輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明提出了一種輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統及方法，屬微細電 解加工技術領域。
【背景技術】
[0002] 摩擦磨損是工業設備失效的主要原因之一，據統計，工業化國家能源的30%消耗 在機械磨損，大約有80%的零件損壞是由于各種形式的磨損引起。磨損不僅消耗能源和材 料，而且加速設備報廢，導致頻繁更換零件，對經濟造成極大的損失。因此，減少無用的摩擦 損耗，控制和減小磨損，改善潤滑性能可減少設備維修次數和費用，可以節約能源和提高資 源的利用率。減小磨損，降低摩擦也是工程界長期致力于需要解決的重大技術難題之一。
[0003] 早在上世紀中期，人們已經認識到汽缸的表面加工紋理對活塞/汽缸摩擦學特性 的顯著作用，研究人員對金剛石、陶瓷以及橡膠等不同表面加工工具對表面加工紋理的影 響進行了細致的研究，發現一定加工紋理的存在，能夠起到保存潤滑油，防止活塞/缸體產 生咬死和擦傷的效果。目前在表面摩擦學性能的研究中，表面織構技術在改善表面摩擦磨 損性能方面起到了積極的作用，尺寸為數微米至數百微米的微小凹坑和微小溝槽形狀的表 面織構已成功地應用在在機械部件、磁性存儲器等摩擦表面，取得了顯著的提高承載力、減 小磨損、以及避免表面粘附和咬死的效果。近年來，隨著研究的不斷深入，研究人員已形成 共識：摩擦副表面的微小凹坑陣列具有極佳的抗磨減摩性能。
[0004] 有效的微小凹坑陣列制造技術是該項技術工程化的重要保障。近年來，研究人員 在摩擦副表面微小凹坑陣列制造加工領域傾注了極大的研究熱情，提出了多種制造加工方 法，試圖解決這個制造難題。目前摩擦副表面織構制造加工方法主要有激光加工表面織構 技術，磨料氣射流技術，電火花加工技術，電解加工技術等。其中，電解加工是一種利用電化 學陽極溶解原理去除材料的特種加工方法。與其他加工方法比較，具有加工范圍廣，生產效 率高，表面質量好，工具無損耗等突出優點。用電解方法加工微小凹坑效率高，表面質量好， 成本低。
[0005] 目前國內外使用電解加工微小凹坑陣列的方法主要是模板電解加工。采用具有貫 穿群孔結構的絕緣材料作為模板與工件緊密貼合，同時與平板陰極之間形成流道，陰陽極 接通電源后進行電解加工，在工件表面得到群坑結構。該方法加工效率高，成本低廉。然而 在模板電解加工中由于電場邊緣效應，造成工件表面各掩模孔內的電場分布不均勻，位于 工件邊緣掩模孔內的電場強度大于工件中心掩模孔內的電場強度，因而各個微坑腐蝕速度 不一致，微坑尺寸差異大，導致加工結果不理想。因此，有必要探索一種新方法，在保證模板 電解加工效率的同時，提高陣列微坑的尺寸精度和均勻性。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是針對目前模板電解加工陣列微坑尺度均勻性差的缺點，提出了輔 助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的方法及裝置。利用本發明可以顯著提高電解加工微小 陣列微坑尺度均勻性。
[0007] -種輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統，包括上夾具、下夾具、安裝于上 夾具的工具陰極、安裝于下夾具的工具陽極，工具陰極和工具陽極之間形成電解液流道；還 包括緊貼于工具陽極表面的掩模板，掩模板具有貫穿群孔結構；還包括正、負極分別與工具 陽極、工具陰極相連的主電源；還包括輔助陽極，它由不溶性金屬制作，它固定在下夾具上 并環繞在工件陽極邊緣；還包括正、負極分別與輔助陽極、工具陰極相連的輔助電源。
[0008] 利用所述的輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統的方法，其特征在于：上 述主電源電壓高于輔助電源；輔助電源電壓是主電源電壓的〇. 5-0. 75 ; 本發明的有益特點在于：采用輔助陽極固定在工件陽極周圍，加工時可以改變工件表 面的電場分布，當輔助陽極施加合適的電壓時可以促使工件表面電場均勻分布。
[0009] 在掩模電解加工陣列微坑中，由于電場邊緣效位于邊緣掩模孔內的電場強度大于 中心掩模孔內的電場強度，從而造成因而各個微坑腐蝕速度不一致，微坑尺寸差異大。采用 帶有正電位的輔助陽極后，工件表面邊緣掩模孔內的電場強度減小并和中心掩模孔內的電 場強度趨于一致，使得整個工件表面各掩模孔內的腐蝕速度趨于一致，從而提高微細電解 加工陣列微小凹坑的尺寸均勻性。若輔助電壓是主電壓的〇. 5,能夠改善電場，但不能完全 消除電場的不均勻性；輔助電壓是主電壓的〇. 75時會造成邊緣電場比中心電場低，同樣也 不能滿足要求。
[0010] 所述的輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統，其特征在于：為不影響流場 的穩定性，上述輔助陽極其厚度在0,1mm-Imm之間，且此厚度已經能滿足要求。
【附圖說明】
[0011] 圖1傳統掩模微細電解加工陣列微小凹坑的方法示意圖； 圖2本發明采用輔助陽極掩模微細電解加工陣列微小凹坑的方法示意圖； 圖3工件表面掩模孔內電流密度取樣編號示意圖； 圖4傳統掩模與帶有不同正電位的輔助陽極掩模微細電解加工工件表面掩模孔內電 流密度分布對比圖 其中標號名稱：1、上夾具，2、工具陰極，3、電解液，4、輔助陽極，5、掩模板，6、工件陽極， 7、下夾具，8、輔助電源，9、主電源。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖具體說明實施本發明--"采用輔助陽極掩模微細電解加工陣列微 小凹坑的系統及方法。
[0013] 本發明采用輔助陽極掩模微細電解加工陣列微小凹坑的方法，包括下列步驟： (a) 、制作帶有貫穿且一致的群孔結構掩模板5 ; (b) 、將掩模板5與工件陽極6緊密貼合，二者放入下夾具7內； (c) 、將輔助陽極4固定在下夾具7上，環繞在工件陽極6周圍； (d) 、將工具陰極2裝夾在上夾具1內，固定在掩模板5上方，與下夾具7之間形成流 道； (e) 、輔助陽極4與工件陰極2分別與電源8正負極連接； (f) 、工件陽極6與工件陰極2分別與電源9正負極連接； (g) 、在流道內通入電解液3,電解液通過掩模板5上貫穿的群孔到達工件陽極6表面； (h) 、接通電源8和9,進行電解加工。
[0014] 上述輔助陽極所加電壓小于工件陽極所加電壓。
[0015] 本例利用有限元軟件分析如圖3所示工件表面各個掩模孔內電流密度。
[0016] 由電流密度和電場強度的關系：
【主權項】
1. 一種輔助陽極掩模微細電解加工陣列微小凹坑的系統，包括上夾具（1)、下夾具 (7)、安裝于上夾具（1)的工具陰極（2)、安裝于下夾具（7)的工具陽極（6)，工具陰極（2)和 工具陽極（6)之間形成電解液流道；還包括緊貼于工具陽極（6)表面的掩模板（5)，掩模板 (5) 具有貫穿群孔結構；還包括正、負極分別與工具陽極（6)、工具陰極（2)相連的主電源 (9)； 其特征在于： 還包括輔助陽極（4)，它由不溶性金屬制作，它固定在下夾具（7)上并環繞在工件陽極 (6) 邊緣；還包括正、負極分別與輔助陽極（4)、工具陰極（2)相連的輔助電源（8)。
2. 根據權利要求1所述的輔助陽極掩模微細電解加工陣列微小凹坑的系統，其特征在 于：上述輔助陽極其厚度在〇. Imm-Imm之間。
3. 利用權利要求1所述的輔助陽極掩模微細電解加工陣列微小凹坑的系統的方法，其 特征在于： 上述主電源（9)電壓高于輔助電源（8);輔助電源（8)電壓是主電源（9)電壓的 0. 5-0. 75 ； 在掩模電解加工陣列微小凹坑中，由于采用帶有正電位的輔助陽極后，工件表面邊緣 掩模孔內的電流密度和中心掩模孔內的電流密度趨于均勻，使得整個工件表面各掩模孔內 的腐蝕速度趨于一致，從而提高微細電解加工陣列微小凹坑的尺寸均勻性。
【專利摘要】本發明提出了輔助陽極掩模微細電解加工陣列微坑的系統及方法，屬微細電解加工技術領域。該系統包括上夾具（1）、下夾具（7）、安裝于上夾具（1）的工具陰極（2）、安裝于下夾具（7）的工具陽極（6）、工具陽極（6）表面具有群孔結構的掩模板（5）、固定在下夾具（7）并環繞工件陽極（6）邊緣的輔助陽極（4），工具陰極（2）和工具陽極（6）之間形成電解液流道；還包括主電源（9）和輔助電源（8），其正極分別與工件陽極（6）和輔助陽極（4）相連，負極均與工具陰極（2）相連。其特征在于輔助電源電壓小于主電源電壓，兩者之間具有電位差，使工件表面各掩模孔內的電流密度一致，從而提高陣列微坑的尺寸均勻性。
【IPC分類】B23H9-00, B23H3-00
【公開號】CN104607734
【申請號】CN201410753031
【發明人】曲寧松, 陳曉磊, 房曉龍
【申請人】南京航空航天大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月11日