CN117066616A - 一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，包括电解液、电解液循环过滤单元、电解电源、电解电源通断控制单元、金属圆管工件、含有阵列微细通孔的圆筒形阴极和含有通孔阵列的薄壁掩模筒；薄壁掩模筒同中轴线且可转动地外套在圆筒形阴极上，金属圆管工件紧密压贴在薄壁掩模筒的正下方。电解加工时，圆筒形阴极固定不动，金属圆管工件绕自身旋转中心轴线做精密分度转动，带动薄壁掩模筒同步转动；圆筒形阴极的阵列微细通孔作可控式施电结构，配合金属圆管工件的周期性精密分度转动，可在金属圆管外表面实现定位电解加工微坑阵列。本装置结构简单，可实现在金属圆管工件上高效地制备几何形状和精度一致性高、表面质量好的阵列微坑。
Description
技术领域
本发明专利属于掩膜电解加工领域，具体为一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置。
背景技术
表面微结构可使得表面的特性和表面功能有所改变。表面微结构，如孔、缝、坑、沟槽等，存在强化传质传热、减摩降阻、防污抗粘等方面的产品功能与性能。在金属表面制备不同形状和尺寸的阵列微结构，可使金属表面拥有良好的散热性、耐磨性、耐腐性和疏水性等。因此，金属表面微结构阵列技术一直是先进制造领域的研究热点。
目前，在金属表面微结构阵列的常用方法有：机械微加工、激光加工、电子束加工、电火花加工、电解加工等。机械微加工受工件材料的机械性能影响较大，具有刀具易磨损、加工效率低、加工精度有待提高等缺陷；以激光、电子束、电火花等高能束流加工时，虽适用的材料广泛，但其加工表面普遍存在再铸层、微裂纹等缺陷；射流电解加工虽具有工具无损耗和加工面无应力、裂纹、重铸层等缺陷产生的优点，但在微结构阵列方面存在效率低、精度不高、加工表面杂散腐蚀严重等缺陷；其中，掩膜电解加工是基于电化学阳极溶解原理实现金属材料去除的非接触式冷加工方法，具有工具无损耗、加工表面质量好、加工效率高、加工成本低等优点，并且可在金属表面一次性海量成形形状各异的微结构群，因此，在金属微结构阵列方面有显著的竞争力和优势。
公开号为CN112404618B的中国专利发布了一种连续掩膜电解加工金属微结构的装置，该装置进一步改良了活动掩膜的应用方式，利用带输送式掩膜，实现在平面和圆柱面上连续式掩膜电解加工制备阵列微结构；但是，外喷液的供液方式导致在包角区域掩膜电解加工的范围大，在整个圆柱表面进行微坑阵列时会出现已加工区的二次腐蚀问题，加工定域性较差，加工精度有待提高。
公开号为CN114888378A的中国专利发布了一种滚印式掩膜电解加工装置，该装置采用线状阴极和内喷液的工作方式，加工定域性好，在金属表面制备阵列微结构的精度高；但是，此装置进行微结构阵列时，金属表面和掩膜可能会相对滑动，导致加工精度不稳定；此外，线状阴极掩膜电解加工的定域性存在一定的提升空间，还可改变工具阴极的形状进一步提高掩膜电解加工的精度。
公开号为CN115213502A的中国专利发布了一种曲面微结构柔性阴极掩膜电解加工方法及实现装置，该专利利用柔性阴极和由高弹性海绵构成的溶液通道，实现不同曲率曲面微结构的掩膜电解加工；但是，工具阴极切换加工位置时，会导致掩膜和工件之间相对滑动，阵列微结构的精度不稳定，故这种方法仅适用于一次成型工艺，不适用于大面积或连续式的掩膜电解加工。
综上，在圆柱面上进行微结构阵列的技术有待提高。为此，本发明提出一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，可实现在金属圆管外表面高效制备几何形状和精度一致性高、表面质量好的阵列微坑。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，可实现在金属圆管工件上高效地加工出高质量、高精度的阵列微坑。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下。
一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，包括电解液、电解电源、电解液循环过滤单元和金属圆管工件，其特征在于：它还包括圆筒形阴极、含有通孔阵列的薄壁掩模筒和电解电源通断控制单元；所述的圆筒形阴极包括进液通道段、加工段、出液通道段；所述的加工段的最低处沿圆筒形阴极中轴线方向设有1列阵列微细通孔；所述的薄壁掩模筒同中轴线地且可转动地外套在加工段上；所述的通孔阵列包括中轴线方向通孔阵列和圆周方向通孔阵列；所述的中轴线方向通孔阵列的排布规则均相同，且它的孔数和排列规则分别与阵列微细通孔的孔数和排布规则各自相同；所述的进液通道段和出液通道段分别对称地布置于加工段的两侧，且它们的外径相等并比加工段的外径小2～4cm；所述的电解电源通断控制单元串接在电解电源的外部电回路上；所述的金属圆管工件紧密压贴在薄壁掩模筒的正下方，且两者的中轴线相互平行；所述的通孔阵列其通孔的直径小于或等于阵列微细通孔的直径；所述的金属圆管工件在外部驱动单元的驱动作用下做周期性的精密分度转动；所述的圆筒形阴极固定不动。
所述的薄壁掩模筒与圆筒形阴极间的间隙为10～20μm。
所述的圆筒形阴极由耐酸碱腐蚀的固体金属材料制成，且壁厚为0.1～0.3mm。
所述的薄壁掩模筒由耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制成，其壁厚为0.1～0.2mm。
所述的薄壁掩模筒的长度与加工段的长度相同。
所述的电解电源的正极与金属圆管工件进行电气连接，其负极与圆筒形阴极进行电气连接。
一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的加工方法，该方法使用权利要求所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：它包括如下顺序执行的步骤：
S1：按设计要求将薄壁掩模筒和圆筒形阴极装配好，把电解液循环过滤单元的进液口和出液口分别连接于进液通道段和出液通道段，把金属圆管工件紧密压贴在薄壁掩模筒的正下方，并把外部驱动单元与金属圆管工件联接起来；
S2：启动外部驱动单元，此时，金属圆管工件在做精密分度转动的同时带动薄壁掩模筒同步做精密分度转动，启动电解液循环过滤单元驱动电解液在圆筒形阴极内持续循环流动；
S3：当薄壁掩模筒的中轴线方向通孔阵列与圆筒形阴极的阵列微细通孔刚好完全正对时，金属圆管工件停止转动的同时启动电解电源通断控制单元，以使电解电源向金属圆管工件供电，此时，金属圆管工件的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴线方向通孔阵列对应的位置形成凹坑；
S4：当凹坑的尺寸达到要求时，关停电解电源通断控制单元并同时启动金属圆管工件做精密分度转动，直到薄壁掩模圆筒的中轴线方向通孔阵列与圆筒形阴极的阵列微细通孔再一次刚好完全正对时，停止金属圆管工件转动的同时启动电解电源通断控制单元，以使电解电源向金属圆管工件供电，此时，金属圆管工件的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴向方向通孔阵列对应的位置形成新凹坑；
S5：重复步骤S4，直到完成金属圆管工件表面上所有的微坑加工，然后关断电解电源、电解液循环过滤单元和外部驱动单元，取下金属圆管工件，完成所有加工。
本发明与现有技术相比，主要优点如下。
(1)可制备几何形状和精度一致性更高、表面质量更好的阵列微坑。圆筒形阴极的阵列微细通孔是向工件阳极施加电场的具体结构，圆孔形状的阴极结构使得电场分布更利于微坑成型，故该装置微坑阵列的定域性高；加工过程中，圆筒形阴极静止不动，且工具阴极无损耗，配合金属圆管工件的精密分度转动，保证圆筒形阴极的阵列微细通孔与薄壁掩膜筒中轴线方向通孔阵列的精密配合，从而制备出几何形状和精度一致性高的阵列微坑；该装置采用循环流动式供液方式，提高了电解液的传质速率，减少氢气在圆筒形阴极表面附着，使得电场分布更均匀，从而制备出高表面质量的阵列微坑。
(2)便于大规模生产，加工成本更低。电解加工具有工具阴极无损耗的优点，故可以一次性生产不同规格尺寸的圆筒形阴极，降低工具阴极的生产成本；同一工具阴极，通过改变金属圆管工件精密分度转动的转动角度，可实现加工不同尺寸的金属圆管工件，此外，同一工具阴极，通过改变薄壁掩膜筒通孔阵列的排列间距，即可实现不同排列方式的微坑阵列，且薄壁掩模筒可重复使用，从而降低产品的加工成本。
(3)实用性和适用性高。圆筒形阴极可在平面和圆柱面上制备微坑阵列，同一工具阴极，通过改变薄壁掩膜筒通孔阵列的排列间距，即可实现不同排列方式的微坑阵列，此外，加工金属圆管工件时，同一工具阴极，通过改变金属圆管工件精密分度转动的转动角度，可实现加工不同尺寸的金属圆管工件，故该装置具有高实用性、高适用性。
附图说明
图1为掩膜电解加工金属圆管工件的示意图；
图2为掩膜电解加工金属圆管工件的剖示图；
图3为薄壁掩模筒的示意图；
图4为掩膜电解加工金属圆管工件的轴测图。
图中标号及名称：1、圆筒形阴极；1-1、进液通道段；1-2、加工段；1-2-1、阵列微细通孔；1-3、出液通道段；2、薄壁掩模筒；2-1、通孔阵列；2-1-1、中轴线方向通孔阵列；2-1-2、圆周方向通孔阵列；3、金属圆管工件；3-1、凹坑；3-2、新凹坑；4、电解液；5、电解电源；6、电解电源通断控制单元；7、电解液循环过滤单元。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施作进一步的解释说明。
一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，包括电解液4、电解电源5、电解电源通断控制单元6、电解液循环过滤单元7、圆筒形阴极1、薄壁掩模筒2和金属圆管工件3；圆筒形阴极1为壁厚0.3mm的管状结构，由合金1Cr18Ni9Ti制成，包括进液通道段1-1、加工段1-2、出液通道段1-3，其各通道的直径分别为16mm、20mm、16mm，各通道的长度分别为20mm、60mm、20mm；其中，进液通道段1-1和出液通道段1-3分别对称地布置于加工段1-2的两侧，加工段1-2的最低处沿圆筒形阴极1中轴线方向设有1列直径为0.3mm、中心间距为0.8mm的阵列微细通孔1-2-1；薄壁掩模筒2由厚0.2mm的PDMS制成，同中轴线地且可转动地外套在加工段1-2上，其长度与加工段1-2的长度相同，且薄壁掩模筒与圆筒形阴极间的间隙为20μm；薄壁掩模筒2设有等间距排列的通孔阵列2-1，包括中轴线方向通孔阵列2-1-1和圆周方向通孔阵列2-1-2，中轴线方向通孔阵列2-1-1的孔数、直径和排列规则分别与阵列微细通孔1-2-1的孔数、直径与排布规则各自相同；长90mm、厚0.5mm、外径50mm的金属圆管工件3紧密压贴在薄壁掩模筒2的正下方，且两者的中轴线相互平行；金属圆管工件3在外部驱动单元的驱动作用下做周期性的精密分度转动，带动薄壁掩模筒2同步转动；电解电源5的正极与金属圆管工件3进行电气连接，其负极与圆筒形阴极1进行电气连接，并在电解电源5和金属圆管工件3之间接入电解电源通断控制单元6；电解液4依次通过进液通道段1-1、加工段1-2、出液通道段1-3流出圆筒形阴极1，再经电解液循环过滤单元7循环流入圆筒形阴极1，沿途通过加工段1-2的阵列微细通孔1-2-1和通孔阵列2-1抵达金属圆管工件3；其中，电解液4是浓度为10wt％的NaNO3溶液(温度25±2℃)。
本发明技术方案的用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置具体加工实施步骤如下；
S1：按设计要求将薄壁掩模筒2和圆筒形阴极1装配好，把电解液循环过滤单元7的进液口和出液口分别连接于进液通道段1-1和出液通道段1-2，把金属圆管工件3紧密压贴在薄壁掩模筒2的正下方，并把外部驱动单元(图中未示)与金属圆管工件3联接起来；
S2：启动外部驱动单元(图中未示)，此时，金属圆管工件3以0.002rad/s的角速度做精密分度转动，同时带动薄壁掩模筒2同步转动，启动电解液循环过滤单元7，驱动电解液4以5m/s的流速在圆筒形阴极1内持续循环流动；
S3：当薄壁掩模筒2的中轴向方向通孔阵列2-1-1与圆筒形阴极1的阵列微细孔1-2-1刚好完全正对时，金属圆管工件3停止转动的同时启动电解电源通断控制单元6，以使电解电源5以10V的电压值向金属圆管工件3供电，此时，金属圆管工件3的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴向方向通孔阵列2-1-1对应的位置形成凹坑3-1；
S4：当电解加工15s时，凹坑3-1的尺寸达到要求，关停电解电源通断控制单元6并同时启动金属圆管工件3做精密分度转动，直到薄壁掩模筒2的中轴向方向通孔阵列2-1-1与圆筒形阴极1的阵列微细孔1-2-1再一次刚好完全正对时，停止金属圆管工件3转动的同时启动电解电源通断控制单元6，以使电解电源5以10V的电压值向金属圆管工件3供电，此时，金属圆管工件3的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴向方向通孔阵列2-1-1对应的位置形成新凹坑3-2；
S5：重复步骤S4，直到完成金属圆管工件3表面上所有的微坑加工，然后关断电解电源5、电解液循环过滤单元7和外部驱动单元(图中未示)，取下金属圆管工件3，完成所有加工，最终得到具有几何形状和精度一致性高、表面质量好的阵列微坑的金属圆管工件3。
Claims (7)
1.一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，包括电解液(4)、电解电源(5)、电解液循环过滤单元(7)和金属圆管工件(3)，其特征在于：它还包括圆筒形阴极(1)、含有通孔阵列(2-1)的薄壁掩模筒(2)和电解电源通断控制单元(6)；所述的圆筒形阴极(1)包括进液通道段(1-1)、加工段(1-2)、出液通道段(1-3)；所述的加工段(1-2)的最低处沿圆筒形阴极(1)中轴线方向设有1列阵列微细通孔(1-2-1)；所述的薄壁掩模筒(2)同中轴线地且可转动地外套在加工段(1-2)上；所述的通孔阵列(2-1)包括中轴线方向通孔阵列(2-1-1)和圆周方向通孔阵列(2-1-2)；所述的中轴线方向通孔阵列(2-1-1)的排布规则均相同，且它的孔数和排列规则分别与阵列微细通孔(1-2-1)的孔数和排布规则各自相同；所述的进液通道段(1-1)和出液通道段(1-3)分别对称地布置于加工段(1-2)的两侧，且它们的外径相等并比加工段(1-2)的外径小2～4cm；所述的电解电源通断控制单元(6)串接在电解电源(5)的外部电回路上；所述的金属圆管工件(3)紧密压贴在薄壁掩模筒(2)的正下方，且两者的中轴线相互平行；所述的通孔阵列(2-1)其通孔的直径小于或等于阵列微细通孔(1-2-1)的直径；所述的金属圆管工件(3)在外部驱动单元(图中未示)的驱动作用下做周期性的精密分度转动；所述的圆筒形阴极(1)固定不动。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：所述的薄壁掩模筒(2)与圆筒形阴极(1)间的间隙为10～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：所述的圆筒形阴极(1)由耐酸碱腐蚀的固体金属材料制成，且壁厚为0.1～0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：所述的薄壁掩模筒(2)由耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制成，其壁厚为0.1～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：所述的薄壁掩模筒(2)的长度与加工段(1-2)的长度相同。
6.根据权利要求1所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：所述的电解电源(5)的正极与金属圆管工件(3)进行电气连接，其负极与圆筒形阴极(1)进行电气连接。
7.一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的加工方法，该方法使用权利要求1～6中任一项所述的一种用于金属圆管外表面加工微细坑阵列的装置，其特征在于：它包括如下顺序执行的步骤：
S1：按设计要求将薄壁掩模筒(2)和圆筒形阴极(1)装配好，把电解液循环过滤单元(7)的进液口和出液口分别连接于进液通道段(1-1)和出液通道段(1-2)，把金属圆管工件(3)紧密压贴在薄壁掩模筒(2)的正下方，并把外部驱动单元(图中未示)与金属圆管工件(3)联接起来；
S2：启动外部驱动单元(图中未示)，此时，金属圆管工件(3)在做精密分度转动的同时带动薄壁掩模筒(2)同步做精密分度转动，启动电解液循环过滤单元(7)驱动电解液(4)在圆筒形阴极(1)内持续循环流动；
S3：当薄壁掩模筒(2)的中轴线方向通孔阵列(2-1-1)与圆筒形阴极(1)的阵列微细通孔(1-2-1)刚好完全正对时，金属圆管工件(3)停止转动的同时启动电解电源通断控制单元(6)，以使电解电源(5)向金属圆管工件(3)供电，此时，金属圆管工件(3)的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴线方向通孔阵列(2-1-1)对应的位置形成凹坑(3-1)；
S4：当凹坑(3-1)的尺寸达到要求时，关停电解电源通断控制单元(6)并同时启动金属圆管工件(3)做精密分度转动，直到薄壁掩模圆筒(2)的中轴线方向通孔阵列(2-1-1)与圆筒形阴极(1)的阵列微细通孔(1-2-1)再一次刚好完全正对时，停止金属圆管工件(3)转动的同时启动电解电源通断控制单元(6)，以使电解电源(5)向金属圆管工件(3)供电，此时，金属圆管工件(3)的外表面材料在电化学作用下被选择性地溶解去除，并在中轴向方向通孔阵列(2-1-1)对应的位置形成新凹坑(3-2)；
S5：重复步骤S4，直到完成金属圆管工件(3)表面上所有的微坑加工，然后关断电解电源(5)、电解液循环过滤单元(7)和外部驱动单元(图中未示)，取下金属圆管工件(3)，完成所有加工。
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