一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法与流程

本发明涉及电解/电化学加工技术领域，特别是涉及一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法。

背景技术：

具有曲折微沟槽结构的表面在燃料电池双极板、热管、微流控芯片、活塞环的减摩降阻等场合具有广泛的应用，这种结构使零部件在传热特性、流体动力学特性、能量转换特性、化学反应特性、仿生特性、摩擦特性等方面表现出与光滑表面截然不同的特点，具有重要的发展前景和应用价值。

对于平面曲折微沟槽，目前的加工方法主要有：冲压成形、机械加工、激光加工、电火花加工、电解加工等。冲压成形是一种低成本快速加工微小平面沟槽的有效方法，但冲压成形与液压成形方法容易使板料等零件变形、产生裂纹等缺陷，需要采取先成形再整形的方法解决板料局部变形问题，且对于较厚零件上的沟槽加工，由于需要的冲压力过大而无法实现；采用机械加工方法，加工后的沟槽表层存在残余应力，沟槽容易变形，沟槽一般有边角毛刺等缺陷；激光加工由于热效应的影响，在沟槽表面存在重熔层和翻边，在对表面质量要求严格的使用场合必须进行磨料气射流或化学研磨等二次加工，且加工复杂曲折微沟槽时，对激光焦点的控制要求较高；而电火花加工微沟槽时则存在加工效率较低、工具电极易损耗而需时常更换等问题。

电解加工技术具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力等优点，可以保证加工后工件无应力变形，并且电解加工时工件材料是以离子形式去除，理论上来说加工精度可以达到微米级以下，所以电解加工技术为金属表面平面曲折微沟槽结构的高质量低成本加工提供了有效途径。但电解加工时的电场、流场等需要认真考虑和恰当设计，否则加工的精度和效率等难以得到有效保证。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法，可以在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面质量较高的平面曲折群沟槽，并且掩模板可多次重复使用，降低了成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置，包括：第一腔体，嵌在所述第一腔体里的衬底，安装在所述衬底上的工件，设置在所述工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及设置在所述掩模板上表面的第二腔体；其中，

所述第二腔体的底面作为阴极块；

所述阴极块的本体贯穿有辅助供液孔。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述辅助供液孔在所述衬底上的正投影位于所述蛇形流道在所述衬底上的正投影所在区域内。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述辅助供液孔的位置与所述蛇形流道的拐弯处的位置相互对应。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述辅助供液孔的孔径比所述蛇形流道的流场宽度小。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述工件的上表面与所述掩模板的下表面紧密贴合；

所述阴极块的下表面与所述掩模板的上表面紧密贴合。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，还包括：直流电源；

所述直流电源的正极与所述工件电性连接；负极与所述阴极块的外壁电性连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，还包括：第一水泵，第二水泵，水槽和夹具；

所述第一水泵的一端与所述水槽连接，所述第一水泵的另一端与所述夹具的入液口连接；所述夹具的入液口与所述掩模板连接，所述夹具的出液口与所述水槽连接；

所述第二水泵的一端与所述水槽连接，所述第二水泵的另一端与第二腔体的入液口连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，所述第二腔体的材料为导电材料。

本发明实施例还提供了一种平面曲折群沟槽的电解加工方法，包括：

在第一水泵和/或第二水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；

所述电解液流入夹具的入液口和/或第二腔体的入液口后，流入掩模板上的蛇形流道；

所述电解液从所述夹具的出液口流回所述水槽。

优选地，在本发明实施例提供的上述电解加工方法中，所述掩模板的蛇形流道图形通过3D打印工艺或微铣削工艺形成。

本发明所提供的一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法，包括：第一腔体，嵌在第一腔体里的衬底，安装在衬底上的工件，设置在工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及设置在掩模板上表面的第二腔体；其中，第二腔体的底面作为阴极块；阴极块的本体贯穿有辅助供液孔。由于本发明的掩模板采用表面层层压紧的方式固定，形成微小的走液流道进行电解加工，同时在阴极块的本体增设有辅助供液孔，用于改善蛇形流道的拐弯处流场不均匀的问题，并且该辅助供液孔提供新鲜电解液，使整个加工区电解液的电导率保持在相对稳定的水平，从而在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面质量较高的平面曲折微沟槽，并且掩模板可多次重复使用，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于电解加工平面曲折群沟槽的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有辅助供液孔的阴极块底面孔布置示意图；

图3为本发明实施例提供的平面曲折群沟槽加工区的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的阴极块内部增设有辅助供液孔的平面曲折群沟槽电解加工方法电场图；

图5a和图5b分别为现有技术中阴极块内部未增设辅助供液孔时流场速度云图；

图6a和图6b分别为本发明实施例提供的阴极块内部增设辅助供液孔时流场速度云图；

图7为本发明实施例提供的平面曲折群沟槽的电解加工方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

其中，附图中各结构的大小和形状不反映用于电解加工平面曲折群沟槽的装置的真实比例，目的只是示意说明本发明内容。

本发明提供一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置，如图1至图3所示，包括：第一腔体1，嵌在第一腔体1里的衬底2，安装在衬底2上的工件3，设置在工件3上表面的具有蛇形流道的掩模板4，以及设置在掩模板4上表面的第二腔体5；其中，

第二腔体5的底面作为阴极块6；

阴极块6的本体贯穿有辅助供液孔7。

需要说明的是，第一腔体为主供液腔，第二腔体为辅助供液腔，两个腔体供液相互独立，压力均可调。第二腔体位于掩模板上表面上，依靠掩模板的蛇形流道和辅助供液孔，与第一腔体相连。

在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，第二腔体的底面作为阴极块；阴极块的本体贯穿有辅助供液孔。由于本发明的掩模板采用表面层层压紧的方式固定，形成微小的走液流道进行电解加工，同时在阴极块的本体增设有辅助供液孔，用于改善蛇形流道的拐弯处流场不均匀的问题，并在同时补充新鲜电解液，以使整个加工区电解液的电导率等电化学特性保持在相对稳定的水平，从而在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面质量较高的平面曲折微沟槽，并且掩模板可多次重复使用，降低了成本。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，如图2所示，辅助供液孔7在衬底上的正投影位于蛇形流道在衬底上的正投影所在区域内，这样可以针对蛇形流道的相对应位置处进行辅助供液。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，如图2所示，辅助供液孔7的位置与蛇形流道的拐弯处的位置相互对应，也可以理解为辅助供液孔均匀布置在蛇形流道的拐弯处相应的位置上，这样辅助供液孔位置在流场不均匀处，当第二腔体通液时，对加工区进行辅助供液，可以改善沟槽各段流场均匀性，同时也为后半段流程提供新鲜电解液，使整个加工区电解液电导率保持在一个相对稳定的水平，保证前后段加工尺寸的均匀性。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，辅助供液孔的孔径比蛇形流道的流场宽度小。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，如图1和图3所示，工件3的上表面与掩模板4的下表面紧密贴合；阴极块6的下表面与掩模板4的上表面紧密贴合，这样掩模板与工件、阴极块紧贴，加工间隙为掩模板厚度，使电解液只从蛇形流道流过，将连通左右两侧的流场约束在掩模板狭小的蛇形流道中，形成狭小蛇形流场域，将电场和流场同时约束在狭小流场域，电解液高速流过，带走不溶性电解产物、气泡和加工中产生的热量，使加工定域性更好、电解液流速提升、排屑能力更好。需要说明的是，这里的紧密贴合的方式可以具体为将第二腔体直接盖在掩模板上，在阴极块上施加压力，使掩模板靠机械力贴合，改变以往靠胶贴或者直接在工件/阴极块上光刻制备掩膜的方法，并且掩模板可以根据加工不用沟槽尺寸要求而做更换。如图4所示，电场得到约束，即电场线集中垂直于工件3表面，最大限定地可以防止电场发散导致侧向腐蚀，提高复制精度，使电解加工精度大大提高。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，在供电方面，如图1所示，还可以包括：直流电源8；直流电源8的正极与工件3电性连接；负极与阴极块6的外壁电性连接。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，如图1所示，还可以包括：第一水泵9，第二水泵10，水槽11和夹具12；第一水泵9的一端与水槽11连接，第一水泵9的另一端与夹具12的入液口连接；夹具12的入液口与掩模板4连接，夹具12的出液口与水槽11连接；第二水泵10的一端与水槽11连接，第二水泵10的另一端与第二腔体5的入液口连接。

需要说明的是，两个水泵为不同腔体供液，即第一腔体和第二腔体用不同的泵充液，可以根据实际加工情况调节第二腔体的压力，以获得更好的表面加工质量。具体地，在电解液循环方面，在第一腔体1中，在第一水泵9的作用下将电解液从水槽11中抽出，流入夹具12左端的入液口，进而流入掩模板4的蛇形流道，最后从夹具12右端的出液口流回水槽11；在第二腔体5中，在第二水泵10的作用下将电解液从水槽11中抽出，流入夹具中间的入液口，进而通过第二腔体5下端的微小辅助供液孔流入掩模板4的蛇形流道，最后从夹具12右端的出液口流回水槽11。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于电解加工平面曲折群沟槽的装置中，第二腔体的材料为导电材料，这样第二腔体可以将电流传递到其下端，流场和电场同时接通，随着加工的进行，最终加工出曲折微沟槽。

本发明还利用仿真软件对未增设有辅助供液孔和增设有辅助供液孔的装置进行了测试，结果如下：

如图5a和5b所示，在电极块上不加辅助供液孔时，利用仿真软件进行流场仿真，选用的物理场为湍流稳态场，仿真条件为：入口压力0.4MPa(左边入液口边界)，出口压力为0Pa(右边出液口边界)，加工区流场宽度1.5mm，流场高度1mm。可以清晰发现流道中流场在拐弯处流速不均匀，呈现内侧流速高，外侧流速底的情形，主要是因为液体是沿流程最小的方向运动。这种流场的不均匀在电解加工中会使内外两侧加工量不同，体现为内侧电解产物排出顺利，电解量大，外侧容易形成电解产物堆积，电解量小，影响槽底面加工精度。

如图6a和6b所示，在电极块上增设辅助供液孔时，利用仿真软件进行流场仿真，选用的物理场为湍流稳态场，仿真条件为：入口1压力0.4MPa(左边入液口边界)，入口2压力0.2MPa(中间辅助入液口边界)，出口压力为0Pa(右边出液口边界)，流场宽度1.5mm，流场高度1mm，辅助供液孔孔径为1mm。根据仿真结果(改进前的流场在拐角处内外侧一直处于不均匀状态，改进后的流场在第一个拐角和第二个拐角后半段能有效均匀流场)，认为增设辅助供液孔后流场的改善体现为：1、通常电解液在流道内流动过程中会造成沿程压力损失，辅助供液孔供液可以补偿压力损失；2、通常电解液流动过程中在拐弯处形成流场的不均匀，辅助供液孔的合理布置能降低不均匀程度；3、未加辅助供液孔供液时，入口处为新鲜电解液使加工表面质量较好，但在出口处电解产物聚集使加工表面较差；而增设辅助供液孔后，新鲜电解液补充在加工区后段使流速提升，有利于电解液更新和电解产物的排除，进而得到较好的加工表面。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种平面曲折群沟槽的电解加工方法，如图7所示，具体包括以下步骤：

S701、在第一水泵和/或第二水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；

S702、电解液流入夹具的入液口和/或第二腔体的入液口后，流入掩模板上的蛇形流道；

S703、电解液从夹具的出液口流回水槽。

在本发明实施例提供的上述平面曲折群沟槽的电解加工方法中，具体地，在电解液循环方面，在第一腔体中，在第一水泵的作用下将电解液从水槽中抽出，流入夹具左端的入液口，进而流入蛇形流道加工区，最后从夹具右端的出液口流回水槽；在第二腔体中，在第二水泵的作用下将电解液从水槽中抽出，流入第二腔体的入液口，进而通过第二腔体下端的微小辅助供液孔流入蛇形流道，最后从夹具右端的出液口流回水槽。这样辅助供液孔在流场不均匀处(即蛇形流道的拐角处)进行辅助供液，可以使曲折微沟道在电解加工时的各段电解液流场基本均匀，改善沟槽各段流场均匀性，另外电解液流速大大提升，有利于排出电解产物，使加工顺利进行，在流程中段可以提供新鲜电解液，以维持电导率稳定，使加工精度提升。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述平面曲折群沟槽的电解加工方法中，掩模板的加工区主流道和辅助供液流道的图形可以通过3D打印工艺或微铣削工艺形成，这样具有工艺周期短、可反复使用、可制备复杂流道、设计灵活性大等特点。

本发明实施例提供的一种用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法，包括：第一腔体，嵌在第一腔体里的衬底，安装在衬底上的工件，设置在工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及设置在掩模板上表面的第二腔体；其中，第二腔体的底面作为阴极块；阴极块的本体贯穿有辅助供液孔。由于本发明的掩模板采用表面层层压紧的方式固定，形成微小的走液流道进行电解加工，同时在阴极块的本体增设有辅助供液孔，用于改善蛇形流道的拐弯处流场不均匀的问题，并且该辅助供液孔提供新鲜电解液，使整个加工区电解液的电导率保持在相对稳定的水平，从而在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面质量较高的平面曲折微沟槽，并且掩模板可多次重复使用，降低了成本。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

以上对本发明所提供的用于电解加工平面曲折群沟槽的装置及电解加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。