本發(fā)明涉及電解加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于射流電解加工微溝槽的裝置及射流電解加工方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，產(chǎn)品逐漸向精密化和高性能化發(fā)展，具有微尺度溝槽特征的金屬零部件在摩擦學(xué)、傳熱傳質(zhì)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域扮演的角色愈加重要。在摩擦學(xué)領(lǐng)域，微溝槽是改善摩擦副摩擦性能的有效手段，主要應(yīng)用于摩擦工況惡劣的摩擦副接觸面。在傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域，微型熱管技術(shù)已經(jīng)成為解決微電子高熱流密度元器件散熱問(wèn)題的主要手段，其中微溝槽特征結(jié)構(gòu)在微型熱管中扮演著重要的角色，它能夠降低流體熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散傳質(zhì)阻力，提高傳熱性能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鈦合金被廣泛應(yīng)用于人工骨骼、牙科以及心臟支架等方面。研究表明具有微溝槽結(jié)構(gòu)的表面能夠提高鈦合金植入體的生物相容性，不僅能夠提升其骨整合能力，并且有利于其與周圍組織的融合，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，研究人員針對(duì)金屬微溝槽結(jié)構(gòu)的制造加工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(gè)制造難題。目前加工方法主要有激光加工技術(shù)，磨料氣射流技術(shù)，電火花加工技術(shù)，射流電解加工技術(shù)等。其中，射流電解加工是一種利用電化學(xué)陽(yáng)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，效率高，表面質(zhì)量好，工具無(wú)損耗等突出優(yōu)點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外使用電解加工微溝槽的方法主要是射流電解加工和掩膜電解加工。其中射流電解加工技術(shù)是將金屬噴嘴作為陰極并噴出高速電解液到達(dá)工件表面，然后利用電化學(xué)溶解原理實(shí)現(xiàn)微溝槽射流電解加工的方法。掩膜電解加工是基于光刻工藝和電解加工中陽(yáng)極溶解原理，將工件陽(yáng)極表面經(jīng)光刻處理后形成具有溝槽圖案的結(jié)構(gòu)，之后再進(jìn)行電解加工的一門特種加工方法。

射流電解加工適合加工高深寬比微溝槽的加工，但其加工微溝槽的寬度主要由噴嘴的內(nèi)徑?jīng)Q定，目前最小的噴嘴直徑為100μm，若噴嘴過(guò)小會(huì)使噴出的電解液發(fā)生霧化，導(dǎo)致無(wú)法加工。因此該方法難以實(shí)現(xiàn)寬度100μm以下微溝槽的加工。

掩膜電解加工通常采用光刻工藝，將不需要加工的部分采用光刻膠保護(hù)，只裸露出需要加工的微溝槽部分。由于微溝槽結(jié)構(gòu)具有很大的長(zhǎng)寬比，電解加工產(chǎn)生的氣泡、不溶性產(chǎn)物、焦耳熱等副產(chǎn)物沿程積累會(huì)導(dǎo)致電解液電導(dǎo)率沿流程分布不均，造成材料溶解不均勻，嚴(yán)重影響微溝槽截面尺寸一致性。此外，光刻膠掩膜無(wú)法重復(fù)使用，每個(gè)工件都需經(jīng)過(guò)進(jìn)行光刻工藝，加工效率低，并且隨著加工深度的增加，側(cè)向腐蝕嚴(yán)重，因此目前掩膜電解加工不適合加工高深寬比微溝槽。

因此，如何實(shí)現(xiàn)微尺度、高深寬比微溝槽的電解加工，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于射流電解加工微溝槽的裝置及射流電解加工方法，可以改變加工區(qū)的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)模式，能有效提高微溝槽的加工定域性并實(shí)現(xiàn)高深寬比微溝槽的加工。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于射流電解加工微溝槽的裝置，包括：金屬噴嘴和位于所述金屬噴嘴的出口處的導(dǎo)電模板；其中，

所述導(dǎo)電模板內(nèi)部設(shè)置有單個(gè)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，還包括：用于控制位于所述導(dǎo)電模板下表面的金屬工件移動(dòng)的控制部件；

所述金屬噴嘴和所述導(dǎo)電模板均為固定的部件。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，所述金屬噴嘴與所述導(dǎo)電模板的間距為2mm至10mm。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，所述微通孔結(jié)構(gòu)的直徑范圍為20μm至100μm。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，所述導(dǎo)電模板的厚度范圍為50μm至200μm。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，所述導(dǎo)電模板的材料為惰性金屬或石墨。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，還包括：電源；

所述電源的正極與所述金屬工件電性連接；所述電源的負(fù)極與所述金屬噴嘴電性連接。

本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種射流電解加工方法，包括：

利用壓力泵供液，使金屬噴嘴噴出柱狀電解液到達(dá)導(dǎo)電模板表面；

部分電解液通過(guò)所述導(dǎo)電模板內(nèi)部的微通孔結(jié)構(gòu)到達(dá)金屬工件表面；

控制部件控制所述金屬工件移動(dòng)以進(jìn)行微溝槽的加工。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述射流電解加工方法中，所述金屬噴嘴與所述導(dǎo)電模板的間距為2mm至10mm。

優(yōu)選地，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述射流電解加工方法中，所述微通孔結(jié)構(gòu)的直徑范圍為20μm至100μm。

本發(fā)明所提供的一種用于射流電解加工微溝槽的裝置及射流電解加工方法，包括：金屬噴嘴和位于金屬噴嘴的出口處的導(dǎo)電模板；其中，導(dǎo)電模板內(nèi)部設(shè)置有單個(gè)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中噴嘴和導(dǎo)電模板固定，通過(guò)移動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)微溝槽的加工。由于本發(fā)明通過(guò)具有微通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電模板可以約束加工區(qū)，突破現(xiàn)有射流電解加工尺寸極限，并且高速?zèng)_刷的電解液可以將加工區(qū)產(chǎn)物迅速帶出，有利于大深度微溝槽的加工；同時(shí)導(dǎo)電模板改變了加工區(qū)的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)模式，增強(qiáng)定向腐蝕能力，提高加工定域性，有利于高深寬比微溝槽的加工，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的微溝槽。

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)施例提供的用于射流電解加工微溝槽的裝置的俯視示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于射流電解加工微溝槽的裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的在導(dǎo)電模板與絕緣模板下加工區(qū)電場(chǎng)歸一化分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的射流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射流電解加工微溝槽的裝置的真實(shí)比例，目的只是示意說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。

本發(fā)明提供一種用于射流電解加工微溝槽的裝置，包括：金屬噴嘴和位于金屬噴嘴的出口處的導(dǎo)電模板；其中，

導(dǎo)電模板內(nèi)部設(shè)置有單個(gè)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)。

以圖1為例，本發(fā)明提供的用于射流電解加工微溝槽的裝置，包括：金屬噴嘴1，該金屬噴嘴1可以噴出高速電解液2，還包括：位于金屬噴嘴1的出口處(即金屬噴嘴的正下方)的導(dǎo)電模板3；該導(dǎo)電模板3內(nèi)部設(shè)置有單個(gè)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)4。具體地，金屬工件5位于導(dǎo)電模板3的下表面，即金屬工件5與導(dǎo)電模板3緊密貼合，金屬噴嘴1作為陰極，金屬工件5作為陽(yáng)極，基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理，將金屬工件5表面經(jīng)電解加工處理后形成具有微溝槽6的圖形。

需要說(shuō)明的是，微通孔結(jié)構(gòu)可以通過(guò)激光加工技術(shù)形成，利用單個(gè)微通孔結(jié)構(gòu)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單條或多條微溝槽的加工。金屬噴嘴的內(nèi)徑一般在1mm至5mm，可以噴出具有0mpa至0.5mpa壓力的柱狀電解液到達(dá)導(dǎo)電模板表面，保證導(dǎo)電模板和金屬工件的緊密貼合，同時(shí)一部分柱狀電解液以一定的速度通過(guò)導(dǎo)電模板內(nèi)部的微通孔結(jié)構(gòu)到達(dá)金屬工件表面。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，通過(guò)具有微通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電模板可以約束加工區(qū)，突破現(xiàn)有射流電解加工尺寸極限，并且高速?zèng)_刷的電解液可以將加工區(qū)產(chǎn)物迅速帶出，有利于大深度微溝槽的加工；同時(shí)導(dǎo)電模板改變了加工區(qū)的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)模式，增強(qiáng)定向腐蝕能力，提高加工定域性，有利于高深寬比微溝槽的加工，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射流電解加工微溝槽的裝置中，如圖1所示，還包括：用于控制位于導(dǎo)電模板3下表面的金屬工件5移動(dòng)的控制部件(圖1中未示出)；此時(shí)金屬噴嘴1和導(dǎo)電模板3均為固定的部件，可以理解為加工過(guò)程中金屬噴嘴1和導(dǎo)電模板3固定(可以通過(guò)工裝夾具對(duì)其進(jìn)行固定)，僅通過(guò)控制金屬工件5的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)微溝槽6的加工，這樣通過(guò)控制工件的運(yùn)動(dòng)軌跡可以實(shí)現(xiàn)不同形狀微溝槽的高效、精密加工；并且，在加工過(guò)程中，導(dǎo)電模板不發(fā)生溶解，沒(méi)有損傷，可以重復(fù)使用，提高了微溝槽電解加工的加工效率。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，金屬噴嘴與導(dǎo)電模板的間距可以設(shè)置為2mm至10mm。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，微通孔結(jié)構(gòu)的直徑范圍可以設(shè)置為20μm至100μm。由于微溝槽的寬度由微通孔結(jié)構(gòu)的直徑?jīng)Q定，突破了傳統(tǒng)射流加工尺寸收噴嘴尺寸的限制。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，導(dǎo)電模板的厚度范圍可以設(shè)置為50μm至200μm。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述用于射流電解加工微溝槽的裝置中，由于該惰性金屬或石墨具有良好的導(dǎo)電性且不易發(fā)生溶解，導(dǎo)電模板的材料可以為惰性金屬或石墨。

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射流電解加工微溝槽的裝置中，如圖1所示，還包括：電源7；電源7的正極與金屬工件5電性連接；電源7的負(fù)極與金屬噴嘴1電性連接；當(dāng)接通電源7并控制金屬工件5的移動(dòng)(移動(dòng)方向可以選擇圖1中方向8)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不同形狀的微溝槽6的加工。

本發(fā)明還利用有限元分析圖2所示的單個(gè)微通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)金屬工件5表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而解釋導(dǎo)電模板3相比絕緣模板能改變電場(chǎng)分布，提高加工定域性的原因，分析過(guò)程如下：

由電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系：

i＝κ·e

腐蝕速度與電流密度的關(guān)系：

ν＝ηωi

其中：

i--電流密度；

κ--電導(dǎo)率；

e--電場(chǎng)強(qiáng)度；

ν--腐蝕速度；

η--加工效率；

ω--電化學(xué)當(dāng)量

可知電場(chǎng)強(qiáng)度與電流密度成正比，電流密度與腐蝕速度成正比。仿真具體參數(shù)設(shè)置條件如下：

電源電壓：15v

噴嘴與工件陽(yáng)極間距：5mm

模板厚度：50μm

模板微孔直徑：100μm

利用有限元電場(chǎng)計(jì)算分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理(e/emax)，歸一化處理可以直觀顯示出微孔內(nèi)工件表面各個(gè)位置的電場(chǎng)分布情況，結(jié)果如圖3所示。

傳統(tǒng)的電解加工通常采用絕緣模板，根據(jù)圖3的結(jié)果可知，單個(gè)微孔內(nèi)邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度略大于中心位置，在加工的過(guò)程中，邊緣腐蝕速度會(huì)大于中心腐蝕速度，造成較大的側(cè)向腐蝕。而采用導(dǎo)電模板，電場(chǎng)分布發(fā)生了巨大變化，微孔邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇下降至0左右，而中心的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，這有利于降低溝槽邊緣的側(cè)向腐蝕，提高加工的定域性；而本發(fā)明采用導(dǎo)電模板射流電解加工能改變加工區(qū)的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)模式，能有效提高微溝槽的加工定域性并實(shí)現(xiàn)高深寬比微溝槽的加工。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種射流電解加工方法，如圖4所示，具體包括以下步驟：

s401、利用壓力泵供液，使金屬噴嘴噴出柱狀電解液到達(dá)導(dǎo)電模板表面；

s402、部分電解液通過(guò)導(dǎo)電模板內(nèi)部的微通孔結(jié)構(gòu)到達(dá)金屬工件表面；

s403、控制部件控制金屬工件移動(dòng)以進(jìn)行微溝槽的加工。

需要說(shuō)明的是，步驟s401在金屬噴嘴噴出柱狀電解液到達(dá)導(dǎo)電模板表面的過(guò)程中促使了導(dǎo)電模板與金屬工件的緊密貼合。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述射流電解加工方法中，加工區(qū)一直保持在微通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，避免傳統(tǒng)掩模電解加工長(zhǎng)流道產(chǎn)物堆積等引起的尺寸精度問(wèn)題；加工過(guò)程中僅通過(guò)控制金屬工件移動(dòng)軌跡，可以利用簡(jiǎn)單的微通孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同形狀微溝槽的加工；并且，本發(fā)明提供的導(dǎo)電模板可以改變加工區(qū)電場(chǎng)分布，增強(qiáng)定向腐蝕能力，提高加工定域性，實(shí)現(xiàn)高深寬比微溝槽加工。該方法簡(jiǎn)便易行，并能取得良好的效果。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述射流電解加工方法中，金屬噴嘴與導(dǎo)電模板的間距可以設(shè)置為2mm至10mm。

在具體實(shí)施時(shí)，在本發(fā)明實(shí)施例提供的上述射流電解加工方法中，微通孔結(jié)構(gòu)的直徑范圍可以設(shè)置為20μm至100μm。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種用于射流電解加工微溝槽的裝置及射流電解加工方法，包括：金屬噴嘴和位于金屬噴嘴的出口處的導(dǎo)電模板；其中，導(dǎo)電模板內(nèi)部設(shè)置有單個(gè)或單排陣列微通孔結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程中噴嘴和導(dǎo)電模板固定，通過(guò)移動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)微溝槽的加工。由于本發(fā)明通過(guò)具有微通孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電模板可以約束加工區(qū)，突破現(xiàn)有射流電解加工尺寸極限，并且高速?zèng)_刷的電解液可以將加工區(qū)產(chǎn)物迅速帶出，有利于大深度微溝槽的加工；同時(shí)導(dǎo)電模板改變了加工區(qū)的電場(chǎng)分布和流場(chǎng)模式，增強(qiáng)定向腐蝕能力，提高加工定域性，有利于高深寬比微溝槽的加工，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質(zhì)量較高的微溝槽。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的用于射流電解加工微溝槽的裝置及射流電解加工方法進(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)。