CN114888378A - 一种滚印式掩膜电解加工装置 - Google Patents

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李蒙
闫亮
韩磊
明平美
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Abstract

本发明公开了一种滚印式掩膜电解加工装置，包括电源、阴极工具、工件夹具、电解液循环系统和传动系统。其中，阴极工具为滚筒式结构，由引电轴、滚动轴承、轴套、传动齿轮、中心块、线状阴极、胶条海绵和柔性掩膜组成；阴极工具的外表面的掩膜随传动齿轮和轴套转动，其中心的引电轴、中心块和位于底端的线状阴极保持不动。当掩膜上的图形孔运动至和工件接触的位置时，线状阴极和工件及其周围电解液形成掩膜电解加工区、发生电解反应，在掩膜孔下的工件表面上加工出微坑阵列。本装置可以实现工件平面、内圆柱面、外圆柱面上微结构阵列的高效高精度加工。

Description

一种滚印式掩膜电解加工装置
技术领域
本发明涉及一种滚印式掩膜电解加工装置，属于电解加工领域。
背景技术
金属微结构阵列指的是金属表面具有特殊形状、尺寸和分布的微观结构排布。在金属表面制备微结构阵列是实现金属表面功能化的有效措施之一，通过制备不同形状和尺寸的微结构阵列来使金属表面拥有良好的耐磨性、耐腐性、散热性和润湿性等，因此，金属表面微织构化技术一直是先进制造领域的研究热点。至今，已成熟应用于制备金属表面微结构的技术有：电火花加工、电子束加工、激光加工、电解加工等。其中，掩膜电解加工制备规则微结构技术常因其具有不受材料限制、加工面没有微观缺陷或残余应力、成形面质量好、可一次性海量成形形状各异的微结构群的优势而在微结构的表面加工领域受到广泛关注。现有的掩膜电解加工技术中掩膜分一次性掩膜和多次应用的活动掩膜。一次性掩膜加工成本高、效率低；多次应用的活动掩膜往往通过不同的方法实现掩膜和基底或工件之间的压贴，其压贴方法适用性还不够广泛，导致所制备的微结构一致性偏低、有解封缺陷等问题。
对此，申请号为201910673940.X的专利提出一种带式活动掩膜电解加工微结构阵列新技术，实现掩膜与工件紧密贴合、微结构高一致性和无接缝的制备。但其使用的环状阴极仍存在电场分布不够规则，加工表面微坑边缘处存在杂散腐蚀且无法一次性加工无限长的表面、适用工件表面单一等问题。
发明内容
针对一般电解加工适用范围单一，加工能力较低，加工精度不足，无法一次性加工整体表面等问题，本发明提出一种滚印式掩膜电解加工装置，利用滚筒式掩膜的旋转带动工件的运动，将掩膜图形逐渐转印到工件表面，可实现平面、内圆柱面、外圆柱面工件表面微结构阵列的一次性海量加工。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种滚印式掩膜电解加工装置，包括电源、工件夹具、阴极工具、电解液循环系统和传动系统；其特征在于：所述的阴极工具为滚筒式结构，由引电轴、滚动轴承、轴套、传动齿轮、中心块、线状阴极、胶条海绵和柔性掩膜组成；所述的电解液循环系统由压力表、调压阀、泵、过滤器和电解槽组成；所述的传动系统由电机和传动带组成；所述的阴极工具中心的引电轴为空心轴，一端封闭，一端开口，中部设置有小孔，用于电解液的流通，其两端装配有滚动轴承；所述的滚动轴承上装配轴套，其中一侧的轴套上装配传动齿轮；所述的中心块装配在引电轴的中部、滚动轴承之间位置，其内部设置有用于电解液流通的流道、其表面的最低端设置有沟槽结构；所述的线状阴极装配在中心块最底端设置的沟槽中，与引电轴相连；所述的轴套两侧表面粘接胶条海绵，其表面粘接柔性掩膜；所述的工件夹具将工件阳极夹紧在阴极工具和工件夹具之间，并利用掩膜和工件表面之间的摩擦力带动工件进给。
所述的柔性掩膜材料为绝缘的具有较好柔性的高分子材料，可选为聚氯乙烯（PVC）。
所述的线状阴极为导电性良好的金属丝，其直径根据掩膜上的图形尺寸决定，等于掩膜上图形的最小尺寸±5μm，其材料可选为铂、金、铜、镍。
所述的阴极工具，通过调整其与工件、工件夹具之间的相对位置，可实现对平面、外圆柱表面和内圆柱表面的微结构阵列的电解加工。
本发明的工作原理为：在电解加工时，电机通过传动系统中的传动带将动力传递到阴极工具的传动齿轮上，传动齿轮带动轴套和其上的胶条海绵及与其表面粘接的柔性掩膜一起旋转，阴极工具中心的引电轴、中心块和位于底端的线状阴极保持不动。被加工的工件通过工件夹具夹紧在阴极工具表面和工件夹具之间，并利用掩膜和工件表面之间的摩擦力带动工件进给。电解液从引电轴一侧的开口端流入，通过引电轴中部的小孔流入中心块内部、通过其中间开的流道进入柔性掩膜图形结构的通孔处，然后随着阴极工具的旋转从阴极工具和工件之间流出到电解槽，经电解液循环系统进行过滤循环后再进入引电轴侧。
与现有技术相比，本发明的突出优点如下:
1. 本发明所述的阴极为线状阴极，线状阴极为金属丝、尺寸较小，与掩膜孔上的图形结构尺寸相近，在电解加工过程中电流密度主要集中在掩膜图形内和工件表面附近的加工区域，其他位置的工件表面附近几乎没有电流分布，其定域性好；而圆环型阴极的尺寸远大于掩膜孔图形尺寸，电场分布范围较大，在电解加工过程中工件表面未加工区域和已加工区域都会受到阴极所产生的电场的影响，产生多余的电流分布会对微坑两侧未加工区域和已加工区域造成微量腐蚀，导致电解加工出的微坑直径偏离掩膜孔直径较大、微坑阵列定域性较差。
2. 本发明所述的滚印式掩膜电解加工装置，通过调整工件、工件夹具与阴极工具的相对位置，可实现对平面、外圆柱表面和内圆柱表面的微结构阵列的电解加工，即用一种装置实现多种工件表面的微结构阵列加工。
附图说明
图1为滚印式掩膜电解加工装置原理图。
图2为滚筒式阴极工具结构示意图。
图3为本发明平面工件电解加工装置示意图。
图4为本发明内圆柱面工件电解加工装置示意图。
图5为本发明外圆柱面工件电解加工装置示意图。
图中标号名称：1、工件夹具；2、电源；3、工件；4、阴极工具；4-1、引电轴；4-2、轴套；4-3、胶条海绵；4-4、柔性掩膜；4-5、中心块；4-6、传动齿轮；4-7、滚动轴承；4-8、线状阴极；5、电解液循环系统；5-1、压力表；5-2、调压阀；5-3、泵；5-4、过滤器；5-5、电解槽；6、传动系统；6-1、电机；6-2、传动带。
具体实施方式
下面结合图1至图5对本发明的实施做进一步的详细说明：一种滚印式掩膜电解加工装置，包括电源2、工件夹具1、阴极工具4、电解液循环系统5和传动系统6；其特征在于：所述的阴极工具4为滚筒式结构，由引电轴4-1、滚动轴承4-7、轴套4-2、传动齿轮4-6、中心块4-5、线状阴极4-8、胶条海绵4-3和柔性掩膜4-4组成；所述的电解液循环系统5由压力表5-1、调压阀5-2、泵5-3、过滤器5-4和电解槽5-5组成；所述的传动系统6由电机6-1和传动带6-2组成；在电解加工时，电机6-1通过传动系统6中的传动带6-2将动力传递到阴极工具4的传动齿轮4-6上，传动齿轮4-6带动轴套4-2和其上的胶条海绵4-3及与其表面粘接的柔性掩膜4-4一起旋转，阴极工具4中心的引电轴4-1、中心块4-5和位于底端的线状阴极4-8保持不动。被加工的工件阳极3通过工件夹具1夹紧在阴极工具4表面和工件夹具1之间，并利用掩膜4-4和工件3表面之间的摩擦力带动工件3进给。电解液从引电轴4-1一侧的开口端流入，通过引电轴4-1中部的小孔流入中心块4-5内部、通过其中间开的流道进入柔性掩膜4-4图形结构的通孔处，然后随着阴极工具4的旋转从阴极工具4和工件3之间流出到电解槽5-5，经电解液循环系统5进行过滤循环后再进入引电轴侧4-1。
与传统电解加工方式不同，线状阴极4-8滚印掩膜加工是采用近似图形尺寸的线状阴极4-8在限制区域内对阳极工件（3）进行材料蚀除，在电解加工过程中，线状阴极4-8相对工件3保持不动、掩膜4-4旋转运动，线状阴极4-8和运动到工件3表面的掩膜4-4图形、工件3及其周围电解液形成掩膜电解加工区、发生电解反应，将开放式的掩膜电解加工变为封闭式的掩膜电解加工、用接近图形尺寸的阴极取代传统大尺寸阴极以改善电极对其他区域的影响，以达到改善电解加工中图形质量和尺寸定域性的目的。

Claims (4)

1.一种滚印式掩膜电解加工装置，包括电源（2）、工件夹具（1）、阴极工具（4）、电解液循环系统（5）和传动系统（6）；其特征在于：所述的阴极工具（4）为滚筒式结构，由引电轴（4-1）、滚动轴承（4-7）、轴套（4-2）、传动齿轮（4-6）、中心块（4-5）、线状阴极（4-8）、胶条海绵（4-3）和柔性掩膜（4-4）组成；所述的电解液循环系统（5）由压力表（5-1）、调压阀（5-2）、泵（5-3）、过滤器（5-4）和电解槽（5-5）组成；所述的传动系统（6）由电机（6-1）和传动带（6-2）组成；所述的阴极工具（4）中心的引电轴（4-1）为空心轴，一端封闭，一端开口，中部设置有小孔，用于电解液的流通，其两端装配有滚动轴承（4-7）；所述的滚动轴承（4-7）上装配轴套（4-2），其中一侧的轴套（4-2）上装配传动齿轮（4-6）；所述的中心块（4-5）装配在引电轴（4-1）的中部、滚动轴承（4-7）之间位置，其内部设置有用于电解液流通的流道、其表面的最低端设置有沟槽结构；所述的线状阴极（4-8）装配在中心块（4-5）最底端设置的沟槽中，与引电轴（4-1）相连；所述的轴套（4-2）两侧表面粘接胶条海绵（4-3），其表面粘接柔性掩膜（4-4）；所述的工件夹具（1）将工件阳极（3）夹紧在阴极工具（4）和工件夹具（1）之间，并利用掩膜（4-4）和工件（3）表面之间的摩擦力带动工件（3）进给。
2.根据权利要求1所述的一种滚印式掩膜电解加工装置，其特征在于：所述的柔性掩膜（4-4）材料为绝缘的具有较好柔性的高分子材料，可选为聚氯乙烯（PVC）。
3.根据权利要求1所述的一种滚印式掩膜电解加工装置，其特征在于：所述的线状阴极（4-8）为导电性良好的金属丝，其直径根据掩膜（4-4）上的图形尺寸决定，等于掩膜（4-4）上图形的最小尺寸±5μm，其材料可选为铂、金、铜、镍。
4.根据权利要求1所述的一种滚印式掩膜电解加工装置，其特征在于：所述的阴极工具（4），通过调整其与工件（3）、工件夹具（1）之间的相对位置，可实现对平面、外圆柱表面和内圆柱表面的微结构阵列的电解加工。
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