CN112404618B - 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置 - Google Patents

一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112404618B
CN112404618B CN202011162434.3A CN202011162434A CN112404618B CN 112404618 B CN112404618 B CN 112404618B CN 202011162434 A CN202011162434 A CN 202011162434A CN 112404618 B CN112404618 B CN 112404618B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mask
belt
wheel
workpiece
workpiece anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011162434.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112404618A (zh
Inventor
明平美
申继文
牛屾
王伟
郑兴帅
张新民
张云燕
肖有平
王文凯
李士成
闫亮
秦歌
曹军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN202011162434.3A priority Critical patent/CN112404618B/zh
Priority to LU501132A priority patent/LU501132B1/en
Priority to PCT/CN2020/130926 priority patent/WO2021212825A1/zh
Publication of CN112404618A publication Critical patent/CN112404618A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112404618B publication Critical patent/CN112404618B/zh
Priority to US18/199,518 priority patent/US20230292387A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W76/00—Connection management
    • H04W76/10—Connection setup
    • H04W76/15—Setup of multiple wireless link connections
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/008—Surface roughening or texturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H3/00—Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F3/00—Electrolytic etching or polishing
    • C25F3/02—Etching
    • C25F3/14—Etching locally
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic removal of material from objects; Servicing or operating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明公开了一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，包括喷液嘴、电解电源、工件阳极、工具阴极、喷气嘴、掩膜带、储带轮、收带轮、驱动源、托辊和张紧轮；带有镂空图案或含有渗液微孔的掩膜带在收带轮、张紧轮和储带轮等共同作用下紧密压贴于工具阴极表面并形成包角，再紧密压贴于可旋转的或可移动的工件阳极的待加工面；收带轮连续回收掩膜带并带动工件阳极和工具阴极做同步匀速运动，喷液嘴高速喷射电解液，工件阳极在电场和流场的综合作用下接替地发生均匀的局域化电化学溶解，直到工件完成加工。本发明提出了一种连续掩膜电解加工金属微结构新技术，能够提高活动掩膜电解加工的工艺适应性和稳定性，获得高精度和高表面质量的金属微纳结构。

Description

一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置
技术领域
本发明涉及一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，属于掩膜电解加工领域。
背景技术
随着航空航天、国防工业、生物工程以及信息工程等高新技术的发展，制造技术面临着零部件小型化、结构精密化和产品微型化的挑战，在此背景下，微纳制造技术应运而生。微纳米尺度结构体（简称：微纳结构）是微纳制造的主要对象之一。金属微纳结构包括金属微纳构件和金属微纳特征。金属微纳构件，如微齿轮、梳齿驱动电极、微探针、微轴等，常是MEMS、精密机械与仪器等的核心组件；金属微纳特征，如微纳尺度的孔、缝、坑、沟槽、二元分级表面结构等。这些金属微纳特征往往承载精细印染、过滤、筛分、喷雾等功能，及其依存产品的核心组元。此外，表面微纳结构很多时候承担着强化传质传热、减摩降阻、增进生物兼容与医学疗效、控光调色、隐身降噪、防污抗粘、自洁等方面的产品功能与性能。因此，金属微纳结构的高效高质量制造在工程应用界极其重要。
目前，金属微纳结构加工技术按加工方式可分为：逐点扫描式加工和批量式加工。逐点扫描式加工技术包括机械钻削（见国际局专利WO2005108004A1）、激光加工（见欧专局专利EP2787338A1）、电火花加工（见中国台湾专利TW1243741B）、射流电解加工（见中国专利CN107052484A）和管电极电解加工（见德国专利DE112013005944T5）；批量式加工包括机械冲孔加工（见日本专利JP2002073132A）、化学刻蚀加工（见德国专利DE10154361A1）、掩膜电沉积加工（见国际局专利WO2010096072A1）和掩膜电解加工（见美国专利US7185542B2）。其中，基于电化学溶解原理的掩膜电解加工因以离子态和非接触方式去材、可加工性与材料力学性能无关、加工效率高、加工面无应力、裂纹、再铸层等缺陷产生、工具无损耗等优势，且能够一次性制备海量微结构，在金属微纳结构加工方面有显著竞争力和优势。
目前，掩膜电解加工根据掩膜贴附体的性质和方式可分为：阳极固结型掩膜电解加工（见美国专利US6558868B2）、阴极固结型掩膜电解加工（见中国专利CN101862870A）和活动型掩膜电解加工（见中国专利CN104785872A）。其中，阳极固结型掩膜电解加工和阴极固结型掩膜电解加工所使用的掩膜为固结式掩膜，即掩膜固定在阳极表面或阴极表面。掩膜固结式加工能够在平面工件上制备较高质量的微结构，但它也存在这样那样的不足。比如，阴极固结型掩膜电解加工，需一工件一掩膜，因此需反复制备掩膜，导致操作复杂，工艺成本高；又如阴极固结型掩膜电解加工，其加工间隙比阳极固结型掩膜电解大，电流杂散严重，导致加工定域性差，极难制备出精细的或排列致密的高精度金属微纳结构。另一方面，受限于现有光刻技术的能力，人们极难在曲面工件表面上制备高一致性的精细固结型掩膜，进而无法获得高精度的金属微纳结构。2007年，南京航空航天大学的朱荻教授团队提出活动掩膜电解加工方法（见中国专利CN101070605）。该法预先制备好掩膜，然后把掩膜机械地（无粘结，掩膜可从工件上完好分离开）压贴工件表面上，再进行掩膜电解加工。该法的显著优势是：掩膜可复用，极大缩减了操作步骤，降低了工艺成本。但是，活动掩膜压贴在工件表面上，尤其是当工件表面是曲面时，极具挑战性。对此，河南理工大学的明平美教授团队提出以柔性多孔物（见中国专利CN104096931A）和泡沫金属工具阴极（见中国专利CN105921831A）作活动掩膜的压贴介质，较好地解决了柔性活动掩膜的曲面贴合问题，并基于此改进措施，在平面和外圆柱面加工制备出几何形状与尺寸分布均匀性显著提高的微坑阵列。但是，上述加工技术几乎无法一次性在圆柱状或圆筒状工件的表面上高精度（尺寸精度）高一致性（重复精度）地制备出均匀分布全域的阵列金属微结构，而且，它们的适用性普遍偏低。被加工工件的几何形状或/和尺寸大小不同，对应地需要更换不同的工装夹具、掩膜、工艺条件参数等，操作非常复杂。基于此，明平美教授团队于2019年开发出一种完全不同于传统活动掩膜电解加工方式的新型掩膜电解加工方法——带式活动掩膜电解加工方法（见中国专利CN110449673A，如图1所示）。该法采用类似砂带磨削加工的加工方式。这是因为砂带磨削适用于平面、外圆、内圆磨削以及复杂的异型面加工，且通过调控砂带与被加工工件的运动关系，其可用于大面积工件。砂带磨削的高工艺柔性和高适应性（适应不同的工件阳极）将有助于改善目前掩膜电解加工技术的工艺难题。类似地，带式活动掩膜电解加工所用掩膜为薄带状，掩膜在收带轮和储带轮的共同作用下压贴在工件阳极表面上，并驱动工件阳极作旋转运动，进而实现工件边旋转边表面微结构化的加工效果。带式活动掩膜电解加工时，由于工件是转动的，则特别适合圆柱（筒）类工件的加工，且加工过程电解液的传质条件好，电场作用于加工区的强度均等，电流密度分布的均匀性好，因此，加工所得的微纳结构的几何形状与尺寸分布一致性高。此外，该技术受工件外形尺寸的影响小，加工不同尺寸工件时，无需更换掩膜。然而，带式活动掩膜电解加工只能适合圆柱（筒）类工件外圆柱面的加工，无法对内圆柱面和平面进行加工，而且电解产物极易堆积在掩膜上，严重干扰电解加工过程的正常进行，导致工艺稳定性变差，微纳结构的表面质量与精度降低。
为了克服现有活动掩膜电解加工技术所存在的适应性不高、无法一次性完成圆柱面加工、有加工接缝、难以大面积加工、所得微纳结构精度与表面质量不易保证等不足，本专利提出了加工方式同于带式活动掩膜电解加工但压贴对象明显不同的新的加工方法——连续掩膜电解加工。该方法的带式掩膜压贴包覆阴极，而不是工件阳极。加工过程中，收带轮驱动掩膜运动，运动的掩膜进而带动工具阴极和工件阳极做同步匀速旋转运动，与此同时，工件阳极材料在电场和流场的综合作用下接替地发生均匀的局域化电化学溶解，进而最终获得所需的高精度和高表面质量的金属微纳结构。
发明内容
针对现有的带式活动掩膜电解加工所存在的适应性不高、工艺稳定性偏低、所制备的金属微纳结构精度与表面质量不高等不足，本发明提出了一种连续掩膜电解加工微纳结构的装置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，包括喷液嘴、电解电源、工件阳极、工具阴极、喷气嘴，其特征是：它还包括掩膜带、储带轮、收带轮、驱动源、托辊和张紧轮；所述的储带轮、张紧轮和收带轮都呈圆柱体状；所述的掩膜带的一端缠绕在收带轮上，另一端缠绕在储带轮上；所述的收带轮与驱动源连接，并在驱动源的驱动下可做顺时针转动；所述的储带轮和张紧轮可绕自身的旋转中心轴转动；所述的工具阴极呈圆柱体状；所述的掩膜带紧密压贴于工具阴极的下表面，并形成包角θ；所述的工件阳极可旋转地或可移动地安设于工具阴极的正下方，并与掩膜带的另一面紧密接触；所述的工具阴极的旋转中心轴线与圆柱状工件阳极的旋转中心轴线平行或与平面状工件阳极的加工面平行；所述的工件阳极安设于托辊上；所述的托辊可绕自身的旋转中心轴转动；所述的喷液嘴安设于掩膜带的左下方，且喷液嘴从工件阳极左侧指向掩膜带与工件阳极间的接触处；所述的喷气嘴安设于掩膜带的右下方，且喷气嘴从工件阳极右侧指向掩膜带与工件阳极间的接触处。
所述的电解电源的正极和负极分别与所述的工件阳极和工具阴极相连接。
所述的掩膜带的厚度范围为0.05mm ~ 0.5mm。
所述的掩膜带在收带轮、工具阴极、张紧轮和储带轮的共同作用下始终处于张紧状态。
所述的工具阴极、工件阳极和掩膜带三者接触处的切向速度相等。
所述的收带轮、张紧轮、储带轮和托辊的材质均为不吸水的电绝缘高分子材料。
所述的掩膜带在工具阴极上的包角θ为30°~ 180°。
所述的工件阳极的形状可为圆柱体状、圆筒状、板状或带状。
所述的驱动源的输出转速可调。
所述的掩膜带为含有大量通孔结构的电绝缘高分子薄膜或具有渗液功能的电绝缘纺织布。
本发明的工作原理为：带有镂空图案或含有渗液微孔的掩膜带在收带轮、张紧轮和储带轮等共同作用下紧密压贴在工具阴极的表面上并形成包角θ（完全包裹工具阴极表面的掩膜带弧长所对应的圆心角），工件阳极安设于工具阴极的正下方并与掩膜带的另一面紧密接触。收带轮在驱动源的作用下做匀速旋转运动进而不断回收掩膜带，而储带轮则不断输送掩膜带，同时掩膜带在收带轮、张紧轮和储带轮的共同作用下始终处于张紧状态。工件阳极和工具阴极因受掩膜带与它们各自间的摩擦力作用而做同步匀速运动（无滑移的转动或者直线运动），同时喷液嘴向掩膜带与工件阳极间的接触处高速喷射电解液，电解液在运动掩膜带的携带作用下进入加工间隙（工件阳极与工具阴极间的间隙）。此时，工件阳极表层材料在电解液与电场等的综合作用下不断地被选择性去除，而且加工后残留的电解液被喷气嘴吹散进而避免工件阳极的二次电解刻蚀。随着掩膜带的不断单向运动，工件阳极随之运动，其表面连续地被掩膜电解加工形成微纳结构，直到工件阳极的所有表面都被加工。
与现有技术相比，本发明的突出优点如下。
1、适用性强，应用范围广。该装置不但能够一次性在圆柱体类工件外表面或圆筒体类工件内外表面加工出无接缝的高一致性的微纳结构，而且还适合平面型工件，在适当辅助工装作用下也可用于非圆曲面工件的加工。此外，可用于同一类型而尺寸大小不同的工件。
2、工艺稳定性高。采用该装置，加工过程的电解产物可被转动的工件表面及时远离加工间隙，消除了副产物堆积、传质受限等严重降低工艺稳定性的现象，传质环境好，工艺稳定大幅提高。
3、能制备出加工精度高和表面质量好的微纳结构。采用该装置，不但传质环境好，而且近无杂散电流，加工定域性好，能制备出高精度和高表面质量的微纳结构。这是因为，该装置除了传质效率高外，而且，喷射向加工间隙的电解液也能被转动的工件表面及时远离加工间隙，避免堆积在非加工区，大幅度减薄了覆盖在工件表面的液膜厚度，进而显著减小杂散电流。这对提高加工定域性（加工精度）、微纳结构的形状尺寸一致性和表面质量极其有利。
4、加工效率高。该装置不但能形成良好的传质环境，且传质效率高。这为施加更大的电流密度进行电解加工奠定了基础条件，进而可获得更高的材料溶解速度和加工效率。
附图说明
图1为带式活动掩膜电解加工原理图。
图2为本发明在圆柱体状工件阳极外表面的加工原理图。
图3为本发明中工件阳极表面上掩膜带包角的放大图。
图4为本发明在圆筒状工件阳极内表面的加工原理图。
图5为本发明在板状工件阳极的加工原理图。
图6为本发明在圆柱体状工件外表面的加工实物图。
图7为本发明在圆筒状工件内表面的加工实物图。
图8为本发明在板状工件的加工实物图。
图9为本发明在工件表面加工的微纳米复合结构图。
图中标号名称：1、工具阴极；2、掩膜带；3、储带轮； 4、喷液嘴；5、工件阳极；6、驱动源；7、收带轮；8、电解电源；9、托辊；9-1、托辊Ⅰ；9-2、托辊Ⅱ；9-3、托辊Ⅲ；9-4、托辊Ⅳ；9-5、托辊Ⅴ；9-6、托辊Ⅵ；9-7、托辊Ⅶ；9-8、托辊Ⅷ；10、张紧轮；11、相切点Ⅰ；12、相切点Ⅱ；13、喷气嘴。
具体实施方式
下面结合图2至图9对本发明的实施做进一步的详细说明：一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，包括喷液嘴4、电解电源8、工件阳极5、工具阴极1、喷气嘴13，其特征是：它还包括掩膜带2、储带轮3、收带轮7、驱动源6、托辊9和张紧轮10；所述的储带轮3、张紧轮10和收带轮7都呈圆柱体状；所述的掩膜带2的一端缠绕在收带轮7上，另一端缠绕在储带轮3上；所述的收带轮7与驱动源6连接，并在驱动源6的驱动下可做顺时针转动；所述的储带轮3和张紧轮10可绕自身的旋转中心轴转动；所述的工具阴极1呈圆柱体状；所述的掩膜带2紧密压贴于工具阴极1的下表面，并形成包角θ；所述的工件阳极5可旋转地或可移动地安设于工具阴极1的正下方，并于掩膜带2的另一面紧密接触；所述的工具阴极1的旋转中心轴线与圆柱状工件阳极5的旋转中心轴线平行或与平面状工件阳极5的加工面平行；所述的工件阳极5安设于托辊9上；所述的托辊9可绕自身的旋转中心轴转动；所述的喷液嘴4安设于掩膜带2的左下方，且喷液嘴4从工件阳极5左侧指向掩膜带2与工件阳极5间的接触处；所述的喷气嘴13安设于掩膜带2的右下方，且喷气嘴13从工件阳极5右侧指向掩膜带2与工件阳极5间的接触处。
电解电源8的正极和负极分别与所述的工件阳极5和工具阴极1相连接。
掩膜带2的厚度为 0.1mm，宽度为70mm。
工具阴极1的直径为20mm，长度为80mm。
掩膜带2在收带轮7、工具阴极1、张紧轮10和储带轮3的共同作用下始终处于张紧状态。
工具阴极1、工件阳极5和掩膜带2三者接触处的切向速度相等。
收带轮7、张紧轮10、储带轮3和托辊9的材质均为尼龙材料，它们的直径分别为30mm、20mm、20mm和30mm。
掩膜带2在工具阴极1上的包角θ为120°。
电解液选用质量分数为10% 的NaNO3溶液，电解液温度为35℃。
涉及本发明的第一实施方式的电解加工装置，其用于在圆柱体状工件阳极5的外表面上加工阵列微坑。
工件阳极5的形状为圆柱体状，直径50mm，长度60mm。
工具阴极1的旋转中心轴线与工件阳极5的旋转中心轴平行线且位于同一竖直面。
掩膜带2为表面被加工出大量通孔结构的聚氯乙烯薄膜。
掩膜带2上的通孔形状为圆形，其孔径为0.3mm、孔间距为1.5mm。
加工电压为9.5V，工件旋转速度为0.48r/min。
如图2和图3所示，使用此装置在圆柱体状工件阳极5的外表面加工时，首先将掩膜带2的一端缠绕在收带轮7上、另一端缠绕在储带轮3上，然后将掩膜带2紧密压贴在工具阴极1表面上并形成120°的包角，再共同压贴于安放在托辊9上工件阳极5正上方的外表面；打开驱动源6，带动收带轮7持续回收掩膜带2，储带轮3不断输送掩膜带2，调整张紧轮10的位置以保障掩膜带2始终处于张紧状态；再打开喷液嘴4，向掩膜带2与工件阳极5间的接触处高速喷射电解液，电解液在掩膜带2的携带作用下进入加工间隙；然后再打开喷气嘴13，从工件阳极5右侧向掩膜带2与工件阳极5间的接触处喷射气体，将非加工区域的电解液吹散进而避免二次刻蚀；最后打开电解电源8，随着掩膜带2的不断单向运动，工件阳极5随之旋转，其表面被连续加工形成微结构，直到工件阳极5的圆柱表面都被加工后关闭所有电源。
加工后的工件阳极5如图6所示，制备的微坑边界未见杂散腐蚀现象，微坑表面光整，表面粗糙度Ra范围为 0.49μm ~ 0.65μm，阵列微坑的直径平均值及刻蚀深度分别为530.75μm 和 89.95μm，其 CV 值分别小至 3.22%和3.94%，微坑几何形状一致性高（CV值是尺寸标准差与尺寸均值的比值，常用于评价阵列微结构的尺寸一致性的高低）。
此外，本发明的第二实施方式的电解加工装置，其用于在圆筒状工件阳极5的内表面上加工阵列微凹坑。
工件阳极5的形状为圆筒状，外径63mm，内径61mm，长度60mm。
工具阴极1的旋转中心轴线与工件阳极5的旋转中心轴线平行且位于同一竖直面。
掩膜带2为具有渗液功能的电绝缘尼龙网，采用平纹编织法制成。
掩膜带2的目数为80目，丝径为0.1mm，通孔边长为0.18mm。
加工电压为11V，工件旋转速度为1.2r/min。
如图4所示，使用此装置在圆筒体工件阳极5的内表面加工时，首先将掩膜带2的一端缠绕在收带轮7上、另一端缠绕在储带轮3上，然后将掩膜带2紧密压贴在工具阴极1表面上并形成120°的包角，再共同压贴于安放在托辊9上工件阳极5的内表面；打开驱动源6，带动收带轮7持续回收掩膜带2，储带轮3不断输送掩膜带2，掩膜带2带动工件阳极5旋转；再打开喷液嘴4，向掩膜带2与工件阳极5间的接触处高速喷射电解液，电解液在掩膜带2的携带作用下进入加工间隙；然后再打开喷气嘴13，从工件阳极5右侧向掩膜带2与工件阳极5间的接触处喷射气体，将非加工区域的电解液吹散进而避免二次刻蚀；最后打开电解电源8，随着掩膜带2的不断单向运动，工件阳极5持续旋转，其表面被连续加工形成微结构，直到工件阳极5的内表面均被加工后关闭所有电源。
加工后的工件阳极5如图7所示，工件表面加工出排布密集的阵列微凹坑，它们的直径平均值及刻蚀深度分别为 219.25μm 和 17.54μm，其 CV 值分别小至 4.52%和5.64%，微凹坑几何形状一致性高。
还有，本发明的第三实施方式的电解加工装置，其用于在板状工件阳极5上加工阵列微通孔。
工件阳极5的形状为板状，厚度为0.05mm，长度为200mm，宽度为40mm。
工具阴极1的旋转中心轴与工件阳极5的加工面平行。
掩膜带2为表面被加工出大量通孔结构的聚氯乙烯薄膜。
掩膜带2上的通孔形状为圆形，其孔径为0.3mm，孔间距为1.5mm。
加工电压为11V，工件旋转速度为0.96r/min。
如图5所示，使用此装置在板状工件阳极5的表面进行加工时，首先将掩膜带2的一端缠绕在收带轮7上、另一端缠绕在储带轮3上，然后将掩膜带2紧密压贴在工具阴极1表面上并形成120°的包角，再共同紧密压贴于安放在托辊9上的工件阳极5；打开驱动源6，带动收带轮7持续回收掩膜带2，储带轮3不断输送掩膜带2，掩膜带2带动工具阴极1旋转、工件阳极5移动；再打开喷液嘴4，向掩膜带2与工件阳极5间的接触处高速喷射电解液，电解液在掩膜带2的携带作用下进入加工间隙；然后再打开喷气嘴13，从工件阳极5右侧向掩膜带2与工件阳极5间的接触处喷射气体，将非加工区域的电解液吹散进而避免二次刻蚀；最后打开电解电源8，随着掩膜带2的不断单向运动，工件阳极5在托辊9上持续移动，其表面被连续加工形成微结构，直到工件阳极5的表面均被加工后关闭所有电源。
加工后的工件阳极5如图8所示，阵列微通孔都呈现圆孔状，孔边界未见倒圆和倒角现象，也未见杂散腐蚀现象，所得阵列微通孔的平均孔径及其 CV 值分别为 569.02μm和 2.53%，通孔出入口直径的差值百分比的范围为 1.06% ~ 3.47%，微通孔几何形状一致性高。
此外，本发明的第四实施方式的电解加工装置，其用于在圆筒状工件阳极5的外表面加工微纳米二元复合结构。
工件阳极5的形状为圆筒状，外径63mm，内径61mm，长度60mm。
工具阴极1的旋转中心轴线与工件阳极5的旋转中心轴线平行且位于同一竖直面。
掩膜带2为具有渗液功能的电绝缘尼龙网，采用平纹编织法制成。
掩膜带2的目数为80目，丝径为0.1mm，通孔边长为0.18mm。
加工电压为11V，工件旋转速度为1.2r/min。
如图2所示，使用此装置在圆筒体工件阳极5的外表面加工时，首先将掩膜带2的一端缠绕在收带轮7上、另一端缠绕在储带轮3上，然后将掩膜带2紧密压贴在工具阴极1表面上并形成120°的包角，再共同压贴于安放在托辊9上工件阳极5正上方的外表面；打开驱动源6，带动收带轮7持续回收掩膜带2，储带轮3不断输送掩膜带2，调整张紧轮10的位置以保障掩膜带2始终处于张紧状态；再打开喷液嘴4，向掩膜带2与工件阳极5间的接触处高速喷射电解液，电解液在掩膜带2的携带作用下进入加工间隙；然后再打开喷气嘴13，从工件阳极5右侧向掩膜带2与工件阳极5间的接触处喷射气体，将非加工区域的电解液吹散进而避免二次刻蚀；最后打开电解电源8，随着掩膜带2的不断单向运动，工件阳极5随之旋转，其表面被连续加工形成微结构，在工件阳极5的圆柱表面均被重复加工4次后关闭所有电源。
加工后的工件阳极5如图9所示，工件表面布满了非规则排列的微米级孔洞(直径大小为10μm ~ 30μm)和突起结构(尺寸大小为4μm ~ 20μm)，同时突起结构表面又布满纳米级凹坑结构，它们共同构建出微纳米二元复合粗糙结构。

Claims (10)

1.一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，包括喷液嘴（4）、电解电源（8）、工件阳极（5）、工具阴极（1）、喷气嘴（13），其特征是：它还包括掩膜带（2）、储带轮（3）、收带轮（7）、驱动源（6）、托辊（9）和张紧轮（10）；所述的储带轮（3）、张紧轮（10）和收带轮（7）都呈圆柱体状；所述的掩膜带（2）的一端缠绕在收带轮（7）上，另一端缠绕在储带轮（3）上；所述的收带轮（7）与驱动源（6）连接，并在驱动源（6）的驱动下可做顺时针转动；所述的储带轮（3）和张紧轮（10）可绕自身的旋转中心轴转动；所述的工具阴极（1）呈圆柱体状；所述的掩膜带（2）紧密压贴于工具阴极（1）的下表面，并形成包角θ；所述的工件阳极（5）可旋转地或可移动地安设于工具阴极（1）的正下方，并与掩膜带（2）的另一面紧密接触；所述的工具阴极（1）的旋转中心轴线与圆柱状工件阳极（5）的旋转中心轴线平行或与平面状工件阳极（5）的加工面平行；所述的工件阳极（5）安设于托辊（9）上；所述的托辊（9）可绕自身的旋转中心轴转动；所述的喷液嘴（4）安设于掩膜带（2）的左下方，且喷液嘴（4）从工件阳极（5）左侧指向掩膜带（2）与工件阳极（5）间的接触处；所述的喷气嘴（13）安设于掩膜带（2）的右下方，且喷气嘴（13）从工件阳极（5）右侧指向掩膜带（2）与工件阳极（5）间的接触处。
2.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的电解电源（8）的正极和负极分别与所述的工件阳极（5）和工具阴极（1）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的掩膜带（2）的厚度为 0.05mm ~ 0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的掩膜带（2）在收带轮（7）、工具阴极（1）、张紧轮（10）和储带轮（3）的共同作用下始终处于张紧状态。
5.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的工具阴极（1）、工件阳极（5）和掩膜带（2）三者接触处的切向速度相等。
6.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的收带轮（7）、张紧轮（10）、储带轮（3）的材质和托辊（9）均为不吸水的电绝缘高分子材料。
7.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的掩膜带（2）在工具阴极（1）上的包角θ为30°~ 180°。
8.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的工件阳极（5）的形状可为圆柱体状、圆筒状、板状或带状。
9.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的驱动源（6）的输出转速可调。
10.根据权利要求1所述的一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，其特征在于：所述的掩膜带（2）为含有大量通孔结构的电绝缘高分子薄膜或具有渗液功能的电绝缘纺织布。
CN202011162434.3A 2020-10-27 2020-10-27 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置 Active CN112404618B (zh)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011162434.3A CN112404618B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置
LU501132A LU501132B1 (en) 2020-10-27 2020-11-23 Apparatus for continuous-mask electrolysis processing of metal microstructure
PCT/CN2020/130926 WO2021212825A1 (zh) 2020-10-27 2020-11-23 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置
US18/199,518 US20230292387A1 (en) 2020-10-27 2023-05-19 Method and device for jointly serving user equipment by wireless access network nodes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011162434.3A CN112404618B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112404618A CN112404618A (zh) 2021-02-26
CN112404618B true CN112404618B (zh) 2022-03-11

Family

ID=74840652

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011162434.3A Active CN112404618B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230292387A1 (zh)
CN (1) CN112404618B (zh)
LU (1) LU501132B1 (zh)
WO (1) WO2021212825A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113106533B (zh) * 2021-04-06 2022-02-18 南京航空航天大学 一种金属电加热丝的扁平射流电解刻蚀装置及方法
CN113369607B (zh) * 2021-06-09 2022-06-28 河南理工大学 一种同步实现圆筒工件内表面和圆柱工件外表面微结构的电解加工装置
CN113385756B (zh) * 2021-06-18 2022-07-05 河南理工大学 一种用于加工圆柱体表面微结构的装置
CN114515874B (zh) * 2022-03-25 2023-05-26 燕山大学 一种移动掩膜微细电解加工装置及方法
CN114686961B (zh) * 2022-04-21 2023-06-02 河南理工大学 一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法
CN115255525B (zh) * 2022-08-12 2024-06-18 南京农业大学 一种表面微结构多功能射流掩膜电解加工方法及实现装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103084677B (zh) * 2013-01-16 2014-09-17 河南理工大学 一种用于在薄壁圆筒上电解加工双面喇叭孔阵列的装置
CN103433579B (zh) * 2013-09-12 2015-11-11 安徽工业大学 一种套筒类零件内表面微凸起的电解加工方法
CN105127524B (zh) * 2015-09-02 2020-05-01 广东工业大学 一种线型电极曲面电解放电加工系统及方法
CN107214387B (zh) * 2017-06-29 2023-09-12 浙江工业大学 径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法及装置
CN110449673B (zh) * 2019-07-25 2020-10-09 河南理工大学 一种带式活动掩膜电解加工微织构的装置
CN111112764A (zh) * 2019-12-26 2020-05-08 广东工业大学 一种脉冲气辅助掩模电解加工装置及方法
CN111168169B (zh) * 2020-01-10 2021-03-16 安徽工业大学 电解阴极、阴极加工方法、含该阴极的电解系统及系统使用方法
CN211759024U (zh) * 2020-02-27 2020-10-27 河南理工大学 一种用于带式活动掩膜电解加工平面状工件的装置

Also Published As

Publication number Publication date
LU501132B1 (en) 2022-05-03
LU501132A1 (en) 2022-04-27
US20230292387A1 (en) 2023-09-14
WO2021212825A1 (zh) 2021-10-28
CN112404618A (zh) 2021-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112404618B (zh) 一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置
Kunieda et al. Electrochemical micromachining using flat electrolyte jet
EP0607894B1 (en) Shaped-tube electrolytic polishing process
CA2044581C (en) An electro-abrasive polishing process of the inner surface of pipes to extra-smooth mirror finish
EP1954462A2 (en) Microstructured embossing drum and articles made therefrom
WO2006033758A2 (en) Electrochemical machining tool and method for machining a product using the same
CN1958206A (zh) 蜂窝状微坑结构电解加工方法
CN113369607B (zh) 一种同步实现圆筒工件内表面和圆柱工件外表面微结构的电解加工装置
CN101683722B (zh) 一种激光切割金属印刷模板的抛光方法
KR19990064747A (ko) Ｎｉ-Ｆｅ 합금 박판 제조방법 및 그 장치
CN211759024U (zh) 一种用于带式活动掩膜电解加工平面状工件的装置
CN110449673B (zh) 一种带式活动掩膜电解加工微织构的装置
CN111168175B (zh) 电解磨削阴极、阴极加工方法、含该阴极的电解磨削系统及使用方法
Liu et al. Tooling aspects of micro electrochemical machining (ECM) technology: design, functionality, and fabrication routes
CN113385756B (zh) 一种用于加工圆柱体表面微结构的装置
KR101253268B1 (ko) 전주 마스터 및 이의 제조방법
TWI594826B (zh) 複合式微放電研磨加工機台
CN113369608B (zh) 一种在金属表面同步制备微织构和微织化微坑的方法
Zhang et al. Improvement in machining accuracy of micro-dimples fabricated in a sandwich-like electrochemical micromachining unit using a porous cathode
CN207154944U (zh) 一种工具电极自动补偿的放电铣削加工装置
CN115160626A (zh) 一种超疏水聚合物材料及其制备方法及装置
RU2472874C1 (ru) Ручной инструмент-электрод для электрохимического полирования металлов
Kunar et al. Effect of various masked patterned tools during micro-electrochemical texturing
CN111168172A (zh) 侧流式活动模板电解磨削复合加工方法及装置
JP4333037B2 (ja) 放電表面処理方法及び装置並びに放電表面処理用電極

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant