CN112975011A - 一种高定域性微沟槽电解加工装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微沟槽电解加工技术领域，具体涉及一种高定域性微沟槽电解加工装置，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷头、软管以及阴极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷头、软管以及阴极材料通过三通转接头进行连接并相连通，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷头的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。本发明的高定域性微沟槽电解加工装置，无需掩膜，利用高密度不溶性绝缘液体的实时约束可实现高定域性微沟槽的电解加工，从而提升微沟槽电解加工的灵活性和精度。

Description

一种高定域性微沟槽电解加工装置及方法
技术领域
本发明涉及微沟槽电解加工技术领域，具体涉及一种高定域性微沟槽电解加工装置及方法。
背景技术
随着科学技术的进步发展，人们对于微观世界的研究进一步深入。各种各样的毫米微米乃至纳米级别微尺寸微结构零部件在国防军事、航空航天、新能源、新材料、生物医学、半导体器件等领域发挥出越来越重要的作用。实现微尺度微结构零部件的微细加工是目前制造业所关注的一个重要发展方向。
微沟槽这种典型微结构有很广的应用范围：在微型燃料电池双极板、微流体器件如微流控芯片，微反应器或微换热器中，都有大量复杂形状的微沟槽结构。如何实现这些微沟槽结构的高效高质量低成本加工制造成为微细加工研究领域所面临的挑战。
目前在微沟槽加工领域主要有微细机械切削加工、微细激光加工、微细电火花加工以及微细电解加工等加工方式。微细切削加工技术具有高效、柔性、自动化程度高、加工材料不受限制等优点，但由于微细切削加工利用机械力作用去除材料，不可避免地伴随着刀具与工件的摩擦生热及工件的残余应力；其次，由于微细切削加工的精度较高，对机床的控制、检测系统及微细刀具的制造等均提出较高要求。激光加工在微细加工领域里具备高效率、高定域性、高精度、加工控制性强等特点，但其产生微裂纹、热影响层和再铸层的加工缺陷限制了其部分领域的应用。中国专利CN111958069A公开了一种电火花磨削加工表面微沟槽的方法及其装置，通过电火花加工的方式进行微沟槽的加工，但是电火花加工要在线制备刀具即微细加工电极，零件的尺寸不同，所需制备的电极直径也不同，同时电火花加工过程中微细电极损耗极其严重，必须考虑如何实时进行补偿，操作起来十分麻烦。
发明内容
为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种高定域性微沟槽电解加工装置及方法，无需掩膜即可实现不同形状微沟槽的高定域性加工，从而提高微沟槽电解加工的灵活性和加工精度。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种高定域性微沟槽电解加工装置，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷头、软管以及阴极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷头、软管以及阴极材料通过三通转接头进行连接并相连通，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷头的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。
进一步的，所述喷头的材料为石英。
进一步的，所述喷头出液口的内径为10μm-200μm。
进一步的，所述阴极材料为导电性良好的材料，例如铜等。
进一步的，所述阴极材料的尖端与所述喷头出液口的距离小于5mm。
进一步的，所述液池采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
一种高定域性微沟槽电解加工方法，包括以下步骤：
S1、工件为导电性良好的金属材料，加工前对表面进行处理，去除工件表面的氧化物和油脂；
S2、将液池放置在底座上，将工件水平固定于液池底部，并将工件完全浸没于高密度不溶性绝缘液体中；
S3、通过三自由度运动机构，将喷头移动到工件的上方，调整它们之间的距离；
S4、将工件和阴极分别与电源正负极相连；
S5、接通电源，通过注射泵向软管内注入电解液，电解液通过三通转接头和喷头到达工件表面；
S6、控制电解液的挤出速度和喷头的运动轨迹进行微沟槽电解加工。
进一步的，所设定的电解加工温度为室温。
进一步的，在步骤S4中，所设定的电压为10-20V。
进一步的，在步骤S3中，喷头出液口与工件的距离为50μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
在加工时将工件浸没于高密度不溶性绝缘液体中，高密度不溶性绝缘液体不导电，不溶于水且密度比水大，在电解液表面张力和高密度不溶性绝缘液体的共同作用下，从喷头中挤出的电解液被高密度不溶性绝缘液体约束在喷头正下方，与工件形成一个小的反应池，进行电解加工。高密度不溶性绝缘液体限制了反应池的进一步扩大，从而提高了电解加工的定域性；随着新的电解液不断挤出，多余的电解液被挤向喷头周围，在浮力的作用飘向高密度不溶性绝缘液体表面，不会积聚在工件表面，减小电解液对非加工区域的杂散腐蚀进而保证电解加工的定域性。另一方面，反应池被约束在喷头出液口附近的一小块区域，可以随着喷头在XYZ方向上任意移动，实现不同形状微沟槽的高定域性加工，灵活性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种高定域性微沟槽电解加工装置的结构示意图；
图2为本发明的一种高定域性微沟槽电解加工装置的喷头部分的结构示意图；
图3为本发明的一种高定域性微沟槽电解加工方法的加工过程的示意图。
其中：1、阴极材料；2、三通转接头；3、软管；4、电源；5、电解液；6、喷头；7、反应后的电解液；8、高密度不溶性绝缘液体；9、三自由度运动机构；10、夹具；11、螺钉；12、螺母；13、液池；14、工件；15、微沟槽；16、底座。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明实施例包括：
如图1-2所示，一种高定域性微沟槽电解加工装置，包括底座16、三自由度运动机构9、液池13、夹具10、喷头6、软管3以及阴极材料1；三自由度运动机构9设置在底座16上，喷头6、软管3以及阴极材料1通过三通转接头2进行连接并相连通，三通转接头2通过夹具10与三自由度运动机构9连接，液池13设置在底座16上且位于喷头6的下方，液池13内部装有高密度不溶性绝缘液体8。
在本实施例中，喷头6的材料为石英。
在本实施例中，喷头6出液口的内径为10μm-200μm。
在本实施例中，阴极材料1为导电性良好的铜等金属材料。
在本实施例中，阴极材料1的尖端与喷头6出液口的距离小于5mm。
在本实施例中，液池13采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
如图3所示，一种高定域性微沟槽电解加工方法，包括以下步骤：
S1、工件14为导电性良好的金属材料，加工前对表面进行处理，去除工件14表面的氧化物和油脂；
S2、将液池13放置在底座16上，将工件14水平固定于液池13底部，并将工件14完全浸没于高密度不溶性绝缘液体8中；
S3、通过三自由度运动机构9，将喷头6移动到工件14的上方，调整它们之间的距离；
S4、将工件14和阴极1分别与电源4正负极相连；
S5、接通电源4，通过注射泵向软管3内注入电解液5，电解液5通过三通转接头2和喷头6到达工件14表面；喷头6中挤出的电解液5被高密度不溶性绝缘液体8约束在喷头6正下方，在电解液5表面张力和高密度不溶性绝缘液体8的约束的共同作用下，与工件14形成一个小的反应池，实现微沟槽15的加工，随着新的电解液5挤出来，先前挤出来的电解液5反应后被挤出喷头6下方，在浮力的作用下反应后的电解液5飘向高密度不溶性绝缘液体8表面，不会残留在工件14上，减小对工件14的杂散腐蚀；
S6、控制电解液5的挤出速度和喷头6的运动轨迹进行微沟槽15电解加工，当微沟槽15结构到达设计要求后，关闭电源4和电解液5，移开喷头6，将工件14从高密度不溶性绝缘液体8中取出，清洗干净，完成加工。
加工中采用的高密度不溶性绝缘液体8不导电，不溶于水且密度比水大，不会腐蚀工件14，该液体成分不固定，只要满足上述所提到的条件即可。
电解加工过程中，阴极不溶解，无损耗，可采用铜等导电性良好的金属材料。
在本实施例中，所设定的电解加工温度为室温。
在本实施例中，在步骤S4中，所设定的电压为10-20V。
在本实施例中，在步骤S3中，喷头6出液口与工件14的距离为50μm。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，包括底座、三自由度运动机构、液池、夹具、喷头、软管以及阴极材料；所述三自由度运动机构设置在所述底座上，所述喷头、软管以及阴极材料通过三通转接头进行连接并相连通，所述三通转接头通过所述夹具与所述三自由度运动机构连接，所述液池设置在所述底座上且位于所述喷头的下方，所述液池内部装有高密度不溶性绝缘液体。
2.根据权利要求1所述的高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，所述喷头的材料为石英。
3.根据权利要求2所述的高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，所述喷头出液口的内径为10μm-200μm。
4.根据权利要求3所述的高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，所述阴极材料为导电性良好的材料。
5.根据权利要求4所述的高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，所述阴极材料的尖端与所述喷头出液口的距离小于5mm。
6.根据权利要求5所述的高定域性微沟槽电解加工装置，其特征在于，所述液池采用耐腐蚀的透明材料制作而成。
7.一种高定域性微沟槽电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、工件为导电性良好的金属材料，加工前对表面进行处理，去除工件表面的氧化物和油脂；
S2、将液池放置在底座上，将工件水平固定于液池底部，并将工件完全浸没于高密度不溶性绝缘液体中；
S3、通过三自由度运动机构，将喷头移动到工件的上方，调整它们之间的距离；
S4、将工件和阴极分别与电源正负极相连；
S5、接通电源，通过注射泵向软管内注入电解液，电解液通过三通转接头和喷头到达工件表面；
S6、控制电解液的挤出速度和喷头的运动轨迹进行微沟槽电解加工。
8.根据权利要求7所述的高定域性微沟槽电解加工方法，其特征在于，所设定的电解加工温度为室温。
9.根据权利要求8所述的高定域性微沟槽电解加工方法，其特征在于，在步骤S4中，所设定的电压为10-20V。
10.根据权利要求9所述的高定域性微沟槽电解加工方法，其特征在于，在步骤S3中，喷头出液口与工件的距离为50μm。
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