CN112935433A - 金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统及方法，属于电解加工技术领域，包括电解电源、层叠辊式电极、与所述层叠辊式电极连接的电极驱动组件、电解液循环组件。本发明有效提高了微细群沟槽的加工效率；通过采用层叠辊式电极，形成了多个独立的微小流道加工区域，从而可根据实际需要进行各自调控，不影响其它区域的加工效果；其导电层的两侧是绝缘层，且绝缘层紧贴工件，有效抑制非加工区的材料去除，减小非加工区的二次加工、杂散腐蚀等加工缺陷；实现更小沟槽宽度、更低杂散腐蚀的高精度加工；并且电极制作简单、寿命长，使用该电极对加工环境要求低，能实现多次重复使用，无需更换。
Description
技术领域
本发明涉及电解加工技术领域，具体涉及金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统及方法。
背景技术
表面微细沟槽结构使零部件在传热特性、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比光滑表面更为优异的特点，应用潜力巨大，如质子交换膜燃料电池的核心部件双极板、传热管、微流控芯片、活塞环和冷却器等。然而，对于微细沟槽结构的加工，尤其在难加工的材料上，如在高温合金、钛合金以及不锈钢材质上制造微结构，是制造业的难题。
目前，微细沟槽结构的加工方法主要有以下几种：机械微细切削加工、激光加工、电火花线切割加工和电解加工等。机械微细切削加工存在宏观作用力，以及使板材变形，导致加工困难，激光加工和电火花线切割加工是利用热能蚀除工件，金属板带材受热易变形，且激光加工对微细沟槽的精度控制能力差，电火花线切割加工效率低，电极有损耗。近年来，电解加工由于其以离子形式对材料进行去除的特点，且加工中无宏观作用力的作用，加工后材料表面光滑、无热影响区等，在微细沟槽加工中得到广泛应用。
但现有的电解加工电极结构复杂、制造困难，且加工系统较为复杂、效率低、性能差。为此，提出金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的电解加工电极存在的结构复杂、制造困难等问题，提供了金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，本系统在多个独立的电场和多个独立的流场作用下，能够在带状工件上加工出预设计的微小沟槽，具有效率高、质量好、成本低和操作简单的优势。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括电解电源、至少一个层叠辊式电极、与所述层叠辊式电极连接的驱动组件、电解液循环组件，所述层叠辊式电极包括多个导电层与多个绝缘层，所述绝缘层的外径大于所述导电层的外径，所述驱动组件包括驱动电机与传动轴，多个所述导电层与多个所述绝缘层呈交替间隔设置在所述传动轴上，所述驱动电机与所述传动轴连接，所述电解液循环组件包括多个电解液喷头、电解液槽，所述电解液喷头与所述电解液槽连接，电解加工时多个所述电解液喷头喷射电解液流入所述导电层、所述绝缘层与工件之间形成的各独立微小通道中，各所述绝缘层均与工件紧贴，各所述导电层分别与所述电解电源的负极连接，工件与所述电解电源的正极连接。
更进一步地，所述层叠辊式电极的数量为两个，分别设置在工件的两侧。
更进一步地，所述电解加工系统还包括工件驱动组件，所述工件驱动组件包括工件驱动辊与工件张紧辊，工件分别与所述工件驱动辊、所述工件张紧辊连接。
更进一步地，所述电解加工系统还包括机架，所述传动轴与所述机架转动连接。
更进一步地，所述电解加工系统还包括辊式电极调整组件，所述辊式电极调整组件设置在所述机架上，通过所述辊式电极调整组件调节所述层叠辊式电极对工件的压力大小。
更进一步地，所述电解电源与各所述导电层之间均设置有独立可调大小的电子负载，所述导电层通过所述电子负载与所述电解电源的负极连接。
更进一步地，所述电解液循环组件还包括回流管道，所述回流管道与所述电解液槽连通，电解加工后的电解液由所述回流管道流入所述电解液槽。
更进一步地，所述导电层的厚度为20μm～8mm。
更进一步地，所述绝缘层的厚度大于250μm。
本发明提供了利用上述电解加工系统加工金属板带的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工方法，包括以下步骤：
S1：制作由导电层和绝缘层组成的层叠辊式电极，其中导电层与绝缘层呈交替间隔布置；
S2：将制作好的一对层叠辊式电极相向布置，工件置于两个层叠辊式电极之间，通过辊式电极调整组件使两层叠辊式电极紧贴工件；
S3：将工件、各导电层经电子负载分别电性连接电解电源的正、负极；
S4：接通电解电源，调节电子负载，设置好加工参数后，在工件驱动辊和驱动电机作用下，实现层叠辊式电极在工件接触处的切向速度与工件的进给速度相同，在电解加工中电解液流入导电层、绝缘层与工件之间形成的独立微小通道加工区域，工件两侧被加工出所需微细群沟槽。
本发明相比现有技术具有以下优点：该金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统及方法，有效提高了微细群沟槽的加工效率；采用的层叠辊式电极由多层导电层和多层绝缘层间隔交替组成，形成了多个独立的微小流道、独立的导电层、独立的加工区域，从而可根据实际需要进行各自调控，不影响其它区域的加工效果；采用的层叠辊式电极，其导电层的两侧是绝缘层，且绝缘层紧贴工件，有效抑制非加工区的材料去除，减小非加工区的二次加工、杂散腐蚀等加工缺陷；从而实现更小沟槽宽度、更低杂散腐蚀的高精度加工；采用的层叠辊式电极制作简单、寿命长，使用该电极对加工环境要求低，能实现多次重复使用，无需更换，值得被推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例一/二中金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统示意图；
图2为图1中A-A向剖视图；
图3为图2中B-B向剖视图；
图4为本发明实施例三中两层叠辊式电极错位布置加工示意图；
图5为本发明实施例四中层叠辊式电极加工时导电层厚度方向工件表面电流密度分布图；
图6为本发明实施例四中叠辊式电极加工时导电层直径方向工件表面电流密度分布图。
图1～4中：
1、导电层；2、绝缘层；3、层叠辊式电极；4、传动轴；5、螺母；6、工件；7、电解液喷头；8、电解液槽；9、离心泵；10、溢流阀；11、节流阀；12、隔板；13、工件驱动辊；14、工件张紧辊；15、电子负载；16、电解电源；17、低速电机；18、联结轴；19、机架；20、辊式电极调整装置。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1～3所示，本实施例的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，包括低速电机17、联结轴18、层叠辊式电极3、机架19、辊式电极调整装置20、工件驱动辊13、工件张紧辊14、电解液循环装置、电子负载15和电解电源16。
所述层叠辊式电极3包括多层的导电层1和设置在所述导电层1两侧的绝缘层2，所述导电层1与所述绝缘层2呈交替间隔布置，所述导电层1的直径小于所述绝缘层2直径，各所述导电层1的加工端面平行；所述电解液循环装置包括电解液喷头7、电解液槽8、离心泵9、溢流阀10、节流阀11和隔板12，电解液c在所述离心泵9的作用下，经所述节流阀11、所述电解液喷头7流入加工区域，并经回流管道流回所述电解液槽8中；工件6置于两个所述层叠辊式电极3之间，并与所述工件张紧辊14和所述工件驱动辊13相连，所述工件6、所述导电层1经所述电子负载15分别电性连接所述电解电源16的正、负极。
其中，所述导电层1的厚度在20μm至8mm之间。
所述层叠辊式电极3中各层导电层1厚度可以相等，或不相等。
所述导电层1材质为铝材和铜箔。
所述绝缘层2的厚度大于250μm。
所述层叠辊式电极3中绝缘层2厚度可以相等，或不相等。
所述绝缘层2材质为聚酯类。
所述导电层1外径小于绝缘层2外径，导电层1外径与绝缘层2外径差值范围为0.2～2mm。
多层所述导电层1与工件6的距离可以相等，或不相等，距离大小或有规律排布，或无规律排布。
所述电子负载15的大小可以独立调控。
需要说明的是，本实施例中低速电机17、联结轴18的数量均为两组，分别带动上下两个层叠辊式电极3转动。
本实施例还提供了金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工方法，具体步骤如下：
S1：制作由导电层1和绝缘层2组成的层叠辊式电极3，其中导电层1与绝缘层2呈交替间隔布置；
S2：将制作好的一对层叠辊式电极3相向布置，工件6置于两层叠辊式电极3之间，精准调控辊式电极调整装置20，使两层叠辊式电极3紧贴工件6并保持一定的压力；
S3：在电解加工中电解液c流入导电层1、绝缘层2与工件6之间形成的独立微小通道加工区域；
S4：工件6、各导电层1经电子负载15分别电性连接电解电源16的正、负极；
S5：接通电解电源16，调节电子负载15，设置好加工参数，在工件驱动辊13作用下，实现工件6进给b，同时层叠辊式电极3在低速电机17的作用下旋转a，其在工件6接触处的切向速度与工件6的进给速度相同(大小和方向均相同)，工件6两侧被加工出所需微细群沟槽。
实施例二
如图1～3所示，在本实施例中，层叠辊式电极3由多层圆盘形导电层1、多层圆盘形绝缘层2组成，且导电层1与绝缘层2呈交替间隔叠加制成层叠辊式电极3，将制成的层叠辊式电极3通过旋紧螺母5安装固定在传动轴4上，并使层叠辊式电极3设置在工件6的上下两侧，呈对称布置，工件6与工件驱动辊13、工件张紧辊14相连。
关闭溢流阀10，电解液槽8中电解液c在离心泵9的作用下，经节流阀11流入至电解液喷头7，向加工区域喷射电解液c，使电解液c通过绝缘层2、导电层1和工件6形成的微小流道流入加工区域，再回流到电解液槽8中，其中电解液槽8中有隔板12，隔板12可以过滤电解液c，若加工中止，可打开溢流阀10，关闭节流阀11。加工时，工件6在工件驱动辊13作用下实现进给b，将工件6送入两层叠辊式电极3之间，两层叠辊式电极3在辊式电极调整装置20的作用下紧贴工件6，各个导电层1经电子负载15与电解电源16负极相连，工件6与电解电源16正极相连，接通电解电源16，待加工一定深度后，在加工系统中的低速电机17作用下、其转速和转矩经联结轴18，传递给机架19中的层叠辊式电极3，层叠辊式电极3以一定速度旋转a，同时工件6沿层叠辊式电极3切线方向缓慢进给b，工件6被加工出群微凹槽结构。
实施例三
参考图4所示，在本实施例中，层叠辊式电极3由多层圆盘形导电层1、多层圆盘形绝缘层2组成，且导电层1与绝缘层2呈交替间隔叠加的层叠辊式电极3，将制成的层叠辊式电极3通过旋紧螺母5安装在传动轴4上，并使之布置在工件6的两侧，呈错位布置，加工工件6。
实施例四
如图5、图6所示，利用层叠辊式电极3进行加工，因受绝缘层2的分割影响，形成了各自独立的电场和流场，杜绝了彼此地电场相互影响，加工时，工件6表面上的电流密度值如图5所示，电子负载15电压值越小，工件6表面上的电流密度值越大，且在同一电压作用下，其电流密度值是相等的，故通过本发明的电解加工方法可在工件6表面加工成精度高、加工稳定性好的微细群沟槽。同时，其在层叠辊式电极3直径方向的加工区域的电流密度分布图如图6所示。在图6中可明显看出，层叠辊式电极3距离工件6表面越近的区域，工件6表面的电流密度越大，远离层叠辊式电极3工件表面的区域，工件6表面的电流密度越小。而且，随着层叠辊式电极3的曲率半径越大电流密度越小，因此，可以使用小曲率半径的层叠辊式电极3加工凹坑类的微小结构，使用大曲率半径的层叠辊式电极3加工沟槽类的微小结构。
综上所述，上述实施例的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统及方法，有效提高了微细群沟槽的加工效率，设置并调控金属板带(工件)的进给速度和层叠辊式电极的旋转速度，并使工件进给速度与层叠辊式电极与工件之间接触点的切向速度相同，等金属板带上沟槽加工至预定深度后，层叠辊式电极继续旋转，同时工件再进给，进行下一次加工成型，因而可以有效提高微细群沟槽的加工效率；采用的层叠辊式电极由多层导电层和多层绝缘层间隔交替组成，形成了多个独立的微小流道、独立的导电层和独立的加工区域，从而可根据实际需要进行各自调控，不影响其它区域的加工效果，因此，可在同一工件单面、两面一次加工出不同宽度、不同深度的微细群沟槽，拓宽了加工范围；采用的层叠辊式电极，其导电层的两侧是绝缘层，且绝缘层紧贴工件，有效抑制非加工区的材料去除，减小非加工区的二次加工、杂散腐蚀等加工缺陷；从而实现更小沟槽宽度、更低杂散腐蚀的高精度加工；采用的层叠辊式电极制作简单、寿命长，使用该电极对加工环境要求低，能实现多次重复使用，无需更换，值得被推广使用。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：包括电解电源、层叠辊式电极、与所述层叠辊式电极连接的电极驱动组件、电解液循环组件，所述层叠辊式电极包括多个导电层与多个绝缘层，所述绝缘层的外径大于所述导电层的外径，所述电极驱动组件包括驱动电机与传动轴，多个所述导电层与多个所述绝缘层呈交替间隔设置在所述传动轴上，所述驱动电机与所述传动轴连接，所述电解液循环组件包括多个电解液喷头、电解液槽，所述电解液喷头与所述电解液槽连接，电解加工时多个所述电解液喷头喷射电解液流入所述导电层、所述绝缘层与工件之间形成的各独立微小通道中，各所述绝缘层均与工件紧贴，各所述导电层分别与所述电解电源的负极连接，工件与所述电解电源的正极连接。
2.根据权利要求1所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述电解加工系统还包括工件驱动组件，所述工件驱动组件包括工件驱动辊与工件张紧辊，工件分别与所述工件驱动辊、所述工件张紧辊连接。
3.根据权利要求2所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述电解加工系统还包括机架，所述传动轴与所述机架转动连接。
4.根据权利要求3所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述电解加工系统还包括辊式电极调整组件，所述辊式电极调整组件设置在所述机架上。
5.根据权利要求4所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述电解电源与各所述导电层之间均设置有独立可调大小的电子负载，所述导电层通过所述电子负载与所述电解电源的负极连接。
6.根据权利要求1所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述电解液循环组件还包括回流管道，所述回流管道与所述电解液槽连通，电解加工后的电解液由所述回流管道流入所述电解液槽。
7.根据权利要求1所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述导电层的厚度为20μm～8mm。
8.根据权利要求1所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述绝缘层的厚度大于250μm。
9.根据权利要求4所述的金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工系统，其特征在于：所述层叠辊式电极的数量为两个，分别设置在工件的两侧。
10.金属板带微细群沟槽的层叠辊式电极电解加工方法，其特征在于，利用如权利要求1～9任一项所述的电解加工系统在金属板带上加工微细群沟槽，包括以下步骤：
S1：制作由导电层和绝缘层组成的层叠辊式电极，其中导电层与绝缘层呈交替间隔布置；
S2：将制作好的一对层叠辊式电极相向布置，工件置于两个层叠辊式电极之间，通过辊式电极调整组件使两层叠辊式电极紧贴工件；
S3：将工件、各导电层经电子负载分别电性连接电解电源的正、负极；
S4：接通电解电源，调节电子负载，设置好加工参数后，在工件驱动辊和驱动电机作用下，使层叠辊式电极在工件接触处的切向速度与工件的进给速度相同，电解加工中电解液流入导电层、绝缘层与工件之间形成的独立微小通道加工区域，工件两侧被加工出所需微细群沟槽。
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| CN113478032A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-08 | 中国航空制造技术研究院 | 一种大深宽比槽电解加工电极及加工方法 |
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| JPS6434611A (en) * | 1987-07-31 | 1989-02-06 | Kawasaki Steel Co | Continuous polishing method for metal strip |
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2021
- 2021-02-02 CN CN202110146015.9A patent/CN112935433A/zh active Pending
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