CN114247944B - 一种场域集中的直写式微细电解加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种场域集中的直写式微细电解加工方法及装置，该方法包括以下步骤：通过装夹机构将工件装夹在工作台上；将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由电解介质制备机构将高分子聚合物颗粒进行溶解、稀释和混合，形成粘稠状的电解介质；通过位置调节机构将输送管的末端引导至工件的上方；通过输送管将粘稠状的电解介质输送至工件上，该电解介质竖立在工件上；通过主轴驱动机构驱动工具移动至工件上方，使工具***电解介质内部；调整工具与工件的间距；接通电源，在工件表面进行电解加工。本发明以高分子聚合物材料作为电解介质的成分，控制电解液的流动特性，提高集中腐蚀能力，减少杂散腐蚀，实现场域集中的直接效果。
Description
技术领域
本发明涉及电解加工方法及装置，具体涉及一种场域集中的直写式微细电解加工方法及装置。
背景技术
电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解，最终两极间各处的间隙趋于一致，工件表面形成与工具工作面基本相似的形状。
微细电解加工的中电解介质起着参与电化学反应、材料的溶解，维持加工稳定性和带离加工产物等作用，故在电解加工中具有重要地位，而电解液的选择取决于多种因素，如加工材料的种类、对环境的污染和加工可持续性等。目前最常用的电解液是中性盐溶液和弱酸性溶液。中性盐溶液分为钝化型与非钝化型盐溶液，钝化型盐溶液含有氧化阴离子如NaNO3、NaClO3，在加工过程中形成氧化膜以减少杂散电流区域工件的溶解，而非钝化型盐溶液含有侵蚀性离子，如NaCl，加工表面质量较好，但是定域性较差。酸性电解液的运用可以减少加工过程中的沉积层，但酸性电解质对电极材料有较高要求。还有一些环保型电解介质如水、柠檬酸等。
现有技术中，有以表面织构的腐蚀系数作为加工定域性的评价指标，提出采用非线性电解液提高电解转印加工表面织构的定域性。通过实验测得非线性电解液硝酸钠溶液的电流效率曲线，建立了极间电场理论模型。模拟和试验结果表明，采用非线性电解液进行电解加工可以有效减少侧向腐蚀，提高电解加工的定域性。陈红雨等人利用硅溶胶与气相二氧化硅各自的特性及工艺，讨论了胶体稳定剂及其他添加剂的作用，初步比较了不同胶体电解质的加工结果。
还有通过射流电解加工进行金属材料的直写式的结构制造，通过高压泵和特制的喷头，把电解液以一定的压力通过喷头喷射到工件表面，在工件和喷头上接通电解电源，使加工区域产生一定的电场，通过电解原理而进行的一种加工方式。
在上述加工方法中，工件接电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙。无论是非线性电解液还是射流电解，加工过程中由于电解液的流体特性，会把工件或者加工区域都浸泡在电解液中，此时，浸泡区域内都会受到电场的影响发生材料去除，不仅造成杂散腐蚀，导致加工精度不高，而且对能量的有效利用率降低，电流效率较低，不易实现精密加工。而且电解液流动难以控制，传统电解液对设备、工装有腐蚀作用，需要经常维护设备，造价较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种场域集中的直写式微细电解加工方法，该直写式微细电解加工方法以高分子聚合物材料作为电解介质的主要成分，能有效控制电解液的流动特性、提高集中腐蚀(定域能力)能力、减少杂散腐蚀，实现场域集中的直接效果。
本发明的另一个目的在于提供一种场域集中的直写式微细电解加工装置。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种场域集中的直写式微细电解加工方法，包括以下步骤：
通过装夹机构将工件装夹在工作台上；
将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块将高分子聚合物颗粒进行溶解、稀释和充分混合，形成粘稠状的液态电解介质；
通过位置调节机构将输送管的末端引导至工件的正上方；
通过输送管将粘稠状的液态电解介质输送至工件上，该液态电解介质竖立在工件上；
通过主轴驱动机构驱动工具移动至工件上方，并调整工具与工件的间距，使工具的底部接触在电解介质的顶部，实现工具与工件电学导通；
接通电源，在工具与工件间形成电场，根据高分子聚合物电解介质的特性，进行工件表面直写式电解加工。
本发明的一个优选方案，其中，在工具与工件之间的电场中，高分子聚合物电解介质利用其链状或网状结构，在电场中约束电场和对电流的流动起搭桥作用，在工件表面产生电化学腐蚀，实现低电流、低功率的电解加工。
一种场域集中的直写式微细电解加工装置，包括工作台、用于对工件进行装夹的装夹机构、用于驱动工具移动至工件上方的主轴驱动机构以及用于供给聚合物电解介质的电解介质供给机构；
所述装夹机构设置在工作台上；
所述电解介质供给机构包括电解介质制备机构和电解介质输送机构，所述电解介质制备机构包括超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块；
所述电解介质输送机构包括输送管和用于调节输送管的末端位置的位置调节机构，所述输送管的首端连接至电解介质制备机构中，末端连接位置调节机构的驱动端上。
上述场域集中的直写式微细电解加工装置的工作原理为：
工作时，通过装夹机构将工件装夹在工作台上；将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块实现不同种类和比例的高分子聚合物电解介质的制备、稀释和充分混合，不同种类和比例的高分子聚合物电解介质其物理特性及加工效果不同，通过控制不同比例的高分子聚合物，形成粘稠状的液态电解介质。
通过位置调节机构将输送管的末端引导至工件的正上方，然后通过输送管将粘稠状的液态电解介质输送至工件上；通过主轴驱动机构驱动工具移动至工件上方，使工具***电解介质内部；调整工具与工件的间距，实现工具与工件电学导通。
最后接通电源，在工具与工件间形成电场，根据高分子聚合物电解介质的特性，进行工件表面直写式电解加工。
本发明的一个优选方案，其中，所述位置调节机构由主轴驱动机构构成；所述输送管的末端与工具均连接在主轴驱动机构的末端驱动端上。这样，先完成电解介质的输送，再调整工具与工件之间的距离，共用一套驱动机构，有利于简化结构、降低生产成本。
本发明的一个优选方案，其中，还包括旋转平台和微三维运动平台，所述旋转平台设置在微三维运动平台上，所述微三维运动平台设置在工作台上；所述装夹机构设置在旋转平台上。通过上述结构，可以使工件进行准确定向运动，保证工件与工具的相对位置，并使加工前混合胶体准确置于工件上，还可实现五轴联动，实现在复杂工件表面的直写式成型电解加工。
本发明的一个优选方案，其中，还包括加工槽，所述装夹机构设置在加工槽中。通过设置加工槽，可以对加工后的电解介质进行临时收集和存放，避免电解介质四处流动。
进一步，所述加工槽设置在旋转平台上。
本发明的一个优选方案，其中，还包括集成控制柜，该集成控制柜集成了整个电解加工的控制程序，可以保证所有工艺的运行。
本发明的一个优选方案，其中，还包括加工电源，该加工电源的正极和负极分别通过导线与工件和工具连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明以高分子聚合物材料作为微细电解加工中电解介质的主要成分，以微量的电解介质作为直写电解加工的中间物质，能有效控制电解液的流动特性、提高集中腐蚀(定域能力)能力、减少杂散腐蚀，实现场域集中的直接效果。
2、由于高分子聚合物所特有的链状和网状结构在加工过程中对能量传输起到搭桥作用，也对溶液中的电解液有约束作用，有助于提高区域内的电流密度及能量传输，电流可以沿高分子聚合物的链状和网状结构中电流的限制和传导效应，限制流向工件的场域分布，对工件进行局部溶解加工，是一种能力利用率高，环境友好的微细电解加工方法。
3、利用所形成的非牛顿流体电解介质和高分子聚合物特有的链状和网状结构，可以控制加工过程中电解液的流动特性，使其不用像普通电解液一样散开在加工区域，限制电解液的流动，从而控制产生的电场范围，只凝聚在局部需要的范围内，实现电流密度的高度集中，这样可以控制加工的范围，约束电场分布，形成场域集中的效果。
附图说明
图1为现有技术的电解介质的加工状态图，其中，a为传统电解液。
图2为本发明的场域集中的直写式微细电解加工装置的结构简图。
图3为本发明的聚合物电解介质的加工状态图，其中，d为聚合物电解液。
图4为本发明的聚合物电解介质的能量传输状态图，其中，b为高分子聚合物链状或网状结构，c为加工中电流流向。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图2-4，本实施例的场域集中的直写式微细电解加工装置，包括工作台1、用于对工件2进行装夹的装夹机构3、用于驱动工具4移动至工件2上方的主轴驱动机构5、用于供给聚合物电解介质的电解介质供给机构6、加工电源7以及集成控制柜8。
所述装夹机构3设置在工作台1上，具体地，所述装夹机构3可采用现有技术的结构。
所述电解介质供给机构6包括电解介质制备机构和电解介质输送机构，所述电解介质制备机构包括超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块；所述电解介质输送机构包括输送管9和用于调节输送管9的末端位置的位置调节机构，所述输送管9的首端连接至电解介质制备机构中，末端连接位置调节机构的驱动端上。
参见图2-4，所述集成控制柜8集成了整个电解加工的控制程序，可以保证所有工艺的运行。
参见图2-4，所述加工电源7的正极和负极分别通过导线与工件2和工具4连接。
参见图2-4，所述位置调节机构由主轴驱动机构5构成；所述输送管9的末端与工具4均连接在主轴驱动机构5的末端驱动端上。这样，先完成电解介质的输送，再调整工具4与工件2之间的距离，共用一套驱动机构，有利于简化结构、降低生产成本。
具体地，所述主轴驱动机构5可采用现有技术的结构，例如多轴机床。
参见图2-4，本实施例的旋转平台10和微三维运动平台11，所述旋转平台10设置在微三维运动平台11上，所述微三维运动平台11设置在工作台1上；所述装夹机构3设置在旋转平台10上。通过上述结构，可以使工件2进行准确定向运动，保证工件2与工具4的相对位置，并使加工前混合胶体准确置于工件2上，还可实现五轴联动，实现在复杂工件2表面的直写式成型电解加工。
参见图2-4，本实施例的还包括加工槽12，所述装夹机构3设置在加工槽12中。通过设置加工槽12，可以对加工后的电解介质进行临时收集和存放，避免电解介质四处流动。
进一步，所述加工槽12设置在旋转平台10上。
由于高分子聚合物有很多种，本实施例以其中一种高分子聚合物(聚丙烯酰胺)对进行解释说明：
聚丙烯酰胺(PAM)是由单体丙烯酰胺(Acrylamide,AM)聚合而成的聚合物，系水性高分子，含有亲水性酰胺基团，易溶于水，形成水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶(polyacrylamidehydrogel,PAHG)是大分子结构排列成网状的三维结构，呈无色、无味、透明均匀的胶冻状，pH值为6.7～9.0。PAHG由于丙烯酰胺亲水基团的存在呈现亲水性强的特点，而聚合物分子的三维网状结构使其具有不溶性和溶胀形状稳定性。在常温和恒温37℃下，PAHG化学结构不发生变化，也不分解产生单体丙烯酰胺，不易变形、容积稳定、不受温度和大气压变化的影响，因此是一种化学性能稳定的高分子聚合物材料。
PAM水解后形成非牛顿流体的高聚电解质，非牛顿流体是指不满足牛顿黏性实验定律的流体,它的剪应力与剪切应变率之间不是线性关系，非牛顿流体具有特殊的流变特性如剪切增稠、剪切变稀、触变性、存在屈服应力等。由于单体丙烯酰胺存在双键和酰胺键，在聚合过程中，发生酰胺基团的水解、酰化、烯醇解；链自由基的链转移产生交联，使PAM高分子结构中包含支链和亚胺桥为主的交联结构。聚丙烯酰胺水溶液的黏度随聚合物分子量的增加而提高，并与聚合物的浓度变化呈对数关系。作为电解质溶液，非牛顿流体相对比传统的电解质溶液有着更高的电流密度和黏度特性，通过控制融入比例和种类，可以控制其流动特性，所以其电解的定域性会大幅度提高，其结构特性使其在加工中对能量利用率有积极作用。
利用所形成的非牛顿流体电解介质和高分子聚合物特有的链状和网状结构，可以控制加工过程中电解液的流动特性，使其不用像普通电解液一样散开在加工区域，只凝聚在所需要的范围内(如图1所示)，这样可以控制加工的范围，约束电场分布，形成场域集中的效果。
参见图2-4，本实施例的场域集中的直写式微细电解加工方法，包括以下步骤：
通过装夹机构3将工件2装夹在工作台1上；
将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块将高分子聚合物颗粒进行溶解、稀释和充分混合，形成粘稠状的液态电解介质；
通过位置调节机构将输送管9的末端引导至工件2的正上方；
通过输送管9将粘稠状的液态电解介质输送至工件2上，该液态电解介质竖立在工件2上；
通过主轴驱动机构5驱动工具4移动至工件2上方，并调整工具4与工件2的间距，使工具4的底部接触在电解介质的顶部，实现工具4与工件2电学导通；
接通电源，在工具4与工件2间形成电场，根据高分子聚合物电解介质的特性，进行工件2表面直写式电解加工。
其中，在工具4与工件2之间的电场中，高分子聚合物电解介质利用其链状或网状结构，在电场中约束电场和对电流的流动起搭桥作用，在工件2表面产生电化学腐蚀，实现低电流、低功率的电解加工。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种场域集中的直写式微细电解加工装置，其特征在于，包括工作台、用于对工件进行装夹的装夹机构、用于驱动工具移动至工件上方的主轴驱动机构、用于供给聚合物电解介质的电解介质供给机构和加工电源；
所述装夹机构设置在工作台上；
所述电解介质供给机构包括电解介质制备机构和电解介质输送机构，所述电解介质输送机构包括输送管和用于调节输送管的末端位置的位置调节机构，所述输送管的首端连接至电解介质制备机构中， 末端连接位置调节机构的驱动端上，所述位置调节机构由所述主轴驱动机构构成，所述输送管的末端与所述工具均竖直向下连接在所述主轴驱动机构的末端驱动端上；
将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由电解介质制备机构将高分子聚合物颗粒进行溶解、稀释和充分混合，形成粘稠状的液态电解介质；
通过位置调节机构将输送管的末端引导至工件的正上方；
通过输送管将粘稠状的液态电解介质输送至工件上，该液态电解介质竖立在工件上；
通过主轴驱动机构驱动工具移动至工件上方，使工具***电解介质内部；
所述工作台上设有微三维运动平台，所述微三维运动平台上设有旋转平台，所述装夹机构设置在旋转平台上；
所述加工电源的正极和负极分别通过导线与工件和工具连接。
2. 根据权利要求 1 所述的场域集中的直写式微细电解加工装置， 其特征在于，所述电解介质制备机构包括超声振动模块、磁力搅拌模块、稀释模块和胶体吸引模块。
3. 根据权利要求 1 所述的场域集中的直写式微细电解加工装置， 其特征在于，还包括加工槽，所述装夹机构设置在加工槽中。
4. 根据权利要求 3 所述的场域集中的直写式微细电解加工装置， 其特征在于，所述加工槽设置在旋转平台上。
5. 根据权利要求 1 所述的场域集中的直写式微细电解加工装置， 其特征在于，还包括集成控制柜，该集成控制柜集成全部电解加工的控制程序。
6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的场域集中的直写式微细电解加工装置的直写式微细电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过装夹机构将工件装夹在工作台上；
将高分子聚合物颗粒置于电解介质制备机构中，由电解介质制备机构将高分子聚合物颗粒进行溶解、稀释和充分混合，形成粘稠状的液态电解介质；
通过位置调节机构将输送管的末端引导至工件的正上方；
通过输送管将粘稠状的液态电解介质输送至工件上，该液态电解介质竖立在工件上；
通过主轴驱动机构驱动工具移动至工件上方，使工具***电解介质内部；调整工具与工件的间距，实现工具与工件电学导通；
接通电源，在工具与工件间形成电场，根据高分子聚合物电解介质的特性，进行工件表面直写式电解加工。
7. 根据权利要求 6 所述的场域集中的直写式微细电解加工方法， 其特征在于，在工具与工件之间的电场中，高分子聚合物电解介质利用其链状或网状结构，在电场中约束电场和对电流的流动起搭桥作用，在工件表面产生电化学腐蚀，实现电解加工。
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