的零件损坏是由于各种形式的磨损引起的。摩擦磨损不仅造成了能源和材料的损失，还提高了零件的报废速度，增加了设备操作的危险指数，是工业领域中的潜在隐患。因此，减少磨损，降低活动摩擦副中的摩擦系数、增大润滑指数是降低能源消耗、减少设备维修次数、提高安全指数的有效手段，也是目前工程界所面临的一大挑战。
研究表明，在摩擦副接触表面制备出微坑阵列结构能够有效地降低摩擦损耗。早在上世纪中期，人们就已将该技术用于发动机的活塞缸表面来减轻活塞缸工作时的磨损和发热，并取得了显著地成效。微结构增大了零部件的表面积，从而表现出优异的耐摩性、传热特性、能量转换特性、仿生特性等。
微细电解加工技术是通过控制加工电压、加工时间来控制阳极金属的溶解速度，实现零部件表面微纳织构的加工。相对于机械载具和能束加工，电解加工方法避免了加工后零件表面残余应力和微观裂纹等缺陷，可得到较好的表面质量。掩膜电解加工是电解加工微坑中最为常用的方法，该方法可有效地将工件表面未被掩膜覆盖部分的金属蚀除，加工定域性好，但掩膜的制作过程十分复杂，操作繁琐，工艺成本高。因此，研发出一种操作简单、适用范围广、工艺成本低的表面微结构电解加工装置显得十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属表面微结构电解加工装置，有效避免了掩膜制造的复杂工艺过程，降低工艺成本，提高加工质量和可操作性。
一种金属表面微结构电解加工装置，包括电解槽、固定于电解槽底部中心位置的阳极夹具、工具阴极、阴极盖板、密封圈和压紧机构，其特征在于：所述的电解槽侧壁对称地设置有两个出液口；所述的阳极夹具上表面设有用于工件阳极嵌合的卡槽，工件阳极安装在卡槽内；所述的工具阴极背面设有用于电解液配流的凹槽，凹槽处设有用于电解液通过的通孔群；所述的阴极盖板与工具阴极背面紧密贴合，所述的密封圈装配在工具阴极和阴极盖板贴合后形成的外轮廓沟槽中；所述的阴极盖板和工具阴极外侧与电解槽内壁间隙配合，密封圈外圈与电解槽内壁紧密贴合；所述的工具阴极与工件阳极之间的间隙填充绝缘粒子；所述的压紧机构包括螺栓和支撑板。
所述的电解槽两侧侧壁对称设置的两个出液口，其中心位置低于阳极夹具上表面的高度。
所述的工具阴极上的通孔的面积总和与两出液口前端的通孔面积总和之比大于1，可选为1.2~3。
所述的阴极盖板下部设有和工具阴极上部的凹槽尺寸相同的凸台，其顶部设有用于电解液流入的进液口。
所述的工件阳极和工具阴极之间的距离通过填充绝缘粒子的多少进行调节，可选为0.1~10mm。
所述的阳极夹具上部设置的用于工件阳极嵌合的卡槽深度小于工件阳极的厚度。
所述的绝缘粒子为球状微纳米颗粒，其尺寸根据所要加工的微结构的尺寸确定，其材料为耐腐蚀硬质绝缘材料，如二氧化硅、氧化锆、三氧化二铝。
所述的绝缘粒子上层与工具阴极之间、绝缘粒子与电解槽侧壁上设置的出液口之间设置电绝缘多孔布，防止绝缘粒子的流失。
所述的电绝缘多孔布上孔的大小要小于所选绝缘粒子的粒径。
所述的压紧机构通过调节支撑板上螺栓的高低来保证工具阴极和工件阳极的平行以及绝缘粒子的压紧。
本发明的一种金属表面微结构电解加工装置，将工件阳极放入阳极夹具上表面的卡槽内，将电解槽底部两个出液口处设置密封住孔口的电绝缘多孔布，将绝缘粒子充满电解槽和阳极夹具之间的间隙后，再将绝缘粒子平铺在工件表面，并通过所铺的绝缘粒子的厚度来控制工具阴极和工件阳极之间的距离，在绝缘粒子的最上层设置与电解槽开口面积相同的电绝缘多孔布，再将工具阴极、密封圈和阴极盖板三者的组合件放入电绝缘多孔布上并用压紧机构将其调平和压紧。电解液从阴极盖板顶部的进液口流入，充满槽内绝缘粒子的间隙后从槽底的两个出液口流出，通液稳定后开通电源，工件阳极表面上未被绝缘粒子掩盖的部分因有电解液的流通而发生电解反应被溶解去除，形成凹坑结构，被绝缘粒子掩盖的部分因极少电解液流动且被粒子屏蔽而不被化学溶解，经过一定时间的电解加工，工件表面上会形成一定深度的凹坑或相邻凹坑连续而成的凹槽。
本发明相对于现有技术具有以下特点：
1、掩膜制造简单。本发明利用绝缘粒子做掩膜，避免了传统掩膜制备的复杂工艺过程，大大缩短了制备时间，可操作性强。
2、工艺成本低。本发明只需选用不同粒径的绝缘粒子做掩膜即可，且绝缘粒子因在加工过程中不会发生反应因而无任何损耗和变形，一次加工后，只需将粒子取出晾干即可用于下一次的加工中，依次重复循环使用。
3、应用范围广，适用性强。该装置不仅可以加工不同形状的工件阳极，还可用于曲面或不规则表面的加工。
附图说明
图1是一种金属表面微结构电解加工装置的结构示意图。
图2是工具阴极、阴极盖板和密封圈的相对关系及结构示意图。
图3是工具阴极结构示意图。
图4是一种金属表面微结构电解加工装置的加工原理图。
图中：1、电解槽；2、阳极夹具；3、工件阳极；4、出液口；5、电绝缘多孔布；6、工具阴极；7、阴极盖板；8、支撑板；9、螺栓；10、进液口；11、密封圈；12、绝缘粒子。
具体实施方式
下面结合图1、图2、图3和图4对本发明的实施方案进行进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明提出一种金属表面微结构电解加工装置，包括电解槽1、固定于电解槽1底部中心位置的阳极夹具2、工具阴极6、阴极盖板7、密封圈11和压紧机构。电解槽1两侧侧壁对称地设置有两个出液口4，出液口4的前端截面上设置均匀分布的通孔群；阳极夹具2上表面设有用于工件阳极3嵌合的卡槽，工件阳极3安装在卡槽内；工具阴极6与工件阳极3正对的一面平整，背面设有用于电解液配流的凹槽，凹槽中设有用于电解液通过的通孔群；阴极盖板7下部设有和工具阴极6上部凹槽尺寸相同的凸台，其顶部设有用于电解液流入的进液口10，阴极盖板7下部与工具阴极6背面紧密贴合，密封圈11装配在工具阴极6和阴极盖板7贴合后形成的外轮廓沟槽处；阴极盖板7和工具阴极6的外轮廓与电解槽1内壁间隙配合，密封圈11外圈与电解槽1内壁紧密贴合；将工具阴极6与工件阳极3之间的间隙填充绝缘粒子12；压紧机构包括螺栓9和支撑板8，通过调节支撑板8上螺栓9的高低来保证工具阴极6和工件阳极3的平行以及绝缘粒子12的压紧。
如图4所示，电解液从阴极盖板7顶部的进液口10流入后，从工具阴极6上均匀分布的通孔中流入电解槽1中并充满电解槽1内绝缘粒子12之间的间隙后从电解槽1底部的两出液口4流出，以工具阴极6为阴极、以工件阳极3为阳极施加电压即可进行电解加工。
电解槽1两侧侧壁对称设置的两个出液口4，其中心位置低于阳极夹具2上表面2mm。
工具阴极6上的通孔群的孔径与出液口4前端截面处的通孔群的孔径一致， 为0.5mm。
工具阴极6上的通孔的面积总和与两出液口4前端的通孔面积总和之比为 1.5。
工件阳极3为4mm×4mm×2mm的铝片。
阳极夹具2上部设置的用于工件阳极3嵌合的卡槽深度为1mm。
工件阳极3和工具阴极6之间的距离设为2mm。
绝缘粒子12为耐腐蚀的、粒径为120目的球状微颗粒。
绝缘粒子12上层与工具阴极6之间、绝缘粒子12与电解槽1侧壁上设置的出液口4之间设置电绝缘多孔布5，防止绝缘粒子12的流失。
Claims (10)
1.一种金属表面微结构电解加工装置，包括电解槽（1）、固定于电解槽（1）底部中心位置的阳极夹具（2）、工具阴极（6）、阴极盖板（7）、密封圈（11）和压紧机构，其特征在于：所述的电解槽（1）两侧侧壁对称地设置有两个出液口（4）；所述的阳极夹具（2）上表面设有用于工件阳极（3）嵌合的卡槽，工件阳极（3）安装在卡槽内；所述的工具阴极（6）背面设有用于电解液配流的凹槽，凹槽处设有用于电解液通过的通孔群；所述的阴极盖板（7）与工具阴极（6）背面紧密贴合，所述的密封圈（11）装配在工具阴极（6）和阴极盖板（7）贴合后形成的外轮廓沟槽中；所述的阴极盖板（7）和工具阴极（6）外侧与电解槽（1）内壁间隙配合，密封圈（11）外圈与电解槽（1）内壁紧密贴合；所述的工具阴极（6）和工件阳极（3）之间的间隙填充绝缘粒子（12）；所述的压紧机构包括螺栓（9）和支撑板（8）。
2.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的电解槽（1）两侧侧壁对称设置的两个出液口（4），其中心位置低于阳极夹具（2）上表面的高度。
3.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的工具阴极（6）上的通孔的面积总和与两出液口（4）前端的通孔面积总和之比为1.2~3。
4.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的阴极盖板（7）下部设有和工具阴极（6）上部的凹槽尺寸相同的凸台，其顶部设有用于电解液流入的进液口（10）。
5.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的工件阳极（3）和工具阴极（6）之间的距离通过填充绝缘粒子（12）的多少进行调节，其可调范围为0.1~10mm。
6.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的阳极夹具（2）上部设置的用于工件阳极（3）嵌合的卡槽深度小于工件阳极（3）的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的绝缘粒子（12）为球状微纳米颗粒，其尺寸根据所要加工的微结构的尺寸确定，其材料为耐腐蚀硬质绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的绝缘粒子（12）上层与工具阴极（6）之间、绝缘粒子（12）与电解槽（1）侧壁上设置的出液口（4）之间设置电绝缘多孔布（5），防止绝缘粒子（12）的流失。
9.根据权利要求8所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的电绝缘多孔布（5）上孔的大小要小于所选绝缘粒子（12）的粒径。
10.根据权利要求1所述的一种金属表面微结构电解加工装置，其特征在于：所述的压紧机构通过调节支撑板（8）上螺栓（9）的高低来保证工具阴极（6）和工件阳极（3）的平行以及绝缘粒子（12）的压紧。
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