专利名称：一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法
技术领域：
本发明涉及一种金属微小孔阵列加工方法，尤其涉及一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法。
背景技术：
目前，具有微小孔阵列特征的金属结构(根据用途不同分为“滤网”、“滤筛”和“栅极”等)是液压、化工、纺织 、粉体、食品等应用型行业的核心零件之一，承载着高效过滤与粒子筛分等重要任务。相比于编织型网孔制品，薄片型金属微小孔阵列由于其孔形多样、廓形精度高、壁面平滑、使用性能好等特点，具有更高的适应性和实用性，成为现今网片应用领域的主流。但现有的薄片型金属微小孔阵列的网孔轴截面多呈直壁状或锥状，在使用过程中过物(如流体、光、粉体等)性能不好，容易导致挂物和堵塞，工作周期较短，不易清洗，维护困难。而应用实践表明，类似喇叭的外扩形(弧面过渡外扩形)孔能降低微小孔阵列的堵塞程度和几率，延长工作周期，易于清洗，具有很好的使用性能与工作特性。特别是进出口均为外扩形的网孔，综合性能更为出色。目前，电铸或电解加工等电化学加工方法因具有加工效率高、成型表面质量好、孔形不受限制等特点成为金属微小孔阵列的主要加工方法之一。但是，上述电化学加工方法因其自身加工机理与工艺特性的局限性，极难制造出开孔率、孔径、孔轴截面几何形状、厚度等性能与特征协同优化的高品质精细金属微小孔阵列。为此，一些面向高层次金属微小孔阵列加工的改进型或创新型电化学加工工艺手段被研究开发出来。美国专利“processfor manufacturing screens for centrifugals, particularly working screens forcontinuously operating sugar centrifugals (专利号 US4341603) ”提出了一种基于“二次电铸+化学腐蚀”的工艺方法，以制备大厚度的单面外扩形网孔的制糖分离筛，但工艺过程繁琐。申请号为201110200283. 0的中国专利《一种喇叭形微小孔阵列电铸成型用芯模的制造方法》，公开了一种基于静电挤压法来制作用于电铸制造单面喇叭形微小孔阵列的电铸芯模的成形方法，可控性好，但操作难度较大，工艺成本较高。上述以电铸为工艺主体的加工方法，往往只能用于制造单面外扩形的金属微小孔阵列，且电铸用芯模的制作工艺繁琐，芯模不可重复使用，成本很高。掩膜电解或照相电解工艺虽然能获得单面或双面外扩形的金属微小孔阵列，但是，这些制作工艺每次都必需制备高形位精度和重复精度的且含有镂空结构阵列的屏蔽膜，并将其以单面或双面形式涂覆或紧密贴合在工件(阳极)上，以定义被电化学溶解的区域，工艺复杂，操作要求高；同时，由于电解加工无法避免的各向近似等速刻蚀的特性，孔廓形精度可控性较差，极难制造出开孔率大、网片厚、孔径小的高精度金属精细微小孔阵列。因此，现有的用于制造金属微小孔阵列的各种电化学加工方法，普遍存在工艺复杂，芯模或掩模制作要求高且无法重复使用，成本高，极难获得高性能的精细金属微小孔阵列。
发明内容
本发明的目的是提供一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，能够简化工艺，低成本高效率地生产小孔径、高开孔率、大厚度的双面外扩型金属微小孔阵列。本发明采用下述技术方案
一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，包括以下步骤 A :使用惰性金属薄板制作具有贯穿微小孔群结构特征的模板；
B:在模板的一面紧密贴合电绝缘屏蔽层；C :把模板置于电铸槽中，模板未贴合电绝缘屏蔽层的一面与电铸阳极正对布置，模板与电铸电源负极相连接，电铸阳极与电铸电源正极相连接，电铸金属层；
D:电铸完成后，去除模板一面贴合的电绝缘屏蔽层，在模板另一面电铸金属层的表面紧密贴合另一电绝缘屏蔽层；
E:把带有电铸金属层的模板置于电解加工槽中，并将模板无电铸金属层的一面与电解阴极正对布置，以模板为阳极对模板微小孔内的电铸金属进行电解加工；
F:电解除去模板微小孔孔壁上的电铸金属后，将电铸金属层从模板上剥离下来。所述的惰性金属薄板为钛、钼等不易被电化学溶解的金属。所述的薄板厚度不大于2mm。所述微小孔的横截面面积小于微小孔内壁面积。所述微小孔的横截面形状为圆形、四边形或多边形等任意形状。所述的模板为平面型、曲面型或圆筒型模板。所述的电绝缘屏蔽层为光刻胶、绝缘胶布或PVC电绝缘胶膜等不导电的非金属材料。本发明利用惰性金属不易被电化学溶解的特性，以含有微小型通孔阵列的惰性金属模板为基础，通过电铸和电解组合工艺来制造高性能双面外扩形金属微小孔阵列，能够极大地降低成本，简化工艺，高效率地批量生产小孔径、高开孔率、大厚度的双面外扩型金属微小孔阵列。
图I为本发明的流程 图2为本发明所述惰性金属薄板的结构示意 图3为图2的AA面剖视 图4为本发明所述惰性金属薄板电铸原理 图5为本发明所述惰性金属薄板电解原理 图6为本发明所述双面外扩形金属微小孔阵列的结构示意 图7为在电铸工艺步骤中电铸金属在钛板上的生长数值仿真曲线 图8为在电解工艺步骤中电铸金属被逐渐蚀除的数值仿真曲线图。
具体实施例方式如图I所示，本发明包括以下步骤
A :使用惰性金属薄板制作具有贯穿微小孔群结构特征的模板；B:在模板的一面紧密贴合电绝缘屏蔽层；
C:把模板置于电铸槽中，模板未贴合电绝缘屏蔽层的一面与电铸阳极正对布置，模板与电铸电源负极相连接，电铸阳极与电铸电源正极相连接，电铸金属层；
D:电铸完成后，去除模板一面贴合的电绝缘屏蔽层，在模板另一面电铸金属层的表面紧密贴合另一电绝缘屏蔽层；
E:把带有电铸金属层的模板置于电解加工槽中，并将模板无电铸金属层的一面与电解阴极正对布置，以模板为阳极对模板微小孔内的电铸金属进行电解加工；
F:电解除去模板微小孔孔壁上的电铸金属后， 将电铸金属层从模板上剥离下来。其中，惰性金属薄板为钛、钼等不易被电化学溶解的金属，且薄板厚度不大于2mm ；微小孔的横截面面积小于微小孔内壁面积；微小孔的横截面形状为圆形、四边形或多边形等任意形状；模板为平面型、曲面型或圆筒型模板；电绝缘屏蔽层为光刻胶、绝缘胶布或PVC电绝缘胶膜等不导电的非金属材料。本实施例中，惰性金属薄板采用厚度为Imm的钛板I ;微小孔横截面形状为直径
0.5mm的圆形，模板采用平面型模板，电绝缘屏蔽层采用PVC电绝缘胶膜。加工本发明所述的双面外扩形金属微小孔阵列时，按照以下步骤
(1)如图2和图3所示，采用冲孔或激光打孔的方式在厚度为Imm的钛板I上制作规则布排的直径为0. 5mm的贯穿微小孔群阵列，制成模板；
(2)将钛板I清洗并去除表面氧化层后，在钛板I的一面紧密贴合一层PVC电绝缘胶膜
2；
(3)如图4所不,把钛板I置于电铸槽中，将钛板I未贴合PVC电绝缘胶膜2的一面与电铸阳极4水平正对布置，将钛板I与电铸电源负极连接，电铸阳极4与电铸电源正极连接，在10A/dm2的电流密度下采用高速冲液搅拌电铸3小时，获得厚度大约为0. 2mm的电铸镍金属层3。(4)电铸完成后，去除贴合在钛板I 一面的PVC电绝缘胶膜2，并在钛板I另一面电铸金属层3的表面紧密贴合另一层PVC电绝缘胶膜5 ；
(5)如图5所示，把带有电铸金属层3的钛板I置于电解加工槽中，将钛板I无电铸金属层3的一面与电解阴极6水平正对布置，且钛板I与电解阴极6的间隙小于1mm，在间隙内通入压力为0. 8Mpa、质量分数为15%的NaNO3电解液，钛板I接通到电源正极，电解阴极6接通到电源负极,在25V的电压下电解腐蚀3至5分钟。(6)电解除去钛板I微小孔孔壁上的电铸金属后，将电铸金属层3从钛板I上剥离下来，即获得进出口均为弧面过渡的双面外扩形金属微小孔阵列7。在电铸工艺步骤中，电铸金属在钛板I上的生长数值仿真曲线图如图7所示，其中，a为0. 5小时，b为I小时，c为2小时，d为3小时。在电铸工艺步骤中，由于钛板I 一面被PVC电绝缘胶膜2屏蔽，被沉积金属只能堆积在钛板I未屏蔽面和微小孔孔壁上。因为钛板I的微小孔结构破坏了钛板I表面的连续性，改变了钛板I上各导电区域与电铸阳极4间的距离，致使本该近似均匀分布于钛板I表面上的电流密度，在微小孔孔沿处发生了突变，出现了微小孔孔沿外表面局部区域电流密度最大化集中，而沿微小孔孔壁深度方向梯度递减的分布特性。根据电铸时金属的沉积速度正比于电流密度大小的特点，电铸步骤结束后，电铸金属层3呈现出近微小孔孔沿区域厚度大、沿微小孔孔壁深度方向逐渐变薄的分布特征，总体上，展现为缩孔形弧面外扩廓形。在电解工艺步骤中，电铸金属被逐渐蚀除的数值仿真曲线图如图8所示，其中，e为30秒，f为60秒，g为120秒，h为180秒。由于电铸金属层3表面被PVC电绝缘胶膜5屏蔽，电化学溶解过程只可能发生在钛板I导电面和微小孔孔内壁，但钛板I材料为惰性金属不被电化学溶解，因此， 只有惰性金属模板钛板I微小孔孔壁内的电铸金属层3被电解加工。电解加工时，一方面，由于钛板I微小孔孔内各处电铸金属层3与电解阴极6的距离沿微小孔孔深方向逐渐增大，对应地，电流密度自钛板I表面沿微小孔孔深方向呈现梯度下降特征；另一方面，由于惰性金属模板钛板I微小孔孔壁对电解电流的近距离吸收特性，使得电流密度在微小孔孔径方向上呈现沿微小孔孔中心逐渐递减的分布特性。这样，空间上，电流密度呈现一个孔中心部分大、而四周小的分布格局。同样，根据电解加工速度近似正比于电流密度的特性。电解加工完成后，钛板I微小孔孔内的电铸金属层3被溶解为具有内凹弧面特征的喇叭状或伞状廓形结构。因此，从钛板I上被剥离下来的电铸金属层3，即为由众多双向弧面外扩形金属微小孔结构个体组成的网板制品，双向弧面外扩形金属微小孔的进出口分别具有由电铸形成的缩孔形弧面外扩结构和由电解加工形成的内凹弧面特征。
权利要求
1.一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于包括以下步骤 A :使用惰性金属薄板制作具有贯穿微小孔群结构特征的模板； B:在模板的一面紧密贴合电绝缘屏蔽层；C:把模板置于电铸槽中，模板未贴合电绝缘屏蔽层的一面与电铸阳极正对布置，模板与电铸电源负极相连接，电铸阳极与电铸电源正极相连接，电铸金属层； D:电铸完成后，去除模板一面贴合的电绝缘屏蔽层，在模板另一面电铸金属层的表面紧密贴合另一电绝缘屏蔽层； E:把带有电铸金属层的模板置于电解加工槽中，并将模板无电铸金属层的一面与电解阴极正对布置，以模板为阳极对模板微小孔内的电铸金属进行电解加工； F:电解除去模板微小孔孔壁上的电铸金属后，将电铸金属层从模板上剥离下来。
2.根据权利要求I所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述的惰性金属薄板为钛、钼等不易被电化学溶解的金属。
3.根据权利要求I或2所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述的薄板厚度不大于2_。
4.根据权利要求3所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述微小孔的横截面面积小于微小孔内壁面积。
5.根据权利要求4所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述微小孔的横截面形状为圆形、四边形或多边形等任意形状。
6.根据权利要求5所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述的模板为平面型、曲面型或圆筒型模板。
7.根据权利要求6所述的双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，其特征在于所述的电绝缘屏蔽层为光刻胶、绝缘胶布或PVC电绝缘胶膜等不导电的非金属材料。
全文摘要
本发明公开了一种双面外扩形金属微小孔阵列加工方法，利用惰性金属不易被电化学溶解的特性，以含有微小型通孔阵列的惰性金属模板为基础，通过电铸和电解组合工艺来制造高性能双面外扩形金属微小孔阵列，能够极大地降低成本，简化工艺，高效率地批量生产小孔径、高开孔率、大厚度的双面外扩型金属微小孔阵列。
文档编号B23H3/00GK102764920SQ20121023322
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月6日 优先权日2012年7月6日
发明者吕文星, 吕珍斌, 商静瑜, 张小明, 明平美, 李松昭, 李红光, 秦歌 申请人:河南理工大学