CN112080789A - 一种电化学表面处理装置和电化学表面处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学表面处理装置和电化学表面处理工艺，该电化学表面处理装置包括绝缘容器、电源和电极，绝缘容器内设有包括表面处理单元的表面处理模块，表面处理单元包括由上到下层叠设置的工作液层和保护液层，工作液层的厚度小于工件上待表面处理区域的高度，且工作液层与保护液层的厚度之后大于或等于工件上待表面处理区域的高度；电源的正极用于与工件连接，电极分别与工作液层和电源的负极连接。本发明电化学表面处理装置可用于对工件的电解抛光、电镀、表面钝化等表面处理，表面处理均匀性，处理后工件表面平整；其表面处理速率可调控，灵活性强；且其中工作液用量少，成本低，结构简单，易于操作，安全可靠。

Description

一种电化学表面处理装置和电化学表面处理工艺

技术领域

本发明涉及表面处理技术，尤其是涉及一种电化学表面处理装置和电化学表面处理工艺。

背景技术

模具的抛光对于提高模具的表面质量十分重要，玻璃模具的抛光工艺主要有磨料射流抛光以及磁流变抛光。磨料射流抛光主要是利用SiC磨粒对工件表面的微切削作用实现工件表层材料的去除，磨料射流的有较高的抛光效率，但是磨料射流中的磨粒容易划伤表面，同时因为磨料和表面之间存在较大的机械作用力，抛光后的表面存在较大的硬化层，破坏表面质量。磁流变抛光主要利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光后的表面损伤很小，表面质量较高，但是抛光效率比较低。另外，磁流变抛光液成本较高，因此该方法加工成本较大。电化学抛光可以获得无亚表面损伤层且具有高的光洁度的表面，是一种具有前景的模具抛光方式。电化学抛光主要利用作为电解池阳极的工件表面发生选择性溶解来达到表面光亮度增大，表面变平滑的效果。传统的电化学抛光工艺是将待抛光的工件完全浸入到电解液中并用惰性电极与其接触共同作为阳极。抛光过程中工件发生材料溶解去除，而与其接触的惰性电极不发生反应，仅仅起到导电的作用；另一个惰性电极单独作用阴极。

对于电化学抛光，首先，由于电化学抛光中材料表面不同区域的去除效率主要受电势分布的影响，电势高的区域，电流密度大，材料的溶解速率高，因此该区域的材料去除率高。而传统的电化学抛光是将整个模具浸泡入电解液并用惰性电极与其接触共同作为阳极，此时模具表面靠近惰性电极的区域电势高，电流密度大，材料去除率高，反之远离惰性电极的区域材料去除率低。当抛光过程中工件不同区域的材料去除率不一致时会导致抛光之后的工件发生尺寸误差。其次，抛光过程中工件表面电势会影响工件表面粘液层的形成，当表面电势分布不均匀时会导致不同区域粘液层的厚度、稳定性、形成和溶解速率等方面存在差异。粘液层得到稳定形成和溶解的区域表面会变得平滑，而粘液层得不到稳定形成和溶解的区域表面会变得粗糙，这使得传统电化学抛光难以得到完全平滑的工件表面。再有，因为传统的电化学抛光是将待加工的工件完全浸入电解液中，因而当需要抛光大面积的工件时需要大量的电解液来浸泡工件，这使得其成本较高。因此，目前传统的电化学抛光工艺通常难以用于具有三维结构的大面积模具的抛光。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电化学表面处理装置和电化学表面处理工艺。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一方面，提供一种电化学表面处理装置，包括：

绝缘容器，所述绝缘容器内设有表面处理模块，所述表面处理模块包括第一表面处理单元，所述第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层，所述第一工作液层由第一工作液构成，所述第一保护液层由第一保护液构成；所述第一工作液层的厚度小于工件上待表面处理区域的高度，且所述第一工作液层与所述第一保护液层的厚度之和大于或等于所述工件上待表面处理区域的高度；

电源，所述电源具有正极和负极；所述正极用于与所述工件连接；

电极，所述电极分别与所述第一工作液层和所述电源的负极连接。

根据本发明的一些实施例，所述第一工作液和所述第一保护液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一保护液的密度；

或者，所述第一表面处理单元还包括由第一分隔液构成的第一分隔层，所述第一分隔层设于所述第一工作液层和所述第一保护液层之间，所述第一分隔液分别与所述第一工作液、所述第一保护液不互溶，所述第一工作液的密度小于所述第一分隔液的密度，且所述第一分隔液的密度小于所述第一保护液的密度。

根据本发明的一些实施例，所述第一保护液层的厚度大于或等于所述工件上待表面处理区域的高度。

根据本发明的一些实施例，所述第一表面处理单元用于对所述工件进行第一表面处理，所述第一表面处理为电解抛光、电镀、表面钝化中任一种。

根据本发明的一些实施例，所述第一表面处理为电解抛光，所述第一工作液为电解液，所述电解液选自氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、酒石酸钠溶液、酒石酸钾溶液中的至少一种；所述第一保护液为九氟丁基甲醚、四氯化碳或三氯乙烷。

根据本发明的一些实施例，所述表面处理模块还包括与所述第一表面处理单元层叠设置的第二表面处理单元，所述第二表面处理单元包括由上到下层叠设置的第二工作液层和第二保护液层，所述第二工作液层由第二工作液构成，所述第二保护液层由第二保护液构成。

根据本发明的一些实施例，所述第二表面处理单元用于对工件进行第二表面处理，所述第二表面处理为电解抛光、电镀、表面钝化中任一种。

根据本发明的一些实施例，所述电化学表面处理装置还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动。

根据本发明的一些实施例，所述电化学表面处理装置还包括电流表和/或电压表，所述电流表与所述电源串联，所述电压表与所述电源并联。

本发明的第二方面，提供一种电化学表面处理工艺，包括以下步骤：

S1、在绝缘容器依次注入第一保护液和第一工作液，所述第一保护液和所述第一工作液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一保护液的密度，静置至溶液分层，在所述绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层的第一表面处理单元；

或者，在绝缘容器依次注入第一保护液和第一分隔液，所述第一保护液和所述第一分隔液不互溶，且所述第一分隔液的密度小于所述第一保护液的密度，静置至溶液分层后，再向所述绝缘容器中缓慢注入第一工作液，所述第一工作液与所述第一分隔液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一分隔液的密度，静置至溶液分层，在所述绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层、第一分隔层和第一保护液层的第一表面处理单元；

S2、取一电极与电源的负极连接，并将所述电极插入所述第一工作液层；

S3、将工件与所述电源的正极连接，而后将所述工件间隔所述电极插入所述第一工作液层，且在所述工件接触到所述第一工作液层时启动所述电源；

S4、根据所述工件的表面处理要求控制所述工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动；直至完成对所述工件上待表面处理区域的表面处理，关闭所述电源。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种电化学表面处理装置，该电化学表面处理装置的绝缘容器中设置包括第一表面处理单元的表面处理模块，第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层，且第一工作液层的厚度小于工件上待表面处理区域的高度。以上电学表面处理装置可应用于对工件的电解抛光、电镀、表面钝化等表面处理。在使用时，可通过将待加工工件与电源的正极连接，而后将工件插入第一工作液层，且在工件接触到第一工作液层时启动电源，以形成回路；而后根据工件的表面处理要求控制工件沿Z轴方向运动，或者沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动，进行电化学表面处理。其中，由于第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层，以形成分层溶液电化学表面处理，可缩小反应表面上的电势差，表面处理均匀性高，处理后工件表面平整，表面上不同区域的结构尺寸变化差异小。并且，通过以上第一表面处理单元的设置，该电化学抛光装置可通过改变第一工作液的浓度、第一工作液层厚度、工件的运动速率等参数，可实现不同表面处理速率的调控，灵活性强；另外，该电化学表面处理装置可减少第一工作液的用量，减低成本，其结构简单，易于使用者操作，且以较小的电解电流来进行表面抛光，更为安全可靠。

附图说明

图1是本发明一实施例电化学表面处理装置的结构示意图；

图2是采用本发明一实施例电化学表面处理装置对微流体钨模具进行电化学抛光过程样品表面的材料去除原理示意图；

图3是待抛光工件的结构示意图；

图4是图3中沿A-A截面的剖视图；

图5是抛光前工件表面三个位点的SEM图；

图6是采用本发明一实施例电化学表面处理装置对工件进行分层溶液动态电化学抛光后工件表面三个位点的SEM图；

图7是采用传统电化学抛光方法对工件进行抛光过程工件表面三个位点的轮廓变化情况；

图8是采用本发明一实施例电化学表面处理装置对工件进行分层溶液动态电化学抛光过程工件表面三个位点的轮廓变化情况。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

请参阅图1，图1是本发明一实施例电化学表面处理装置的结构示意图，图1中示出了使用状态下电化学表面处理装置与工件40连接的示意图，工件40不作为电化学表面处理装置本身的部件。如图1所示，该电化学表面处理装置包括绝缘容器10、电源20和电极30。绝缘容器10内设有表面处理模块，表面处理模块包括第一表面处理单元，第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层11和第一保护液层12，第一工作液层11由第一工作液构成，第一保护液层12由第一保护液构成；第一工作液层11的厚度小于工件40上待表面处理区域的高度，且第一工作液层11与第一保护液层12的厚度之和大于或等于工件40上待表面处理区域的高度；电源20具有正极和负极，电源20的正极用于与工件40连接；电极30分别与第一工作液层11和电源20的负极连接。其中，工件40上待表面处理区域的高度为工件40上需在对应的表面处理单元进行表面处理区域沿垂直于第一工作液层11方向上的高度。

绝缘容器10一般为开口朝上的绝缘容器。而为了便于观察工件40在绝缘容器10内的移动，一般采用透明绝缘容器，其形状可设为长方体、正方体、圆柱体、椭圆柱等规则形状，也可设计为其他不规则形状。为了组装制备的便利，可以直接采用玻璃烧杯。

本实施例电化学表面处理装置具体为用于工件40电化学抛光的电化学抛光装置，第一表面处理单元由不互溶的第一工作液(即电解液)和第一保护液混合后形成分层溶液构成，且第一工作液的密度小于第一保护液的密度，使得第一工作液层11(即第一电解液层)在上层，第一保护液层12在下层，即第一工作液层11和第一保护液层12由上到下层叠设置。电解液可选用氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、酒石酸钠溶液、酒石酸钾溶液中的至少一种，第一保护液与待加工工件之间具有化学惰性，即不与工件发生化学反应，其具体可采用九氟丁基甲醚。在本实施例中，电解液为0.5％的NaOH溶液，第一保护液为九氟丁基甲醚。

第一表面处理单元中第一工作液层11和第一保护液层12的分层可以通过自然分层，当然，也可使用第一分隔液在第一工作液和第一保护液之间进行强行分层。当第一工作液和第一保护液之间的密度差异较大，且两者之间不发生反应和互溶时，溶液之间可以采用自然分层；而当第一工作液和第一保护液之间会发生化学反应或互溶时，可使用例如类似高分子薄膜(液体膜层)进行强制分层，第一分隔液与待加工工件之间也具有化学惰性，即其不与工件之间发生化学反应。因而，在一些实施例中，第一表面处理单元还可包括由第一分隔液构成的第一分隔层，第一分隔层设于第一工作液层11和第一保护液层12之间，第一分隔层的第一分隔液分别与第一工作液层11的第一工作液、第一保护液层12的第一保护液不互溶，第一工作液的密度小于第一分隔液的密度，第一分隔液的密度小于第一保护液的密度。

为了提高表面处理的均匀性，可设计为绝缘容器10中第一表面处理单元的第一保护液层12的厚度大于或等于工件40上待表面处理区域的高度。在使用时，工件40上待表面处理区域可完全通过第一工作液层11，提高表面处理均匀性。

在本实施例中，电极30为铂电极，且铂电极浸没于第一工作液层11中。为了便于组装连接，铂电极具体通过导电连接件31与电源20的负极连接，所采用导电连接件31具体为绝缘材料(如绝缘塑料)包裹的铜棒，为了防止铜棒与电解液接触发生反应，因而需要在其外部包裹绝缘材料。在其他实施例中，电极30也可以部分浸入电解液层中，并可以通过改变浸入面积的大小来控制电化学表面处理的效率。

为了便于控制工件40的运动，本实施例电化学表面处理装置还包括驱动组件50，驱动组件50用于驱动工件40沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动。驱动组件50可采用机械手，具体可采用三轴机械手或其他机械手，机械手的具体类型可根据工件所需实现的运动进行选择。通过驱动组件50的以上驱动方式，控制工件40与电极30之间相对运动来改变表面处理速率。例如，在采用本实施例电化学表面处理装置进行电解抛光时，通过驱动工件40沿Z轴方向向下运动，类似于恒流电流密度，进行恒材料去除率的抛光；如果驱动工件40沿Z轴方向运动的同时，提高水平X轴方向和/或Y轴方向的运动，则为变电流密度，进行变材料去除率的抛光。当工件40在水平方向移动靠近电极30(阴极)时，电流密度大，材料去除率高；当工件40进行水平方向移动远离电极30时，电流密度小，材料去除率低。以上控制过程中，变材料去除率的抛光可考虑用在渐变结构(如圆锥形)工件的抛光上，在抛光的同时，可进行修形。另外，以上沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动的运动过程也可以涉及旋转运动，具体通过在机械手的输出端连接用于驱动工件40旋转运动的驱动电机。

而为了便于监控表面处理过程中电流回路的电流大小和绝缘容器10两端的电压，本实施例电化学表面处理装置还可包括电流表60和电压表70，电流表60与电源20串联，电压表70与电源20并联，以通过电流表60测量表面处理过程中通过主回路的电流大小，通过电压表70测量表面处理过程中加在绝缘容器10两端的电压值。当然，在其他实施例中，也可取消电流表60和电压表70的设置，或者单独设置电流表60或电压表70。

本实施例电化学表面处理装置的表面处理模块中第一表面处理单元用于工件进行第一表面处理，其中，第一表面处理具体为电解抛光，第一工作液为电解液。而在其他实施例中，也可基于类似的原理，设计电化学表面处理装置以用于电镀、表面钝化等其他第一表面处理，具体可根据表面处理要求选自第一工作液层11的工作液和第一保护液层12的第一保护液。

另外，本实施例中，绝缘容器10中的表面处理模块含一个用于对工件进行第一表面处理的表面处理单元，而在其他实施例中，也可根据表面处理的要求，将表面处理模块设计为包含多个表面处理单元，各表面处理单元层叠设置，通过各表面处理单元的设置以实现对工件40上不同区域的表面处理。

例如，在一些实施例中，基于图1所示电化学表面处理装置，其绝缘容器10中的表面处理模块还可包括与第一表面处理单元层叠设置的第二表面处理单元，第二表面处理单元包括由上到下层叠设置的第二工作液层和第二保护液层，第二工作液层由第二工作液构成，第二保护液层由第二保护液构成，第二工作液层可用于对工件进行第二表面处理，第二表面处理可为电解抛光、电镀和表面钝化中的任一种。

类似于第一表面处理单元，第二表面处理单元中，第二工作液层与第二保护液层的形成可通过采用不互溶的第二工作液和第二保护液，且第二工作液的密度小于第二保护液的密度；或者，设计第二表面处理单元还包括由第二分隔液构成的第二分隔层，第二分隔层设于第二工作液层和第二保护液层之间，第二分隔液分别与第二工作液、第二保护液不互溶，第二工作液的密度小于第二分隔液的密度，第二分隔液的密度小于第二保护液的密度。

电化学表面处理装置的表面处理模块中表面处理单元的个数具体根据工件40的表面处理要求进行设计。表面处理单元均可设计为包括由上到下层叠设置的工作液层和保护液层，且各表面处理单元层叠设置。各工作液层的厚度一般小于工件上待表面处理区域的高度；而对于保护液层，除了最底层的保护液层外，其他保护液层可设置为主要起隔离两相邻的工作液层的作用，最底层的保护液层可设置为主要起保护工件的待表面处理区域不参与反应的作用，因此，最底层的保护液层的厚度一般要求大于工件上待表面处理区域的高度。

在使用时，表面处理模块中的各表面处理单元可设计为不同的加工工序，当工件向下运动时，第一表面处理单元、第二表面处理单元可以分别作为第一道加工工序、第二道加工工序，以此类推。例如，当第一表面处理单元是具有电解功能的单元，第二表面处理单元是具有表面钝化功能的单元时，当工件依次通过第一表面处理单元和第二表面处理单元时，相当于先对工件表面进行电解来溶解掉表面的一些杂质，再对工件表面进行钝化来获得单一均匀的致密的氧化层。

以上电化学表面处理装置可应用于对工件进行如电解抛光、电镀、表面钝化的表面处理，具体可按以下步骤进行使用操作：

S1、采用以上任一种电化学表面处理装置，将工件与电源的正极连接；

S2、将连接了电源正极的工件插入第一工作液层，且在工件接触到第一工作液层时启动电源；

S3、根据工件的表面处理要求控制工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动；直至完成对工件上第一待表面处理区域的表面处理，关闭电源。

采用以上电化学表面处理装置于对工件表面的电解抛光、电镀、表面钝化等表面处理，由于第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层，以形成分层溶液电化学表面处理，可缩小反应表面上的电势差，表面处理均匀性高，处理后工件表面平整，表面上不同区域的结构尺寸变化差异小。并且，通过以上表面处理单元的设置，该电化学抛光装置可通过改变第一工作液的浓度、第一工作液层厚度、工件的运动速率等参数，实现不同表面处理速率的调控；另外，该电化学表面处理装置可减少工作液(如电解液)的用量，减低成本，其结构简单，易于使用者操作，且可降低驱动电压和电流，安全可靠。

相应地，本发明还提供了一种电化学表面处理工艺，其包括以下步骤：

S1、在绝缘容器依次注入第一保护液和第一工作液，第一保护液和第一工作液不互溶，且第一工作液的密度小于第一保护液的密度，静置至溶液分层，在绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层的第一表面处理单元；

或者，在绝缘容器依次注入第一保护液和第一分隔液，第一保护液和第一分隔液不互溶，且第一分隔液的密度小于第一保护液的密度，静置至溶液分层后，再向绝缘容器中缓慢注入第一工作液，第一工作液与第一分隔液也不互溶，且第一工作液的密度小于第一分隔液的密度，静置至溶液分成，在绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层、第一分隔层和第一保护液层的第一表面处理单元；

S2、取一电极与电源的负极连接，并将电极插入第一工作液层；

S3、将工件与电源的正极连接，而后将工件间隔电极插入第一工作液层，且在工件接触到第一工作液层时启动电源；具体地，一般将工件间隔且平行于电极插入第一工作液层；

S4、根据工件的表面处理要求控制工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动；直至完成对工件上第一待表面处理区域的表面处理，关闭电源。

电化学抛光过程样品表面的材料去除原理示意图如图2所示，图2中粘液层是电化学抛光反应发生后工件表面生成的薄层。如图2所示，电化学抛光反应是利用表面有凸起的区域和平整区域的溶解速率的差异来实现表面平滑。

具体地，按照以上类似的工艺对微流体钨模具进行电化学抛光，其具体流程包括：

1)将900mL玻璃烧杯用去离子水洗净并烘干，然后将其置于水平的台面上作为电解槽；

2)将800mL的九氟丁基甲醚倒入到电解槽中；配置质量分数为0.5％的NaOH溶液，并将NaOH溶液倒入盛有九氟丁基甲醚的电解槽中，由于两种溶液不互溶且密度差异较大，因此密度较小的NaOH溶液浮于九氟丁基甲醚的上方，通过控制倒入的NaOH溶液的体积使得NaOH溶液的厚度为10mm；分层溶液配制完成后静置10min，使得两种溶液充分的分层，上层的NaOH溶液为电解液层(即工作液层)；下层的九氟丁基甲醚为保护液层；

3)将工件(微流体钨模具，如图3和图4所示)的上端与电源的正极相连，同时通过夹持的方式与驱动组件连接，将连接好的工件垂直悬于电解液层上方。将铂电极(作为阴极)浸入电解液层中，另一端通过绝缘塑料包裹的铜棒和电源的负极相连。

4)设置电源的输出电压和极限电流大小，抛光过程中的电流小于极限电流值，起一个保护电流回路的作用；通过驱动组件控制工件以40μm/s的速度匀速向下运动；当工件和电解液层接触时启动电源进行电化学抛光反应，当工件完全穿过上层的电解液层时(向下运动的距离为56mm)关闭电源，停止电化学抛光反应,此时工件继续移动一小段距离后会停止。

5)当电源关闭，工件停止运动后，将工件取出，用酒精进行超声清洗5min，再用去离子水冲洗1min，后经氮气吹干。

6)由于一次动态抛光未完全去除工件表面缺陷，因而按照以上类似操作进行10次抛光，以获得光滑的表面。

为了考察抛光效果，分别对工件表面的轮廓变化和形貌变化进行了研究，以通过轮廓变化测量了解特征尺寸(断面的高度H和宽度X)的变化情况，和不同部位的轮廓变化情况是否均匀；以及通过形貌变化测量了解经过抛光后工件表面的表面缺陷是否得到有效去除。

其中，对于工件形貌变化的研究，具体采用扫描电子显微镜分别对抛光前后工件表面的a、b、c三个位点(如图3中所示)进行形貌测量，所得结果如图5和图6所示，图5中(a)、(b)、(c)分别为抛光前工件表面a、b、c三个位点的SEM图，(a-1)、(b-1)、(c-1)分别为对应(a)、(b)、(c)的放大图；图6中(a)、(b)、(c)分别为抛光后工件表面a、b、c三个位点的SEM图，(a-1)、(b-1)、(c-1)分别为对应(a)、(b)、(c)的放大图。

由图5可知，抛光前工件的表面缺陷冥想，这是由于初始的机械加工而引入的表面缺陷；而由图6可知，经过以上10次分层溶液动态电化学抛光后，工件表面的缺陷得到了有效去除，表面变得平滑且可以看到明显的晶界。

对于工件表面的轮廓变化，具体采用表面轮廓仪，分别对抛光前和分别抛光3次、6次、10次后工件表面a、b、c三个位点(如图3中所示)的轮廓曲线变化情况进行测量；另外，为了对比以上电化学抛光方法在优化材料去除均匀性方面的作用，还采用传统电化学抛光方法(在电解槽中填充以上电解液进行浸入式电解抛光)按照相应时长进行10次抛光，并按照以上相同的方法，测量抛光前和分别抛光3次、6次、10次后工件表面三个位点的轮廓曲线变化情况。通过以上实验，对比分析采用分层溶液动态电化学抛光和传统电化学抛光对工件表面的轮廓变化，所得结果如图7和图8所示，图7中(a)、(b)、(c)分别为采用传统电化学抛光过程工件表面a、b、c三个位点的轮廓变化情况，图8中(a)、(b)、(c)分别为采用分层溶液动态电化学抛光过程工件表面a、b、c三个位点的轮廓变化情况，图7和图8中ΔHm表示高度变化量，ΔWm表示半高宽变化量。

由图7可知，传统电化学抛光过程中特征结构的高度的最大变化量为15.9μm，最小变化量为7.7μm，二者的差值为8.2μm。宽度最大变化量为85.9μm，最小变化量为62.4μm，二者的差值为23.5μm。由此可见，传统电化学抛光中不同位点的材料去除量差别较大，抛光均匀性不好。

由图8可知，以上分层溶液动态电化学抛光过程中特征结构的高度的最大变化量为4.9μm，最小变化量为4.3μm，二者的差值在1μm以内。宽度最大变化量为81.5μm，最小变化量为73.0μm，二者的差值为8.5μm，小于10μm。由此可知，本申请中采用的分层溶液动态电化学抛光方法相比于传统的电化学抛光，材料去除的均匀性得到了很大的提高。

由上，采用以上分层溶液动态电化学抛光方法对工件进行抛光，可获得光滑的表面，且不同区域的材料去除率基本一致；通过以上抛光处理，工件表面的不同区域的尺寸变化差异缩小至10μm以内，且表面粗糙度Sa由抛光前200nm降低至5nm。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种电化学表面处理装置，其特征在于，包括：

绝缘容器，所述绝缘容器内设有表面处理模块，所述表面处理模块包括第一表面处理单元，所述第一表面处理单元包括由上到下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层，所述第一工作液层由第一工作液构成，所述第一保护液层由第一保护液构成；所述第一工作液层的厚度小于工件上待表面处理区域的高度，且所述第一工作液层与所述第一保护液层的厚度之和大于或等于所述工件上待表面处理区域的高度；

电源，所述电源具有正极和负极；所述正极用于与所述工件连接；

电极，所述电极分别与所述第一工作液层和所述电源的负极连接。

2.根据权利要求1所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述第一工作液和所述第一保护液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一保护液的密度；

或者，所述第一表面处理单元还包括由第一分隔液构成的第一分隔层，所述第一分隔层设于所述第一工作液层和所述第一保护液层之间，所述第一分隔液分别与所述第一工作液、所述第一保护液不互溶，所述第一工作液的密度小于所述第一分隔液的密度，且所述第一分隔液的密度小于所述第一保护液的密度。

3.根据权利要求1所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述第一保护液层的厚度大于或等于所述工件上待表面处理区域的高度。

4.根据权利要求1所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述第一表面处理单元用于对所述工件进行第一表面处理，所述第一表面处理为电解抛光、电镀、表面钝化中任一种。

5.根据权利要求4所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述第一表面处理为电解抛光，所述第一工作液为电解液，所述电解液选自氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液、酒石酸钠溶液、酒石酸钾溶液中的至少一种；所述第一保护液为九氟丁基甲醚、四氯化碳或三氯乙烷。

6.根据权利要求1所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述表面处理模块还包括与所述第一表面处理单元层叠设置的第二表面处理单元，所述第二表面处理单元包括由上到下层叠设置的第二工作液层和第二保护液层，所述第二工作液层由第二工作液构成，所述第二保护液层由第二保护液构成。

7.根据权利要求6所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述第二表面处理单元用于对工件进行第二表面处理，所述第二表面处理为电解抛光、电镀、表面钝化中任一种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述电化学表面处理装置还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的电化学表面处理装置，其特征在于，所述电化学表面处理装置还包括电流表和/或电压表，所述电流表与所述电源串联，所述电压表与所述电源并联。

10.一种电化学表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在绝缘容器依次注入第一保护液和第一工作液，所述第一保护液和所述第一工作液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一保护液的密度，静置至溶液分层，在所述绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层和第一保护液层的第一表面处理单元；

或者，在绝缘容器依次注入第一保护液和第一分隔液，所述第一保护液和所述第一分隔液不互溶，且所述第一分隔液的密度小于所述第一保护液的密度，静置至溶液分层后，再向所述绝缘容器中缓慢注入第一工作液，所述第一工作液与所述第一分隔液不互溶，且所述第一工作液的密度小于所述第一分隔液的密度，静置至溶液分层，在所述绝缘容器中形成包括由上至下层叠设置的第一工作液层、第一分隔层和第一保护液层的第一表面处理单元；

S2、取一电极与电源的负极连接，并将所述电极插入所述第一工作液层；

S3、将工件与所述电源的正极连接，而后将所述工件间隔所述电极插入所述第一工作液层，且在所述工件接触到所述第一工作液层时启动所述电源；

S4、根据所述工件的表面处理要求控制所述工件沿Z轴方向运动，或者，沿X轴方向、Y轴方向中的至少一个方向和Z轴方向运动；直至完成对所述工件上待表面处理区域的表面处理，关闭所述电源。

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