CN114101818A - 一种无掩膜电解加工表面微织构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无掩膜电解加工表面微织构的方法，其特征在于，所述方法中的工具电极包含导电层、非导电层和微细电极，非导电层上加工有电解液分散道。该方法将工具电极与固定在工装夹具上的工件同轴安装，使工具电极与工件待加工表面留间有加工间隙；把导电层与工件分别与电解电源负极、正极连接；注入电解液并经分散道分流至加工间隙；接通电解电源，在电解液与电场的共同作用下工件待加工表面发生选择性腐蚀得到表面微织构。本发明无需掩膜制备的复杂过程，可以加工任意复杂曲面，工具电极可以重复利用，工艺简单，成本低。

Description

一种无掩膜电解加工表面微织构的方法

技术领域

本发明涉及到精密与特种加工领域，特别是涉及到一种金属表面微织构的无掩膜电解加工方法。

背景技术

近年来，微纳米尺度的表面微织构在减摩减阻方面的应用得到广泛研究。表面微织构是指在工件表面加工出具有一定尺寸且整齐排列的凹坑、凸起或沟槽等微结构阵列，从而使工件表面的性能有所改变，在减摩润滑、生物医学、超疏水表面等方面表现出良好的应用前景。

目前表面微织构的加工方法主要有激光加工、机械加工、磨料气射流加工、电火花加工、电解加工等。电解加工凭借其加工效率高、工具电极无损耗、可成型范围广、批量加工等优势成为主流研究方法。掩膜电解加工技术通常是将光刻胶涂在工件表面或将感光蓝膜贴在工件表面再进行曝光、显影等步骤，在工件表面形成有一定图案的模板，从而使裸露部分在电解加工过程中被溶解，以形成表面微织构。但是掩膜制备过程中要经过涂胶或贴膜、曝光、显影、除胶等步骤，工艺复杂，无法重复利用，曝光机价格昂贵，生产条要求较高，综合成本太高。

发明专利CN 108274083 A公开了一种电解加工表面微织构的方法，该方法利用光导电层和透明导电层组成阴极，通过激光照射光导电层形成一定图案的导电模板，工件表面上与导电模板对应的部分被溶解，从而实现表面微织构的的电解加工，此方法避免了涂胶、曝光、显影等复杂过程。然而该方法中表面微织构轮廓是是通过激光照射形成的，具有实时性，无法一次成型，加工效率大大降低，并且激光光束在传播过程中会受到电解液、透镜安装精度等的影响致使加工精度不稳定。

因此，现有的掩膜电解加工方法和光导电材料做工具电极加工方法有一定的局限性，在实际生产中有一定困难。因此要发明一种能重复利用的不受掩膜限制的工具电极，能加工成各种与待加工表面相对应的复杂表面，来提高生产效率，降低生产成本。

发明内容

根据上述问题，提供了一种无掩膜电解加工表面微织构的方法。本发明采用电极、掩膜一体化工具阴电极技术，该工具电极可以重复利用，电极无损耗，避免了掩膜重复制备中涂胶、曝光和显影的复杂工艺过程，提高加工质量的稳定性和加工效率。

本发明的技术方案是：

S1.将工件固定在工装夹具上，工具电极与工件同轴安装，使工具电极与工件待加工表面之间留有加工间隙，并且工具电极从上往下压紧在工件上要保证一定的密封性；

S2.将电解电源的正、负极分别与工件和工具电极的导电层相连接；

S3.开启电解液使其通过电解液注入孔进入到电解液分散道，使电解液在经过分散道的分流作用后均匀的进入加工间隙；

S4.启动电解电源使工具电极和工件之间通电，在电解液与电场的共同作用下待加工表面上与微细电极对应区域发生阳极溶解，进而在工件待加工表面形成具有一定微形貌的阵列，即制得表面微织构。

所述工具电极是由导电层、非导电层和微细电极共同组成的掩膜、电极一体化工具电极，其中微细电极按规律排布在非导电层中。

所述微细电极可以根据表面微织构的形貌做成各种形状，其材质采用不与电解液发生反应的导电金属材料。

所述工具电极含有电解液分散道，由电解液注入孔进入的电解液经过电解液分散道分流后进入加工间隙。

本发明与现有技术相比具有以下突出优点：

1.本发明将微细电极排布在非导电层中起到了侧面绝缘的作用，有利于提高电解加工表面微织构的定域性；与传统的掩膜电解加工表面微织构方法相比，无需涂胶/贴膜、曝光、显影等过程，加工过程简化，提高了加工效率，降低了生产成本，同时也解决了掩膜粘贴不牢固的问题；并且不使用掩膜能够增加加工间隙的大小，使电解液流动更充分，及时的带走加工产生的产物及热量，提高加工精度。

2.本发明增加了电解液分散道，能够使电解液在圆周方向均匀的进入加工间隙，能够保证表面微织构的一致性和均匀性。

3.本发明所提供的方法，工具电极可以根据代加工表面加工成与之相对应的复杂形状，如不规则曲面。

附图说明

图1为本发明的无掩膜电解加工表面微织构的加工***图。

图2为本发明在圆柱形工件内表面制备表面微织构加工流程的轴向二维剖视图。

图3为本发明在圆柱形工件内表面制备表面微织构的径向二维剖视图。

图中：1.电解液注入孔,2.工件,3.非导电层,4.导电层,5.加工间隙,6.微细电极,7.电解液分散道,8.电解电源,9.电解液。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整的描述，显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

(1)实验前先根据工件表面微织构的形貌及分布规律制作工具电极，首先将微细电极6按表面微织构的分布规律排布在非导电层3，在利用机械加工方法将非导电层3加工出与工件2待加工表面相对应的形状备用；

(2)实验前用软管依次将电解液注入孔1、压力循环泵、过滤器、电解槽连接组成完整的电解液循环***；

(3)将内径140mm，壁厚6mm，高为270mm的铸铁材料圆筒形工件2用超声波清洗三分钟去油污，再用无水乙醇清洗，最后进行烘干处理；将处理好的工件2安装在定位夹具上，选取与之配套的工具电极***工件内部，调整位置使二者同轴保证工具电极与工件待加工表面的加工间隙均匀分布，工件上表面与工具电极保持紧密接触防止电解液溢出；

(4)将电解电源8的正、负极分别连接到工件2和导电层4上，并调整电解电源8电压为10V，占空比为0.25；

(5)在25度环境下启动压力循环泵，将质量分数为10％的NaNO₃电解液9以一定压力由电解液注入孔1注入电解液分散道7后再分流到加工间隙5，保证加工间隙5中充满电解液；

(6)待电解液9充满加工间隙5后启动电解电源8，此时工件的代加工表面在电场与电解液的共同作用下发生选择性腐蚀，如图2过程所示，形成与阵列微凹坑形状相似、直径为500μm，深度为100微米的微坑。当达到加工尺寸要求后断开电解电源8，随后停止供液。针对不同的深度可以通过调整加工时间来控制，其形状和尺寸与微细电极有关，可根据表面微织构的形貌制备相应的工具电极；

(7)取下加工工件，用超声清洗两分钟并烘干，去除工件表面的电解液防止工件发生锈蚀。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无掩膜电解加工表面微织构的方法，它包括如下步骤：

S1.将工件固定在工装夹具上，工具电极与工件(2)同轴安装，并且工件(2)上表面与工具电极紧密接触并保持密封；

S2.将电解电源(8)的正极与工件(2)相连，负极与工具电极的导电层(4)相连接；

S3.开启电解液使其通过电解液注入孔(1)进入到电解液分散道(7)并经过加工间隙(5)流入电解槽；

S4.启动电解电源(8)使工具电极中的微细电极(6)和工件(2)之间通电形成电场，此时工件(2)的待加工表面在电场与电解液的共同作用下发生选择性腐蚀，进而在工件待加工表面形成具有一定微形貌的阵列，即制得表面微织构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具电极由导电层(4)、非导电层(3)和微细电极(6)组成，微细电极(6)按规律排布在非导电层(3)中并与导电层(4)连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微细电极(6)的截面可以为圆形、三角形、矩形，其材料选自不与电解液(9)发生反应的导电金属。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导电层(4)是镀在非导电层(3)上的一层厚度为0.5-1mm的导电金属材料，其连接着微细电极阵列。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具电极包含电解液分散道(7)，电解液分散道(7)上边与电解液注入孔(1)相连，下边与加工间隙(5)相通。

Images