一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法
【专利摘要】本发明是一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法，涉及到电化学加工及仿生学等领域。具体为：电解加工准备阶段，包括利用3D打印技术制备具有鲨鱼皮表面微结构的凝胶模具和配制电解液NaNO3；电解加工阶段，包括利用凝胶模具制备具有表面微细结构的凝胶。采用自动电解加工或者手动电解加工进行电解处理；在加工完成后，需对加工表面清洗，以除去电屑和杂质。本发明拟用包含着电解液的凝胶包裹的工具电极作为阳极，工件作为阴极，进行电解加工。电解液NaNO3由于被凝胶的空间网状结构所吸附，所以电解反应区域被凝胶形状所限制，而凝胶形状通过仿鲨鱼皮表面结构的模具成型，可以对工件表面进行精细加工。
【专利说明】一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及仿生学及微细电化学加工【技术领域】具体涉及一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法。
【背景技术】
[0002]快速游动的鲨鱼，其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构，人们认为这种结构能在湍流流动中减小表面摩擦阻力。人们仿真这种生物结构来进行实验研宄和应用，通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状结构，使得摩擦阻力最大减小了近10%。但是，通过复制的方法制造仿鲨鱼皮结构，需鲨鱼皮作样本，不符合保护鲨鱼的初衷，并且对金属表面加工微细结构非常困难，容易加工失败。电解加工作为新兴的微细加工方法，具有加工质量好，加工精度高和无表面残余应力等优点。电解加工技术广泛应用于加工微细结构及难加工材料。凝胶作为具有一定空间结构的胶状体可以充满大量的液体介质，从而保证电解加工的范围及时间。
【发明内容】
[0003]本
【发明内容】
实质在于提供一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法。旨在通过以凝胶为介质利用微细电解加工技术制造具有鲨鱼皮结构特征的金属表面，通过凝胶吸附电解质溶液控制加工表面区域，提高加工区域的精确性，保证凝胶模具上仿鲨鱼皮表面形状可以完全的复制到加工零件表面。
[0004]本发明提出的凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法，其特征在于具体步骤如下:
(I).电解加工准备阶段
(1.1)制备模具，在电脑中建立具有鲨鱼皮表面结构的模具，将所述模具导入到3D打印机，并将其制作出来；
(1.2).配制电解液，配制浓度为10g/L的NaNO3溶液，以备电解加工；
(2).电解加工阶段
(2.1).制备凝胶；将步骤(1.2)得到NaNO3溶液、二甲基乙酰基乙酰胺DMAA、粘土和光引发剂DEAP按照质量比例70:70:29:1混合均匀后置于凝胶模具中，并照射紫外光线，进而得到具有一定形状的凝胶；
(2.2).电解加工，所述电解加工方法可以采用自动电解加工或手动电解加工；
对于自动电解加工，所述自动电解加工采用的加工系统包括机床控制单元、电源、机床传动单元、机床执行单元、加工平台及工具阳极；将加工工件固定在加工平台上，所述加工工件与电源负极连接；电源正极连接工具阳极，所述工具阳极一端与机床执行单元相连，另一端安装步骤(2.1)得到的凝胶；机床控制单元通过事先设定好的程序及加工过程中反馈的信号控制机床执行单元的X、Y、Z方向的进给运动和电源的通闭；工具阳极通过机床执行单元运动实现与加工平台上的加工工件相对运动，并且Y轴每次移动的距离等于凝胶的长度；机床控制单元根据反馈信号对电解加工电源实时控制；
对于手动电解加工，将步骤(2.1)从凝胶模具中制作的凝胶和工具阳极取出安装在手柄连接处，通过手动控制凝胶电极在加工工件表面的运动；具体是:去掉位于凝胶模具两侧的挡板，将步骤(2.1)得到的凝胶和工具电极取出，将突出的工具阳极部分安装在手柄连接处，加工工件则固定在加工平台上，并与电源负极相连，工作人员手持手柄，拇指按住手柄上的开关，开始加工；距离块会控制凝胶和加工工件表面的距离，即加工间隙，防止由于工作人员的手抖，造成加工线路短路、加工表面形状不一致等缺陷；
(3).电解加工后处理
在完成电解加工之后，需要对加工工件表面进行清洗，以去除电肩和杂质，并检查加工效果。
[0005]本发明中，所述自动电解加工时，工具阳极一端被凝胶包裹，其余部分则通过绝缘材料固定在机床执行单元上。
[0006]本发明中，凝胶模具通过3D打印技术制造，凝胶模具的表面是利用仿生学优化的鲨鱼皮表面结构。
[0007]本发明中，所述工具阳极一端被凝胶包裹，其他部分通过绝缘材料固定在执行单元上。
[0008]本发明中的电解介质是吸附了电解液NaNO3的凝胶，由于凝胶具有一定的空间结构，所以可以很好的将凝胶模具上的仿鲨鱼皮表面结构复制到金属工件加工表面。
[0009]本发明中在加工过程中，凝胶包裹的电解质NaNCV^液浓度会随着加工的进行逐渐降低，为了保证加工的可持续进行，需定时向凝胶中补充NaNO3溶液。
[0010]本发明中电解加工的质量与电解电压、加工速度以及加工间隙有关，所以加工时，需结合三者控制加工过程，从而高效高质的完成电解加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是凝胶制备装置模型；
图2是手动电解加工不意图；
图3是自动电解加工示意图；
图4是手动加工装置模型；
图中标号:1为加工工件，2为加工平台，3为电源，4为凝胶，5为工具阳极，6为绝缘材料层，7为机床执行单元，8为手柄，9为机床传动单元，10为机床控制单元，11为开关，12为距离块，13为凝胶模具，14为挡板。
【具体实施方式】
[0012]本发明运用到了仿生学知识和电解加工技术，下面结合加工简图对本发明加工方法进行详细说明。对于本发明的一般步骤是:加工准备阶段，凝胶的制备，合理选择自动或者是手动的加工方式，加工平台的搭建，电解加工和加工后处理。其中仿鲨鱼皮表面结构模具3D打印、凝胶的制备、搭建自动加工平台和手动加工平台以及电解加工是本发明的核心内容。
[0013]实施例1:在进行电解加工之前，都需要准备凝胶模具，主要是通过3D打印技术加工具有鲨鱼皮微细表面结构的模具，为制备具有一定形状的凝胶做准备。
[0014]本发明中的凝胶制作装置如图1所示，所述装置由工具阳极5、凝胶模具13和挡板14组成，所述凝胶模具13两端设有挡板14，凝胶模具13的型腔装有工具阳极5，通过紫外光线照射凝胶模具13 ;凝胶模具13内制备得到凝胶4 ;将电解质NaNO3溶液、二甲基乙酰基乙酰胺DMAA、黏土和光引发剂DEAP与水按照70:70:29:1的质量比均匀混合，得到澄清透明的凝胶溶液，将得到的凝胶溶液倒入装有工具阳极5的凝胶模具13的型腔中；并置于紫光光线照射下，约I小时后即可得到加工所需的凝胶4，所述凝胶4包覆于工具阳极5外。
[0015]如图2和图4所示，手动加工装置由电源3、加工工件1、手柄8、距离块12、凝胶4、开关11和工具阳极5组成，电源3 —端连接加工工件1，另一端连接手柄8，手柄8 一端设有开关11，另一端连接工具阳极5，工具阳极5上部设有一块凸出的距离块12 ;将在凝胶模具13中制作的凝胶4和工具阳极5取出安装在手柄8连接处，通过手动控制凝胶电极在金属加工表面的运动。具体是将位于凝胶模具13两侧的挡板14去掉，将制备的具有一定形状的凝胶4和工具电极5取出，将突出的工具阳极5部分直接安装在手柄8连接处，减少了凝胶在移动过程的变形。而加工工件I则固定在工作台上并与电源3负极相连。工作人员手持手柄8，拇指按住开关11，距离块12会控制凝胶4和加工工件I表面的距离，即加工间隙，防止由于工作人员的手抖，使加工线路短路、加工表面形状不一致等缺陷。加工时，检查电路无误后，闭合开关11，手柄8上的开关11可以实时控制工具阳极5与电源3正极的接断，增加了对加工过程的控制，并可以有效的避免加工短路。其中加工工件1、电源3、凝胶4和工具阳极5组成闭合电解加工电路。加工完成后操作人员只需将手柄8上的开关11打开，即可断开工具阳极5与电源3正极的连接，这对保护操作人员的安全和及时的控制加工时间有重要的作用。
[0016]如图3所示，自动加工系统由控制单元10、电源3、机械传动单元9、执行单元7、加工平台2及工具阳极5组成，其中:电源3包括电解电源和机床电源。将加工工件I安装在加工平台2上，通过带有绝缘层的夹具将其固定，并通过导线与电源3上的电解电源负极相连；将制备好的凝胶4安装在工具阳极5上，工具阳极5与机床执行单元7中的带有绝缘层的主轴相连，工具阳极5与电源3上的电解电源正极相连；将现有的生产者根据自身需要编写的程序导入到机床控制单元10，检查线路正常后打开控制器运行程序。在加工过程中机床控制单元10会实时根据机床传动单元9和电解加工所测得的电流反馈信息修正加工路径及时间，从而实现整个加工的自动化和智能化。其中电源3、凝胶4和工具阳极5组成电解加工的闭合回路，从而实现电解加工。
[0017]在完成电解加工之后，需要对加工表面进行清洗。符合要求，则完成凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构。
【权利要求】
1.一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法，其特征在于具体步骤如下: (I).电解加工准备阶段 (1.1)制备模具，在电脑中建立具有鲨鱼皮表面结构的模具，将所述模具信息导入到3D打印机，并将其制作出来； (1.2).配制电解液，配制浓度为10g/L的NaNO3溶液，以备电解加工； (2).电解加工阶段 (2.1).制备凝胶；将步骤(1.2)得到NaNO3溶液、二甲基乙酰基乙酰胺DMAA、粘土和光引发剂DEAP按照质量比例70:70:29:1混合均匀后置于凝胶模具中，并照射紫外光线，进而得到具有一定形状的凝胶； (2.2).电解加工，所述电解加工方法可以采用自动电解加工或手动电解加工； 对于自动电解加工，所述自动电解加工采用的加工系统包括机床控制单元、电源、机床传动单元、机床执行单元、加工平台及工具阳极；将加工工件固定在加工平台上，所述加工工件与电源负极连接；电源正极连接工具阳极，所述工具阳极一端与机床执行单元相连，另一端安装步骤(2.1)得到的凝胶；机床控制单元通过事先设定好的程序及加工过程中反馈的信号控制机床执行单元的X、Y、Z方向的进给运动和电源的通闭；工具阳极通过机床执行单元运动实现与加工平台上的加工工件相对运动，并且Y轴每次移动的距离等于凝胶的长度；机床控制单元根据反馈信号对电解加工电源实时控制； 对于手动电解加工，将步骤(2.1)从凝胶模具中制作的凝胶和工具阳极取出安装在手柄连接处，通过手动控制凝胶电极在加工工件表面的运动；具体是:去掉位于凝胶模具两侧的挡板，将步骤(2.1)得到的凝胶和工具电极取出，将突出的工具阳极部分安装在手柄连接处，加工工件则固定在加工平台上，并与电源负极相连，工作人员手持手柄，拇指按住手柄上的开关，开始加工；距离块会控制凝胶和加工工件表面的距离，即加工间隙，防止由于工作人员的手抖，造成加工线路短路、加工表面形状不一致； (3).电解加工后处理 在完成电解加工之后，需要对加工工件表面进行清洗，以去除电肩和杂质，并检查加工效果。
2.根据权利要求1所述的凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法，其特征在于所述自动电解加工时，工具阳极一端被凝胶包裹，其余部分则通过绝缘材料固定在机床执行单元上。
3.根据权利要求1所述的凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法，其特征在于利用包裹着电解液的凝胶作为导电介质将具有鲨鱼皮微细结构的凝胶模具复制到金属加工表面。
【文档编号】B23H3/00GK104493319SQ201410686399
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】王昆, 牟玉壮, 沈奇 申请人:同济大学