專利名稱：陣列微坑電解加工方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陣列微坑電解加工方法及系統(tǒng)，屬電解加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
機(jī)械零件的表面磨損是機(jī)械零件失效的主要形式之一，不僅浪費(fèi)大量能源與資 源，而且導(dǎo)致部件頻繁更換與維修，加快了設(shè)備的報(bào)廢，間接和直接地造成了大量的經(jīng)濟(jì) 損失，極大地影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。據(jù)測(cè)算，紡織機(jī)械干摩擦所消耗的功率是其總功率 的85% ；汽車的功率消耗中，摩擦損失占48%，遠(yuǎn)高于用于保持巡航的17%和用于加速的 35%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值為11694億元，摩擦磨損有關(guān)方面的花費(fèi)按占 國(guó)民經(jīng)濟(jì)年生產(chǎn)總值的5%，其損失為584. 7億元。由此可見(jiàn)，摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是 十分巨大的。減少摩擦磨損，降低設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，從而提高資源的利用率，對(duì)于我們 這個(gè)人均資源十分貧乏的國(guó)家具有戰(zhàn)略意義。其收益包括以下幾個(gè)方面(1)減少能源消 耗；⑵提高機(jī)器的功率輸出；⑶減少潤(rùn)滑油的消耗；⑷減少有害氣體的排放；(5)提高 機(jī)器及其零部件的使用 壽命和可靠性；(5)減少對(duì)維護(hù)的需求，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。改善機(jī)械系統(tǒng)的摩擦性能對(duì)提高機(jī)器的承載能力和使用壽命有著重要作用。工程 實(shí)踐表明，通過(guò)改變潤(rùn)滑油的化學(xué)成分以及降低潤(rùn)滑油粘度可以減少潤(rùn)滑油中硫、磷含量， 降低環(huán)境污染；另一種合理的方法是對(duì)摩擦副工作表面進(jìn)行精加工，如表面拋光、研磨等， 從而達(dá)到減小摩擦副之間的摩擦損耗的目的，但受材料性質(zhì)和加工精度的影響，粗糙度的 提高已經(jīng)達(dá)到了極限水平。表面工程技術(shù)的進(jìn)步為更好地控制材料的摩擦學(xué)行為提供了多 種有效的解決方法，其中表面織構(gòu)技術(shù)作為精確表面工程在提高摩擦副承載能力以及抗磨 減摩性能方面有著明顯的改善效果。大量的理論研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，合理的表面織構(gòu)能 夠產(chǎn)生流體動(dòng)壓，儲(chǔ)存潤(rùn)滑液，為表面提供潤(rùn)滑、容納磨屑以及減少表面吸附力等效果。日 本本田汽車株式會(huì)社的研究者利用粒徑40um陶瓷球高速噴射(v> 100m/S)的方法在活塞 表面加工出平均深度為0. 6um-l. 8um的微小凹坑(micro-dimple)。運(yùn)行120小時(shí)以后，發(fā) 動(dòng)機(jī)整體的機(jī)械損失降低了 2%-2.6%。近兩年，隨著研究的不斷深入，研究人員已形成共 識(shí)摩擦副表面的微小凹坑陣列具有極佳的抗磨減摩性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員在摩擦副表面微坑陣列的制造領(lǐng)域傾注了極大地?zé)崆椤?目前的表面微坑制造技術(shù)主要有自激振動(dòng)加工方法、低頻振動(dòng)沖擊加工方法、數(shù)控激光珩 磨方法、電火花放電加工方法、超聲加工方法、松孔鍍鉻方法、微研磨方法和電解加工方法。電解加工是一種基于陽(yáng)極電化學(xué)溶解原理去除金屬材料的制造技術(shù)，具有加工范 圍廣，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好，工具無(wú)損耗等突出優(yōu)點(diǎn)。用電解方法加工摩擦副表面微坑 陣列效率高，而且表面質(zhì)量好。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，使用電解加工微細(xì)群坑、群孔等相似 結(jié)構(gòu)的方法主要有以下幾種1)活動(dòng)模板電解加工?；顒?dòng)模板是由絕緣層和金屬層構(gòu)成， 并帶有貫穿的群孔結(jié)構(gòu)。加工過(guò)程中，金屬層作為工具陰極提供電場(chǎng)。該方法加工效率高， 成本低廉，但是由于陰極側(cè)壁提供電場(chǎng)，所以雜散腐蝕比較大。2)雙極性電極電解加工。雙 極性電極是在活動(dòng)模板的絕緣層一側(cè)增加輔助陽(yáng)極層，從而可以有效地減小雜散腐蝕，提高加工精度。但是輔助陽(yáng)極層增加了模板的厚度，不利于電解產(chǎn)物的及時(shí)排出，而且，在多 次加工后，輔助陽(yáng)極層容易剝落，導(dǎo)致雙極性電極的重復(fù)利用率降低。3)群電極電解加工。 群電極電解加工是使用一排電極分幾次加工陣列圖形或使用陣列群電極進(jìn)行一次加工。該 方法電極制作過(guò)程復(fù)雜，電極尺寸以及加工后陣列微坑尺寸的一致性很難保證。4)電液束 加工。電液束加工屬于單點(diǎn)或單排加工，加工效率比較低。5)絕緣板掩模電解。絕緣板掩 模電解是將帶圖案的絕緣板通過(guò)夾緊裝置與陽(yáng)極貼緊后進(jìn)行電解加工的一門特種加工工 藝，加工效率高，可以一次同時(shí)在金屬基體表面加工數(shù)千到數(shù)萬(wàn)個(gè)直徑幾十微米到幾百微 米，深度為幾微米到幾十微米的微小凹坑，加工所需時(shí)間僅為幾秒鐘到幾分鐘。該方法工藝 過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，加工效率高。在以上多種電解微坑的方法中，絕緣板掩模電解加工中 絕緣模板制作流程最簡(jiǎn)易，可一次制作，多次使用，降低了加工成本，而且極大地提高了加 工效率。在電解加工過(guò)程中，只要陰陽(yáng)極間有電解液流過(guò)，就會(huì)產(chǎn)生電流，發(fā)生 陽(yáng)極溶解現(xiàn) 象，這就意味著已加工區(qū)域或不需要加工區(qū)域的材料被去除，這種現(xiàn)象稱為雜散腐蝕。根 據(jù)國(guó)內(nèi)外的摩擦試驗(yàn)研究表明，摩擦副表面的微小凹坑的直徑一般控制在幾微米到幾十微 米時(shí)，減摩效果比較顯著。但是掩模電解加工存在嚴(yán)重的雜散腐蝕現(xiàn)象，相對(duì)于模板上的 微孔，加工后的微坑直徑明顯擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了加工精度和減摩效果。目前，減小模板電解 加工雜散腐蝕的方法主要有1)改進(jìn)電解液，降低電解液濃度，可以明顯降低側(cè)面材料加 工速度，但是材料的縱向腐蝕速度也被減慢，影響了加工效率，而且，當(dāng)微坑深度增加時(shí)，側(cè) 向腐蝕的減小無(wú)明顯效果；2)增加絕緣層厚度，減小側(cè)面材料腐蝕速度，但是對(duì)于微坑的 加工，絕緣層過(guò)厚不利于電解液沖液以及電解產(chǎn)物的及時(shí)排出；3)采用雙極性電極進(jìn)行加 工，增加的輔助陽(yáng)極可以有效降低雜散腐蝕，但是雙極性電極增加了模板的厚度，不利于加 工產(chǎn)物及時(shí)排出，而且雙極性電極制作工藝復(fù)雜，重復(fù)利用率低。因此，有必要探索新的高 效、低成本的掩模板陣列微坑電解加工工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種陣列微坑電解加工方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有絕緣模板微坑陣列 電解加工過(guò)程中雜散腐蝕比較大的缺點(diǎn)，顯著提高電解加工的定域性和微細(xì)尺度加工能 力。一種陣列微坑電解加工方法，包括下列步驟(a)、制作帶有貫穿群孔結(jié)構(gòu)的模板； (b)、將模板與工件陽(yáng)極緊密貼合；(c)、工具陰極和工件陽(yáng)極分別與電源正負(fù)極連接；(d)、 在工具陰極和模板之間通入電解液，使電解液通過(guò)模板上的貫穿群孔到達(dá)陽(yáng)極表面；(e) 接通電源進(jìn)行電解加工；其特征在于上述模板為惰性金屬模板。一種陣列微坑電解加工系統(tǒng)，包括工件陽(yáng)極、帶有貫穿群孔結(jié)構(gòu)的模板、工具陰 極、電源，其特征在于于上述模板為惰性金屬模板。在電解池中，電極本身不參與反應(yīng)的電極稱為惰性電極，反之稱為非惰性電極。石 墨、鉬等電極為惰性電極，其它電極一般為非惰性電極。惰性金屬模板是不易得失電子的， 一般不與電解液反應(yīng)。上述惰性金屬模板具體材料可以為金、鉬或銠等。使用本發(fā)明的加工方法，可以有效地減弱了加工區(qū)域周圍的雜散腐蝕，提高了微 坑加工的定域性和微細(xì)尺度加工能力。


圖1是采用惰性金屬模板的微細(xì)群坑電解加工方法示意圖。圖2是惰性金屬模板示意圖。圖2(a)和圖2(b)分別是主視圖和剖視圖。圖3是分別采用絕緣模板和采用惰性金屬模板的電解加工微坑時(shí)，加工區(qū)域電場(chǎng) 等勢(shì)面分布示意圖比較。圖3(a)是采用絕緣模板的電解加工微坑時(shí)，電場(chǎng)區(qū)域電場(chǎng)等勢(shì)面 分布示意圖；圖3(b)采用惰性金屬模板的電解加工微坑時(shí)，電場(chǎng)區(qū)域電場(chǎng)等位面分布示意 圖。圖4是采用絕緣模板和采用惰性金屬模板的電解加工微坑結(jié)果示意圖比較。圖 4(a)是采用絕緣模板的電解微坑加工結(jié)果示意圖；圖4(b)是采用惰性金屬模板的電解微 坑加工結(jié)果示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)名稱1.工具陰極，2.電解液，3.惰性金屬模板，4.工件陽(yáng)極，5.電源， 6.絕緣層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1、圖2具體說(shuō)明實(shí)施本發(fā)明——“采用惰性金屬的微細(xì)群坑電解加工 方法”1)在惰性金屬板上加工出微小陣列群孔，得到惰性金屬模板3 ；2)通過(guò)夾持工具，將惰性金屬模板3與工件陽(yáng)極4加工表面緊密貼合；3)分別將工件陽(yáng)極4、工具陰極1與電源5的正負(fù)極相連接；4)在工具陰極1和惰性金屬模板3之間通入電解液2，電解液2沖入惰性金屬模 板3中的微小孔，到達(dá)工件陽(yáng)極4的加工表面5)接通電源，進(jìn)行電解加工。本發(fā)明的特點(diǎn)是帶有陣列群孔的惰性金屬板作為電解加工的模板，可以把金屬板 上的圖案轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極表面，同時(shí)，該金屬板也作為電解加工的輔助陽(yáng)極，改變了加工區(qū)域的 電勢(shì)分布，減弱了加工區(qū)域周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度，減小了微坑的雜散腐蝕。由有限元分析可得， 絕緣板掩模電解加工過(guò)程中，加工區(qū)域上方的等勢(shì)面呈均勻分布(見(jiàn)圖3(a))。而使用本發(fā) 明的加工過(guò)程中，加工區(qū)域上方的等勢(shì)面比較集中在加工區(qū)域的中心區(qū)域，而邊緣區(qū)域的 等勢(shì)面分布較稀疏(見(jiàn)圖3(b))。由電場(chǎng)理論可知，等勢(shì)面越密的區(qū)域，電力線也越密，則電 場(chǎng)強(qiáng)度就越高，反之亦然。因此，采用絕緣板掩模電解加工過(guò)程中，加工區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度比 較均勻，工件在深度方向上被腐蝕的同時(shí)，側(cè)面方向上也在被腐蝕，從而導(dǎo)致加工后的微坑 直徑大于絕緣模板上微孔的直徑(見(jiàn)圖4(a))。在本發(fā)明中，使用金屬模板作為掩模時(shí)，力口 工區(qū)域的電場(chǎng)主要集中在加工區(qū)域的中心區(qū)域，而邊緣區(qū)域由于等勢(shì)面分布非常稀疏，其 電場(chǎng)強(qiáng)度趨于零，因此在加工過(guò)程中，陽(yáng)極工件在深度方向被腐蝕時(shí)，加工區(qū)域周邊幾乎不 發(fā)生腐蝕，因而可以極大地減小雜散腐蝕(見(jiàn)圖4(b))。
權(quán)利要求
一種陣列微坑電解加工方法，包括下列步驟(a)、制作帶有貫穿群孔結(jié)構(gòu)的模板；(b)、將模板與工件陽(yáng)極(4)緊密貼合；(c)、工具陰極(1)和工件陽(yáng)極(4)分別與電源(5)正負(fù)極連接；(d)、在工具陰極(1)和模板之間通入電解液(2)，使電解液通過(guò)模板上的貫穿群孔到達(dá)陽(yáng)極表面(4)；(e)接通電源(5)進(jìn)行電解加工；其特征在于上述模板為惰性金屬模板(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列微坑電解加工方法，其特征在于上述惰性金屬模板材 料具體為金、鉬或銠。
3.一種陣列微坑電解加工系統(tǒng)，包括工件陽(yáng)極(4)、帶有貫穿群孔結(jié)構(gòu)的模板、工具陰 極(1)、電源(5)，其特征在于于上述模板為惰性金屬模板(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陣列微坑電解加工系統(tǒng)，其特征在于上述惰性金屬模板材 料具體為金、鉬或銠。
全文摘要
一種陣列微坑電解加工方法及系統(tǒng)，屬于電解加工技術(shù)領(lǐng)域。包括下列步驟(a)制作帶有貫穿群孔結(jié)構(gòu)的模板；(b)將模板與工件陽(yáng)極(4)緊密貼合；(c)工具陰極(1)和工件陽(yáng)極(4)分別與電源(5)正負(fù)極連接；(d)在工具陰極(1)和模板之間通入電解液(2)，使電解液通過(guò)模板上的貫穿群孔到達(dá)陽(yáng)極表面(4)；(e)接通電源(5)進(jìn)行電解加工；其特征在于上述模板為惰性金屬模板(3)。本發(fā)明及系統(tǒng)解決了現(xiàn)有絕緣模板微坑陣列電解加工過(guò)程中雜散腐蝕比較大的缺點(diǎn)，顯著提高電解加工的定域性和微細(xì)尺度加工能力。
文檔編號(hào)B23H11/00GK101862870SQ20101020500
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者曲寧松, 朱荻, 錢雙慶 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)