CN113369607A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，属于电解加工领域。该装置包括圆筒状工件Ⅰ、含有圆柱外表面的工件Ⅱ、滚轮阴极、阴极掩膜、辅助滚轮、保持架组件、导电轴承、电绝缘轴承、托辊Ⅰ、托辊Ⅱ、导电轴、电解液喷嘴和电源。工件Ⅰ放置于托辊Ⅰ和托辊Ⅱ上，工件Ⅱ安设于工件Ⅰ的内部并在外力作用下紧密压置于滚轮阴极和辅助滚轮上，托辊带动工件Ⅰ匀速旋转，阴极掩膜和辅助滚轮均始终与工件I和工件II紧密接触，在传递连续动力的同时也对工件表面进行连续加工。利用本发明可同步实现圆筒工件内表面和圆柱工件外表面微结构一次性整周加工，且加工过程稳定、高效，加工质量好，成本低。

Description

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

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，具体涉及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。

背景技术

传动产品常用到各式各样的转动联接。滑动轴承是优先选用的转动连接件之一。研究和应用表明，在转动副组件表面增设优化设计的微结构可有效改善摩擦特性、降低摩擦系数，从而减小磨损，提高使用寿命。

当前制备金属表面微细结构的主要方法有：高能束（如激光束、电子束等）加工、微机械加工、化学刻蚀、电化学刻蚀以及电沉积加工等。其中，掩膜电化学刻蚀由于其效率高、加工表面质量好、无裂纹、一次性批量成形等特点在制备金属表面微结构阵列方面优势显著。中国专利CN101791726A揭露了一种圆柱件外曲面有掩膜微结构的电解加工方法。该方法采用光刻技术使圆柱件外表面图案化或将柔性掩膜贴附在加工表面上，以套筒作为工具阴极进行电解加工来制备圆柱外表面微结构，但其有不足之处：光刻制膜过程繁琐，工艺成本较高，胶膜质量难以保证。中国专利CN101070605A介绍了一种柱形回转体零件外表面微织构电解加工方法。该方法采用机械挤压方式将带有金属层（阴极）的柔性屏蔽膜与回转体工件的部分表面紧密贴合进行局部电解加工，通过分度装置每电解加工完一次将工件抬起并旋转一定角度后再次与屏蔽膜贴合，然后进行电解加工，直到整周加工完毕。该方法虽然避免了光刻掩膜的制备和极间距的调控问题，但仍存在分步加工工艺复杂、效率低、加工图案的一致性难以保证等问题。而对于圆筒类工件尤其是小内径的圆筒工件内表面微织构化方面，因加工空间受限，难以直接开展制膜、机械加工等操作，这使得适用于圆柱内表面微结构的有效加工方法鲜见。

目前，电解加工领域内还未出现两个回转体类零件的加工表面同步实现表面微结构的相关报道。特别是对于相互配合的两工件表面，实现两工件同步加工来达到一致的微结构尺寸和表面精度具有重要现实意义。对于回转体类零件，其表面微结构加工所面临的最大的困难就是曲面上高质量高精度的掩膜制备，特别是阳极掩膜的电解加工一膜一件更是提高了工艺成本。在工具阴极上制备出掩膜则可实现掩膜的重复使用，降低加工成本的同时也提高了加工效率。因此，本发明提出了一种结合工具阴极掩膜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，以期构造成组加工模式，提高加工效率、降低工艺成本，实现圆柱/筒类工件表面微结构的一次性整周无缝加工，使配合使用的零件表面上的微结构达到高度一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供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。两工件之间采用套装形式，滚轮阴极与两工件之间时刻保持紧密接触，以成组加工的模式同时分别对圆柱和圆筒类工件表面进行加工，以期打破单个工件加工的单一形式，解决外圆柱面以及圆筒内表面微结构的加工难题，高效、低成本的在圆筒工件内表面和圆柱工件外表面上加工出整周高一致性、高表面质量的微结构阵列。

为实现上述技术效果，本发明所采用的技术方案是：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，其特征在于：它包括圆筒状工件Ⅰ、含有圆柱外表面的工件Ⅱ、圆柱状滚轮阴极、紧密贴附于滚轮阴极外表面的阴极掩膜、辅助滚轮、用于夹持滚轮阴极和辅助滚轮的保持架组件、导电轴承、电绝缘轴承、托辊Ⅰ、托辊Ⅱ、导电轴、喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ和电源；所述的托辊Ⅰ和托辊Ⅱ的轴线相互平行且处于同一水平面内；所述的工件Ⅰ放置于托辊Ⅰ和托辊Ⅱ上；所述的工件Ⅱ安设于工件Ⅰ的内部并在外力作用下紧密压置于滚轮阴极和辅助滚轮上；所述的滚轮阴极和辅助滚轮放置于工件Ⅰ的下侧内表面上，且滚轮阴极和辅助滚轮均可转动地安设于保持架组件上；所述的辅助滚轮和辅助滚轮分别置于滚轮阴极的两侧；所述的辅助滚轮、保持架组件、托辊Ⅰ和托辊Ⅱ均由耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制成；所述的导电轴与滚轮阴极同轴线地且可转动地安设于保持架组件上。

所述的托辊Ⅰ和托辊Ⅱ均与外部驱动源相连接，它们的转速转向相同，且转速均可调。

所述的阴极掩膜和辅助滚轮均始终与工件I和工件II紧密接触。

所述的阴极掩膜由柔性电绝缘薄膜材料制成，其上设有镂空孔群结构。

所述的滚轮阴极和导电轴均由电化学性质稳定的导电材料制成。

所述的工件I和工件II与电源的正极进行电气连接，导电轴与电源的负极进行电气连接。

所述的喷嘴Ⅰ的出液口指向滚轮阴极与工件II啮入的一侧，喷嘴Ⅱ的出液口指向滚轮阴极与工件I啮入的一侧。

本发明所涉及的工作原理如下。

工件I、工件II以及保持架组件均轴线平行地安设于两托辊上方，调整保持架组件使滚轮阴极位于保持架的最下端，通过施加压力调整工件Ⅱ的高度来改变两工件与滚轮阴极和辅助滚轮之间以及工件Ⅰ与传动托辊之间的压紧力，随后将保持架组件固定以保证加工过程中装置的稳定性。接通外部电源使两托辊匀速转动，动力源通过摩擦力的作用从托辊向工件Ⅱ逐级传递，使得两工件均实现匀速旋转。将工件Ⅰ和工件Ⅱ与加工电源正极相连，将导电轴与加工电源负极相连。分别向两工件的加工表面与滚轮阴极啮入的一侧高速喷射电解液，电解液随掩膜（通孔处）进入加工间隙处，接通电源后，间隙处的阳极表面发生选择性溶解，没有电解液的区域被屏蔽，啮出部分由于没有电解液的覆盖从而避免了杂散腐蚀。通过精密计算和监控两工件的转速，当工件II转动一整周时，断开工件II与电源之间的连接，工件I继续通电，待工件I也完成整周加工后，关闭电源，停止电解液喷射，加工完成。

本发明相对于现有技术具有以下显著特点和优势。

1、能够一次性高效地在两个工件的加工表面上制备出整周高一致性、高表面质量的微结构阵列。

本发明的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，其工具阴极以滚轮的形式与两个工件的加工表面同时接触，在传递连续动力的同时也对工件表面进行连续加工。该装置可对单个工件进行加工，也可对两个工件的不同部位同时进行加工，不仅解决了圆柱表面特别是内圆柱面微结构难加工的难题，还使得加工效率更高。通过控制传动托辊的速度以及精密计算和监控工件的旋转速度，可实现回转类零件表面的一次性整周加工，且加工过程稳定，加工表面完整、无接缝。此外，高速喷射的电解液使加工区域内的热量和产物快速排除，清除了阳极表面的溶解障碍，加工质量更好，工件表面与阴极之间的间距仅为阴极掩膜的厚度大小，相比与传统的掩膜电解加工方法，该方法减小了加工间距，提高了加工定域性，使微结构质量得以保证。

2、成组配对加工，加工效率更高，便于装配并提高产品互换性。

本发明的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，

以成组加工的模式对两工件进行旋印电解加工，二者共用同一掩膜，加工条件一致，制备环境相同，进而使得加工出的微结构具有高度一致性，便于后期产品之间的装配和互换。

3、装置结构简单，工艺柔性好，实用性高，成本低。

本发明的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，其整体结构简单，可实现两工件尺寸的多种组合加工，且适用范围广，可加工多种金属材料，工艺柔性更好。装置拆装方便，能实现工件的快速拆装和更换，成本低。特别是对于加工较大尺寸的内外圆柱表面，该装置更具工艺优势。

附图说明

图1是本发明的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的原理示意图。

图2是本发明的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的分解图。

图中：1、工件Ⅰ；2、托辊Ⅰ；3、托辊Ⅱ；4、保持架组件；4-1、导电轴；4-2、支撑轴；4-3、螺栓；4-4、压紧端盖；5、导电轴承；6、电绝缘轴承；7、阴极掩膜；8、滚轮阴极；9、辅助滚轮；10、工件Ⅱ；11、喷嘴Ⅰ；12、喷嘴Ⅱ；13、电源。

具体实施方式

下面以同时加工两个圆柱类回转体工件为例，结合附图对本发明的实施方式做进一步说明。

如图1和图2所示，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，它包括内径尺寸为80mm的圆筒状工件Ⅰ1、外径尺寸为40mm的圆柱状工件Ⅱ10、直径为15mm的圆柱状滚轮阴极8、紧密贴附于滚轮阴极8外表面的阴极掩膜7、直径为17.5mm的辅助滚轮9、用于夹持滚轮阴极8和辅助滚轮9的保持架组件4、导电轴承5、电绝缘轴承6、托辊Ⅰ2、托辊Ⅱ3、导电轴4-1、喷嘴Ⅰ11、喷嘴Ⅱ12和电源13；工件Ⅰ1、工件Ⅱ10、滚轮阴极8、阴极掩膜7和辅助滚轮9的长度均为60mm；托辊Ⅰ2和托辊Ⅱ3的轴线相互平行且处于同一水平面内；工件Ⅰ1放置于托辊Ⅰ2和托辊Ⅱ3上；工件Ⅱ10安设于工件Ⅰ1的内部并在外力作用下紧密压置于滚轮阴极8和辅助滚轮9上；滚轮阴极8和辅助滚轮9放置于工件Ⅰ1的下侧内表面上，且滚轮阴极8和辅助滚轮9分别通过导电轴承5和电绝缘轴承6可转动地安设于保持架组件4上；辅助滚轮9分别对称地置于滚轮阴极8的两侧；辅助滚轮9、保持架组件4、托辊Ⅰ2和托辊Ⅱ3由聚四氟乙烯材料制成；导电轴4-1与滚轮阴极8同轴线地且可转动地安设于保持架组件4上。

托辊Ⅰ2和托辊Ⅱ3均与外部驱动源（图中未示出）相连接，它们的转速转相同，设置其线速度为1mm/s。

阴极掩膜7和辅助滚轮9均始终与工件I1和工件II10紧密接触。

阴极掩膜7由厚度为0.1mm的聚氯乙烯薄膜材料制成，其上设有直径为0.5mm，中心距为2.35mm的镂空圆孔阵列结构。

滚轮阴极8和导电轴4-1均为不锈钢材质。

导电轴承5为不锈钢材质，电绝缘轴承6为氧化锆陶瓷材质。

工件I1和工件II10与电源13的正极进行电气连接，导电轴4-1与电源13的负极进行电气连接。

喷嘴Ⅰ11向滚轮阴极8与工件II10啮入的一侧高速喷射电解液，喷嘴Ⅱ12向滚轮阴极8与工件I1啮入的一侧高速喷射电解液，电解液为20wt%的硝酸钠溶液。

将电源13电压设为12V，当两工件的转速以及喷嘴Ⅰ11和喷嘴Ⅱ12所喷射的电解液流速稳定后，接通电源13进行电解加工，精密监控和计算工件的转速，当工件II10转动一整周时，断开工件II10与电源13的连接，工件I1继续通电，待工件I1也完成整周加工后，关闭电源13，停止电解液喷射，关闭外部驱动电源（图中未示出）使托辊Ⅰ2和托辊Ⅱ3停止转动，取下工件I1和工件II10，加工完成。

Claims (7)

1.一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，其特征在于：它包括圆筒状工件Ⅰ（1）、含有圆柱外表面的工件Ⅱ（10）、圆柱状滚轮阴极（8）、紧密贴附于滚轮阴极（8）外表面的阴极掩膜（7）、辅助滚轮（9）、用于夹持滚轮阴极（8）和辅助滚轮（9）的保持架组件（4）、导电轴承（5）、电绝缘轴承（6）、托辊Ⅰ（2）、托辊Ⅱ（3）、导电轴（4-1）、喷嘴Ⅰ（11）、喷嘴Ⅱ（12）和电源（13）；所述的托辊Ⅰ（2）和托辊Ⅱ（3）的轴线相互平行且处于同一水平面内；所述的工件Ⅰ（1）放置于托辊Ⅰ（2）和托辊Ⅱ（3）上；所述的工件Ⅱ（10）安设于工件Ⅰ（1）的内部并在外力作用下紧密压置于滚轮阴极（8）和辅助滚轮（9）上；所述的滚轮阴极（8）和辅助滚轮（9）放置于工件Ⅰ（1）的下侧内表面上，且滚轮阴极（8）和辅助滚轮（9）均可转动地安设于保持架组件（4）上；所述的两个辅助滚轮（9）分别置于滚轮阴极（8）的两侧；所述的辅助滚轮（9）、保持架组件（4）、托辊Ⅰ（2）和托辊Ⅱ（3）均由耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制成；所述的导电轴（4-1）与滚轮阴极（8）同轴线地且可转动地安设于保持架组件（4）上。

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的托辊Ⅰ（2）和托辊Ⅱ（3）均与外部驱动源（图中未示出）相连接，它们的转速转向相同，且转速均可调。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的阴极掩膜（7）和辅助滚轮（9）均始终与工件I（1）和工件II（10）紧密接触。

4.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的阴极掩膜（7）由柔性电绝缘薄膜材料制成，其上设有镂空孔群结构。

5.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的滚轮阴极（8）和导电轴（4-1）均由电化学性质稳定的导电材料制成。

6.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的工件I（1）和工件II（10）与电源（13）的正极进行电气连接，导电轴（4-1）与电源（13）的负极进行电气连接。

7.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述的喷嘴Ⅰ（11）的出液口指向滚轮阴极（8）与工件II（10）啮入的一侧，喷嘴Ⅱ（12）的出液口指向滚轮阴极（8）与工件I（1）啮入的一侧。

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