本發(fā)明涉及電解/電化學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法。

背景技術(shù)：

具有微結(jié)構(gòu)的表面稱為微結(jié)構(gòu)功能表面，這種功能表面對(duì)零部件的使用性能具有很大程度的影響，在許多領(lǐng)域均顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值。其中表面帶有曲折微溝槽結(jié)構(gòu)的零部件在傳熱特性、流體動(dòng)力學(xué)特性、能量轉(zhuǎn)換特性、化學(xué)反應(yīng)特性、仿生特性、摩擦特性等方面表現(xiàn)出與光滑表面更為優(yōu)異的特點(diǎn)，應(yīng)用潛力巨大，如燃料電池雙極板、熱管、微流控芯片、活塞環(huán)的減摩降阻等等。

對(duì)于平面曲折微溝槽，目前的加工方法主要有：沖壓成形、機(jī)械加工、激光加工、電火花加工、電解加工等。沖壓成形是一種低成本快速加工微小平面溝槽的有效方法，但沖壓成形與液壓成形方法容易使板料等零件變形、產(chǎn)生裂紋等缺陷，需要采取先成形再整形的方法解決板料局部變形問(wèn)題，且對(duì)于較厚零件上的溝槽加工，由于需要的沖壓力過(guò)大而無(wú)法實(shí)現(xiàn)；采用機(jī)械加工方法，對(duì)難加工材料加工困難，刀具磨損嚴(yán)重，且加工后的溝槽表層存在殘余應(yīng)力，溝槽容易變形，溝槽一般有邊角毛刺等缺陷；激光加工由于熱效應(yīng)的影響，在溝槽表面存在重熔層和翻邊，在對(duì)表面質(zhì)量要求嚴(yán)格的使用場(chǎng)合必須進(jìn)行磨料氣射流或化學(xué)研磨等二次加工，且加工復(fù)雜曲折微溝槽時(shí)，對(duì)激光焦點(diǎn)的控制要求較高；而電火花加工微溝槽時(shí)則存在加工效率較低、工具電極易損耗而需時(shí)常更換等問(wèn)題。

電解加工技術(shù)具有非接觸、無(wú)切削力、與材料強(qiáng)度硬度等機(jī)械性能無(wú)關(guān)、無(wú)工具損耗、效率高等優(yōu)點(diǎn)，為金屬表面平面曲折微溝槽結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量低成本加工提供了有效途徑。但電解加工時(shí)的電場(chǎng)、流場(chǎng)等需要認(rèn)真考慮和恰當(dāng)設(shè)計(jì)，否則加工的精度和效率等難以得到有效保證。

采用電解銑削的加工方式，配合工具電極或工件的數(shù)控運(yùn)動(dòng)，可以用微細(xì)柱狀或螺旋狀電極加工出平面彎曲微溝槽結(jié)構(gòu)，但由于微細(xì)電解加工通常利用微秒甚至納秒脈寬電流，速度很慢，因此該方法效率低，不適合批量制作；雖然有人利用群陣列電極加工，成倍提高了加工速度，但微溝槽的加工效率仍然較低，使得該方法不適合群槽結(jié)構(gòu)的批量加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，可以在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的平面曲折群溝槽，并且掩模板可多次重復(fù)使用，降低了成本。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置，包括：腔體，連接在所述腔體里的襯底，安裝在所述襯底上的工件，設(shè)置在所述工件的上表面的掩模板，以及設(shè)置在所述掩模板的上表面的陰極塊；其中，

所述掩模板的內(nèi)部設(shè)置有加工區(qū)彎折主流道，以及與所述加工區(qū)彎折主流道的彎折處連接的輔助供液流道。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述加工區(qū)彎折主流道為鏤空結(jié)構(gòu)，所述輔助供液流道為凹槽結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，一條所述加工區(qū)彎折主流道具有兩個(gè)彎折處；

各所述彎折處具有一條所述輔助供液流道。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述輔助供液流道的延伸方向均相同。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述加工區(qū)彎折主流道的寬度比所述輔助供液流道的寬度寬；

所述加工區(qū)彎折主流道的高度比所述輔助供液流道的高度高。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述工件的上表面與所述掩模板的下表面緊密貼合；

所述陰極塊的下表面與所述掩模板的上表面緊密貼合。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，還包括：直流電源；

所述直流電源的正極與所述工件電性連接；負(fù)極與所述陰極塊的外壁電性連接。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，還包括：水泵、水槽和夾具；

所述水泵的一端與所述水槽連接，所述水泵的另一端與所述夾具的入液口連接；

所述夾具的入液口與所述掩模板連接，所述夾具的出液口與所述水槽連接。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種平面曲折群溝槽的電解加工方法，包括：

在水泵的作用下將電解液從水槽中抽出；

所述電解液流入夾具的入液口，并流入掩模板的加工區(qū)彎折主流道和連接在所述加工區(qū)彎折主流道的彎折處的輔助供液流道；

所述電解液從所述夾具的出液口流回所述水槽。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述電解加工方法中，所述掩模板的加工區(qū)彎折主流道和輔助供液流道的圖形通過(guò)3D打印工藝或微銑削工藝形成。

本發(fā)明所提供的一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，包括：腔體，連接在腔體里的襯底，安裝在襯底上的工件，設(shè)置在工件的上表面的掩模板，以及設(shè)置在掩模板的上表面的陰極塊；其中，掩模板的內(nèi)部設(shè)置有加工區(qū)彎折主流道，以及與加工區(qū)彎折主流道的彎折處連接的輔助供液流道。由于本發(fā)明的掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進(jìn)行電解加工，并在加工區(qū)彎折主流道的折彎處進(jìn)行輔助供液，可以使曲折微溝道在電解加工時(shí)的各段電解液流場(chǎng)基本均勻，將流場(chǎng)約束在微小的流道里面進(jìn)行電解加工，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的平面曲折群溝槽，并且掩模板可多次重復(fù)使用，降低了成本。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的掩模板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a和圖3b分別為本發(fā)明實(shí)施例提供的掩模板與工件貼合時(shí)的剖面示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的平面曲折群溝槽加工區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的掩模板內(nèi)部增設(shè)輔助供液流道的平面曲折群溝槽電解加工方法電場(chǎng)圖；

圖6a和圖6b分別為現(xiàn)有技術(shù)中掩模板內(nèi)部未增設(shè)輔助供液流道時(shí)流場(chǎng)速度云圖；

圖7a和圖7b分別為本發(fā)明實(shí)施例提供的掩模板內(nèi)部增設(shè)輔助供液流道時(shí)流場(chǎng)速度云圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例提供的平面曲折群溝槽的電解加工方法流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

其中，附圖中各結(jié)構(gòu)的大小和形狀不反映用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置的真實(shí)比例，目的只是示意說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。

本發(fā)明提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置，如圖1所示，包括：腔體1，連接在腔體1里的襯底2，安裝在襯底2上的工件3，設(shè)置在工件3的上表面的掩模板4，以及設(shè)置在掩模板4的上表面的陰極塊5；其中，

如圖2所示，掩模板4的內(nèi)部設(shè)置有加工區(qū)彎折主流道41，以及與加工區(qū)彎折主流道41的彎折處連接的輔助供液流道42。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進(jìn)行電解加工，通過(guò)在掩模板內(nèi)部增設(shè)有輔助供液流道，在流場(chǎng)不均勻處(即加工區(qū)彎折主流道的彎折處)進(jìn)行輔助供液，將流場(chǎng)約束在微小的流道里面進(jìn)行電解加工，可以使曲折微溝道在電解加工時(shí)的各段電解液流場(chǎng)基本均勻，改善溝槽各段流場(chǎng)均勻性，另外電解液流速大大提升，有利于排出電解產(chǎn)物，使加工順利進(jìn)行，在流程中段可以提供新鮮電解液，以維持電導(dǎo)率穩(wěn)定，使加工精度提升，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的平面曲折群溝槽，并且掩模板可多次重復(fù)使用，降低了成本。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖3a和圖3b所示，加工區(qū)彎折主流道41可以為鏤空結(jié)構(gòu)，輔助供液流道42可以為凹槽結(jié)構(gòu)。也可以理解為，加工區(qū)彎折主流道41上下完全貫穿，這樣電場(chǎng)可以通過(guò)，而輔助供液流道42上下不貫穿，起屏蔽電場(chǎng)和改善流場(chǎng)的作用。需要說(shuō)明的是，輔助供液流道42開(kāi)在掩模板的上表面，下表面留一定厚度起屏蔽非加工電場(chǎng)的作用，所留的厚度應(yīng)該盡量小些，以避免產(chǎn)生的階梯流場(chǎng)影響電解加工表面質(zhì)量。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖2所示，掩模板4總共有三條流道，加工區(qū)彎折主流道41具有一條，輔助供液流道42具有兩條。具體地，一條加工區(qū)彎折主流道41具有兩個(gè)彎折處；各彎折處具有一條輔助供液流道42。

進(jìn)一步地，在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖2所示，兩條輔助供液流道42的延伸方向可以是相同的，圖2中的兩條輔助供液流道42均向左延伸，這樣輔助供液流道可以提供新鮮電解液，使整個(gè)加工區(qū)電解液的電導(dǎo)率等電化學(xué)特性保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，保證前后段加工尺寸的均勻性。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，加工區(qū)彎折主流道的寬度比輔助供液流道的寬度寬；加工區(qū)彎折主流道的高度比輔助供液流道的高度高。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖4和圖5所示，工件3的上表面與掩模板4的下表面緊密貼合；陰極塊5的下表面與掩模板4的上表面緊密貼合，這樣掩模板與工件、陰極塊緊貼，加工間隙為掩模板厚度，形成狹小流場(chǎng)域，將電場(chǎng)和流場(chǎng)同時(shí)約束在狹小流場(chǎng)域，電解液高速流過(guò)，帶走不溶性電解產(chǎn)物、氣泡和加工中產(chǎn)生的熱量，使加工定域性更好、電解液流速提升、排屑能力更好。需要說(shuō)明的是，這里的緊密貼合的方式可以具體為將陰極塊直接蓋在掩模板上，在陰極塊上施加壓力，使掩模板靠機(jī)械力貼合，改變以往靠膠貼或者直接在工件/陰極塊上光刻制備掩膜的方法，并且掩模板可以根據(jù)加工不用溝槽尺寸要求而做更換。如圖5所示，電場(chǎng)得到約束，即電場(chǎng)線集中垂直于工件3表面，最大限定地可以防止電場(chǎng)發(fā)散導(dǎo)致側(cè)向腐蝕，提高復(fù)制精度，使電解加工精度大大提高。

在供電方面，在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖1所示，還可以包括：直流電源6；該直流電源6的正極與工件3電性連接；負(fù)極與陰極塊5的外壁電性連接；該部分由導(dǎo)電材料制備能將電流傳遞到其下端，這樣流場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)接通，隨著加工的進(jìn)行，最終加工出微溝槽。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖1所示，還可以包括：水泵7、水槽8和夾具9；水泵7的一端與水槽8連接，水泵7的另一端與夾具9的入液口連接；夾具9的入液口與掩模板4連接，夾具9的出液口與水槽8連接。夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，實(shí)用性強(qiáng)。

利用仿真軟件對(duì)未增設(shè)有輔助供液流道和增設(shè)有輔助供液流道的裝置進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如下：

如圖6a和6b所示，掩模板上不加輔助供液流道時(shí)，利用仿真軟件進(jìn)行仿真，流場(chǎng)選用的物理場(chǎng)為湍流穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，仿真條件為：入口壓力為0.4MPa(左邊入液口邊界)，出口壓力為0Pa(右邊出液口邊界)，流場(chǎng)寬度1.5mm，流場(chǎng)高度1mm?？梢郧逦l(fā)現(xiàn)加工區(qū)彎折主流道中流場(chǎng)在拐彎處流速不均勻，呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)流速高，外側(cè)流速底的情形，主要是因?yàn)橐后w是沿流程最小的方向運(yùn)動(dòng)。這種流場(chǎng)的不均勻在電解加工中會(huì)使內(nèi)外兩側(cè)加工量不同，體現(xiàn)為內(nèi)側(cè)電解產(chǎn)物排出順利，電解量大，外側(cè)容易形成電解產(chǎn)物堆積，電解量小，影響槽底面加工精度。

如圖7a和7b所示，掩模板上增設(shè)輔助流道供液時(shí)，利用仿真軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真，選用的物理場(chǎng)為湍流穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，仿真條件為：入口壓力0.4MPa(左邊入液口邊界)，出口壓力為0Pa(右邊出液口邊界)，加工區(qū)彎折主流道的流場(chǎng)寬度1.5mm，流場(chǎng)高度1.5mm，輔助供液流道的流場(chǎng)寬度1mm，流場(chǎng)高度1mm。根據(jù)仿真結(jié)果，認(rèn)為增設(shè)輔助流道供液后流場(chǎng)的改善體現(xiàn)為：1、通常電解液在流道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)造成沿程壓力損失，輔助流道供液可以補(bǔ)償壓力損失；2、通常電解液流動(dòng)過(guò)程中在彎折處形成流場(chǎng)的不均勻，輔助供液流道的合理布置能有降低不均勻程度；3、未加輔助流道供液時(shí)，入口處為新鮮電解液使加工表面質(zhì)量較好，但在出口處電解產(chǎn)物聚集使加工表面較差；而增設(shè)輔助流道供液后，新鮮電解液補(bǔ)充在加工區(qū)后段使流速提升，有利于電解液更新和電解產(chǎn)物的排除，進(jìn)而得到較好的加工表面。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種平面曲折群溝槽的電解加工方法，如圖8所示，具體包括以下步驟：

S801、在水泵的作用下將電解液從水槽中抽出；

S802、電解液流入夾具的入液口，并流入掩模板的加工區(qū)彎折主流道，以及與加工區(qū)彎折主流道的彎折處連接的輔助供液流道；

S803、電解液從夾具的出液口流回水槽。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述電解加工方法中，在水泵的作用下將電解液從水槽中抽出，流入夾具左端的入液口，進(jìn)而流入掩模板加工區(qū)彎折主流道和輔助供液流道中，最后從夾具右端的出液口流回水槽，這樣輔助供液流道在流場(chǎng)不均勻處(即加工區(qū)彎折主流道的彎折處)進(jìn)行輔助供液，可以使曲折微溝道在電解加工時(shí)的各段電解液流場(chǎng)基本均勻，改善溝槽各段流場(chǎng)均勻性，另外電解液流速大大提升，有利于排出電解產(chǎn)物，使加工順利進(jìn)行，在流程中段可以提供新鮮電解液，以維持電導(dǎo)率穩(wěn)定，使加工精度提升。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述電解加工方法中，掩模板的加工區(qū)彎折主流道和輔助供液流道的圖形尺寸可以按照加工要求確定，具體工藝可以通過(guò)3D打印工藝或微銑削工藝形成，這樣具有工藝周期短、可反復(fù)使用、可制備復(fù)雜流道、設(shè)計(jì)靈活性大等特點(diǎn)，該掩模板起到屏蔽非加工區(qū)電場(chǎng)、約束流場(chǎng)在加工區(qū)流動(dòng)、在流程拐彎處均勻流場(chǎng)的作用。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，包括：腔體，連接在腔體里的襯底，安裝在襯底上的工件，設(shè)置在工件的上表面的掩模板，以及設(shè)置在掩模板的上表面的陰極塊；其中，掩模板的內(nèi)部設(shè)置有加工區(qū)彎折主流道，以及與加工區(qū)彎折主流道的彎折處連接的輔助供液流道。由于本發(fā)明的掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進(jìn)行電解加工，并在加工區(qū)彎折主流道的折彎處進(jìn)行輔助供液，從而使曲折微溝道在電解加工時(shí)的各段電解液流場(chǎng)基本均勻，改善溝槽各段流場(chǎng)均勻性，另外電解液流速大大提升，有利于排出電解產(chǎn)物，使加工順利進(jìn)行，在流程中段可以提供新鮮電解液，以維持電導(dǎo)率穩(wěn)定，使加工精度提升，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的平面曲折群溝槽，并且掩模板可多次重復(fù)使用，降低了成本。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。