大面積微坑陣列高精度電解加工的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及大面積微坑陣列高精度電解加工的系統(tǒng)及方法，屬微細(xì)電解加工領(lǐng)域。該方法包括：制作陰極工具和夾具，在陰極工具下表面處設(shè)置出液口，進(jìn)液口與出液口總截面積比為50?200；柔性模板貼在陽(yáng)極工件上，裝夾陰極工具和陽(yáng)極工件，陰極工具和柔性模板的距離為10?50mm；陽(yáng)極工件和陰極工具分別連接電源正負(fù)極，通入電解液后接通電源，進(jìn)行電解加工。采用本方法進(jìn)行電解加工，利用電解液的壓力和重力，柔性模板緊密貼合在工件表面；同時(shí)微坑內(nèi)的電解產(chǎn)物緩慢流離加工區(qū)域，降低加工間隙內(nèi)的電導(dǎo)率，加工尺寸對(duì)電參數(shù)的敏感性降低，抑制了電場(chǎng)邊緣效應(yīng)對(duì)大面積微坑陣列加工尺寸的影響。該方法可有效提高大面積微坑陣列的加工精度。
【專利說(shuō)明】
大面積微坑陣列高精度電解加工的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及大面積微坑陣列高精度電解加工的系統(tǒng)及方法，屬于微細(xì)電解加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]—般機(jī)械裝置系統(tǒng)中存在各種各樣的摩擦副，這些摩擦副的摩擦學(xué)行為，不僅影響機(jī)械系統(tǒng)的工作性能和運(yùn)行效率，甚至是導(dǎo)致其失效的主要因素。研究表明，表面織構(gòu)技術(shù)是改善摩擦副表面摩擦學(xué)特性的有效手段，同時(shí)可以增加密封件的密封性能。表面織構(gòu)是指在摩擦副表面通過(guò)一定的加工技術(shù)加工出具有一定尺寸和分布的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點(diǎn)陣。具有微納米尺度微觀織構(gòu)的表面在表面能、光學(xué)特性、仿生特性、機(jī)械特性、流體動(dòng)力學(xué)性能及摩擦磨損性能等方面與光滑表面表現(xiàn)出截然不同的特點(diǎn)，這為眾多學(xué)科研究注入了新的活力，并且在許多工程領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。微坑陣列已經(jīng)在缸套、滑動(dòng)軸承和機(jī)械密封等工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得了成功的應(yīng)用。摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在有潤(rùn)滑劑存在的條件下，微坑陣列在改善摩擦副的摩擦學(xué)性能方面起到了積極的作用，其表面摩擦學(xué)性能明顯優(yōu)于光滑表面。
[0003]在摩擦副表面加工出陣列微坑作為改善滑動(dòng)摩擦的途徑已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。電解加工微坑陣列是一項(xiàng)有效技術(shù)手段，具備加工效率高，成本低，無(wú)需二次加工等優(yōu)點(diǎn)。電解加工是利用陽(yáng)極在電解液中可以發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理，將零件加工成形的一種制造技術(shù)。電解加工微坑陣列的技術(shù)主要包括單電極電解加工、射流電解加工、掩膜電解加工、旋印電解加工等。掩膜電解加工具有很好的定域性，加工精度高，傳統(tǒng)的掩膜電解加工采用光刻膠作為掩膜，加工后工件需要去膠，難以進(jìn)行大面積微坑陣列加工。
[0004]聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種無(wú)毒、疏水性的彈性體，它具有良好的復(fù)制性和化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、和耐腐蝕性。以PDMS通孔模板作為柔性模板進(jìn)行電解加工具有較大的優(yōu)勢(shì)。加工時(shí)柔性模板貼合在陽(yáng)極工件上，通電后在電解液的作用下，陽(yáng)極工件上對(duì)應(yīng)通孔的區(qū)域發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，逐漸被溶解去除，最終得到微坑陣列。PDMS模板可以重復(fù)使用。為獲得高精度的大面積微坑陣列，需要保證加工區(qū)域流場(chǎng)和電場(chǎng)均勻。
[0005]在微坑電解加工過(guò)程中，柔性模板與工件需要緊密貼合。陳曉磊、曲寧松提出了一種方法使柔性模板與工件貼合進(jìn)行微坑電解加工(采用柔性模板提高陣列微坑電解加工定域性的系統(tǒng)及方法，專利申請(qǐng)?zhí)?CN201410752718.6)。該方法采用高速電解液正向沖擊柔性模板來(lái)確保柔性模板與工件的貼合，提高了微坑陣列電解加工的定域性，但是由于陰陽(yáng)極間間隙過(guò)小，電解液通過(guò)陰極工具群縫后對(duì)陽(yáng)極工件表面壓力不均勻，工件表面各區(qū)域流場(chǎng)不均勻，可能造成加工精度低等問(wèn)題。對(duì)于大面積微坑陣列電解加工需要采用大面積的柔性模板，這加劇了柔性模板與工件貼合的難度。此外，在微坑陣列電解加工中，由于電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，工件表面模板微孔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度從工件邊緣到中心逐漸減小，微坑的腐蝕速度從工件邊緣到中心逐漸降低，最終導(dǎo)致微坑陣列的加工精度差，對(duì)于大面積的微坑陣列尤為顯著。大面積微坑陣列在工程中有著更多的應(yīng)用需求，對(duì)于大面積微坑陣列電解加工帶來(lái)的一些問(wèn)題，有必要探討新的電解加工方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種大面積微坑陣列高精度電解加工的系統(tǒng)及方法，解決了原有電解加工中柔性模板與工件貼合不牢，雜散腐蝕嚴(yán)重以及大面積加工精度低等問(wèn)題，顯著地提高了加工精度。
[0007]—種大面積微坑陣列高精度電解加工系統(tǒng)，包括夾具、陽(yáng)極工件、柔性模板、陰極工具、電源;上述夾具具有進(jìn)液口和出液口，進(jìn)液口位于夾具上方，出液口沿周向均勻分布于夾具側(cè)壁;上述夾具內(nèi)部為工作腔，陽(yáng)極工件、柔性模板、陰極工具均位于工作腔內(nèi)；上述陽(yáng)極工件位于工作腔底部，柔性模板貼合于陽(yáng)極工件上表面，柔性模板具有通孔陣列;上述陰極工具位于柔性模板上方，陰極工具具有均勻群縫結(jié)構(gòu)；陽(yáng)極工件和陰極工具分別連接電源正負(fù)極;其特征在于:上述陰極工具到柔性模板的距離為10-50mm;上述夾具的進(jìn)液口與出液口的總截面積比為50-200;上述夾具的出液口緊貼陰極工具下表面。
[0008]采用所述的大面積微坑陣列高精度電解加工系統(tǒng)的加工方法，其特征在于包括以下過(guò)程:電解液采用正向流動(dòng)的方式通過(guò)陰極工具縫隙流向陽(yáng)極工件，壓強(qiáng)大于0.1MPa。
[0009]采用以上所述的裝置進(jìn)行微坑陣列電解加工，陰極工具具有均勻群縫結(jié)構(gòu)，縫寬在0.2-0.5mm，縫間距是縫寬的3-5倍，合適的縫寬和縫間距便于制造陰極工具；電解液采用正向流動(dòng)的方式通過(guò)陰極工具縫隙流向陽(yáng)極工件，較小的縫寬保證了陽(yáng)極工件加工區(qū)域流場(chǎng)均勻。同時(shí)將出液口設(shè)置在陰極工件下表面，進(jìn)液口與出液口總截面積比為50-200，陰極工具和柔性模板之間距離為10-50mm，出液口處的電解液快速流出，工件上方的電解液緩慢流動(dòng)，工件表面的流場(chǎng)均勻穩(wěn)定。當(dāng)夾具的出液口過(guò)大、陰極工具和陽(yáng)極工件間隙較小時(shí)，陽(yáng)極工件上方的電解液流動(dòng)較快，容易造成陽(yáng)極工件上方的流場(chǎng)不均勻，這可能降低電解加工微坑陣列的精度，工件表面有可能出現(xiàn)雜散腐蝕的情況。出液口較小時(shí)，工作腔內(nèi)的電解液更換速度較慢，不利于電解產(chǎn)物離開(kāi)工作腔。此外，由法拉第定律可知，加工區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度與陰陽(yáng)極之間的間隙成反比，間隙過(guò)大會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，不利于電解加工，為確保微坑電解加工的順利進(jìn)行，將陰極工具與柔性模板之間的最大距離設(shè)置為50mm。電解液壓強(qiáng)大于0.1MPa，利用電解液的壓力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板與陽(yáng)極工件緊密貼合，阻止電解液滲透進(jìn)入柔性模板和工件表面的貼合處，減小雜散腐蝕。同時(shí)，在電解液的重力以及壓力的共同作用下，微坑內(nèi)產(chǎn)生的電解加工產(chǎn)物緩慢流離加工區(qū)域，降低了加工間隙內(nèi)的電導(dǎo)率，使得加工尺寸對(duì)電參數(shù)的敏感性降低，抑制了電場(chǎng)邊緣效應(yīng)對(duì)大面積微坑陣列加工尺寸的影響，從而有利于提高加工精度，保證了大面積微坑加工的尺寸均勻。采用本方法進(jìn)行電解加工，可有效地提高微坑陣列的加工精度，獲得大面積微坑陣列。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1電解加工微坑陣列裝置示意圖；
圖2通孔陣列柔性模板示意圖；
圖3陰極工具不意圖；
圖4微坑陣列的深度尺寸分布圖；
其中標(biāo)號(hào)名稱:1、柔性模板，2、陽(yáng)極工件，3、夾具，4、陰極工具，5、電解液，6、電源。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明:大面積微坑陣列的高精度電解加工的系統(tǒng)及方法，包含以下步驟:
a、制作陰極工具4和夾具3，陰極工具4具有均勻群縫結(jié)構(gòu)，縫寬為0.2mm，縫間距為
0.8mm，夾具進(jìn)液口直徑為20mm，在位于陰極工具下表面處設(shè)置兩個(gè)出液口，直徑為Imm;
b、制作具有通孔陣列的柔性模板I，如圖2;
C、將柔性模板I貼在陽(yáng)極工件2上，使用夾具3將陰極工具4和陽(yáng)極工件2裝夾在一起，其中陰極工具4和柔性模板I的距離為15mm;
d、陽(yáng)極工件2和陰極工具4分別連接電源6正負(fù)極；
e、電解液5通過(guò)陰極工具群縫流向陽(yáng)極工件，電解液壓強(qiáng)為0.2MPa;
f、接通電源6，進(jìn)行電解加工。
[0012]圖4是電源電壓為20V，占空比為20%，總加工時(shí)間為90s，使用帶有通孔陣列的PDMS模板作為柔性模板(其中進(jìn)液口與出液口的總截面積比為50、陰極工具和柔性模板的距離為1mm)進(jìn)行電解加工時(shí)，微坑的深度分布情況;其中微坑深度的平均值為15.Ομπι，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.38μπι，可以看出微孔陣列的精度較高。經(jīng)試驗(yàn)證明，使用該裝置進(jìn)行電解加工，微坑陣列的精度較高，工件表面無(wú)雜散腐蝕現(xiàn)象。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大面積微坑陣列高精度電解加工系統(tǒng)，包括夾具(3 )、陽(yáng)極工件(2)、柔性模板(1)、陰極工具(4)、電源(6); 上述夾具(3)具有進(jìn)液口和出液口，進(jìn)液口位于夾具(3)上方，出液口沿周向均勻分布于夾具(3)側(cè)壁； 上述夾具(3)內(nèi)部為工作腔，陽(yáng)極工件(2)、柔性模板(1)、陰極工具(4)均位于工作腔內(nèi)； 上述陽(yáng)極工件(2)位于工作腔底部，柔性模板(I)貼合于陽(yáng)極工件(2)上表面，柔性模板(I)具有通孔陣列； 上述陰極工具(4)位于柔性模板(I)上方，陰極工具(4)具有均勻群縫結(jié)構(gòu)； 上述陽(yáng)極工件(2)和陰極工具(4)分別連接電源(6)正負(fù)極； 其特征在于: 上述陰極工具(4)到柔性模板(I)的距離為10-50mm; 上述夾具(3 )的進(jìn)液口與出液口的總截面積比為50-200; 上述夾具(3)的出液口緊貼陰極工具(4)下表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述大面積微坑陣列高精度電解加工系統(tǒng)的加工方法，其特征在于包括以下過(guò)程: 電解液采用正向流動(dòng)的方式通過(guò)陰極工具縫隙流向陽(yáng)極工件，壓強(qiáng)大于0.1MPa; 由于出液口緊貼陰極工具(4)下表面，出液口處的電解液快速流出，工件上方的電解液緩慢流動(dòng)，工件表面的流場(chǎng)均勻穩(wěn)定;加工過(guò)程中電解液的壓力和重力作用在柔性模板上，有利于柔性模板與陽(yáng)極工件緊密貼合，阻止電解液滲透進(jìn)入柔性模板和工件表面的貼合處；同時(shí)，在電解液的壓力以及重力的共同作用下，微坑內(nèi)產(chǎn)生的電解加工產(chǎn)物緩慢流離加工區(qū)域。
【文檔編號(hào)】B23H3/10GK106001806SQ201610406157
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月12日
【發(fā)明人】曲寧松, 侯志保, 陳曉磊
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)