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：

具有微结构的表面称为微结构功能表面，这种功能表面对零部件的使用性能具有很大程度的影响，在许多领域均显示出重要的应用价值。其中表面带有曲折微沟槽结构的零部件在传热特性、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更为优异的特点，应用潜力巨大，如燃料电池双极板、热管、微流控芯片、活塞环的减摩降阻等等。

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，对难加工材料加工困难，刀具磨损严重，且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、无切削力、与材料强度硬度等机械性能无关、无工具损耗、效率高等优点，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。

采用电解铣削的加工方式，配合工具电极或工件的数控运动，可以用微细柱状或螺旋状电极加工出平面弯曲微沟槽结构，但由于微细电解加工通常利用微秒甚至纳秒脉宽电流，速度很慢，因此该方法效率低，不适合批量制作；虽然有人利用群阵列电极加工，成倍提高了加工速度，但微沟槽的加工效率仍然较低，使得该方法不适合群槽结构的批量加工。

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：腔体，连接在所述腔体里的衬底，安装在所述衬底上的工件，设置在所述工件的上表面的掩模板，以及设置在所述掩模板的上表面的阴极块；其中，

所述掩模板的内部设置有加工区弯折主流道，以及与所述加工区弯折主流道的弯折处连接的辅助供液流道。

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，所述加工区弯折主流道为镂空结构，所述辅助供液流道为凹槽结构。

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，一条所述加工区弯折主流道具有两个弯折处；

各所述弯折处具有一条所述辅助供液流道。

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，所述辅助供液流道的延伸方向均相同。

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，所述加工区弯折主流道的宽度比所述辅助供液流道的宽度宽；

所述加工区弯折主流道的高度比所述辅助供液流道的高度高。

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：水泵、水槽和夹具；

所述水泵的一端与所述水槽连接，所述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。

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，并流入掩模板的加工区弯折主流道和连接在所述加工区弯折主流道的弯折处的辅助供液流道；

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，所述掩模板的加工区弯折主流道和辅助供液流道的图形通过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：腔体，连接在腔体里的衬底，安装在衬底上的工件，设置在工件的上表面的掩模板，以及设置在掩模板的上表面的阴极块；其中，掩模板的内部设置有加工区弯折主流道，以及与加工区弯折主流道的弯折处连接的辅助供液流道。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，并在加工区弯折主流道的折弯处进行辅助供液，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，将流场约束在微小的流道里面进行电解加工，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群沟槽，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掩模板的结构示意图；

图3a和图3b分别为本发明实施例提供的掩模板与工件贴合时的剖面示意图；

图4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5为本发明实施例提供的掩模板内部增设辅助供液流道的平面曲折群沟槽电解加工方法电场图；

图6a和图6b分别为现有技术中掩模板内部未增设辅助供液流道时流场速度云图；

图7a和图7b分别为本发明实施例提供的掩模板内部增设辅助供液流道时流场速度云图；

图8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所示，包括：腔体1，连接在腔体1里的衬底2，安装在衬底2上的工件3，设置在工件3的上表面的掩模板4，以及设置在掩模板4的上表面的阴极块5；其中，

如图2所示，掩模板4的内部设置有加工区弯折主流道41，以及与加工区弯折主流道41的弯折处连接的辅助供液流道42。

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，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，通过在掩模板内部增设有辅助供液流道，在流场不均匀处(即加工区弯折主流道的弯折处)进行辅助供液，将流场约束在微小的流道里面进行电解加工，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，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群沟槽，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3a和图3b所示，加工区弯折主流道41可以为镂空结构，辅助供液流道42可以为凹槽结构。也可以理解为，加工区弯折主流道41上下完全贯穿，这样电场可以通过，而辅助供液流道42上下不贯穿，起屏蔽电场和改善流场的作用。需要说明的是，辅助供液流道42开在掩模板的上表面，下表面留一定厚度起屏蔽非加工电场的作用，所留的厚度应该尽量小些，以避免产生的阶梯流场影响电解加工表面质量。

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，掩模板4总共有三条流道，加工区弯折主流道41具有一条，辅助供液流道42具有两条。具体地，一条加工区弯折主流道41具有两个弯折处；各弯折处具有一条辅助供液流道42。

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，两条辅助供液流道42的延伸方向可以是相同的，图2中的两条辅助供液流道42均向左延伸，这样辅助供液流道可以提供新鲜电解液，使整个加工区电解液的电导率等电化学特性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，加工区弯折主流道的宽度比辅助供液流道的宽度宽；加工区弯折主流道的高度比辅助供液流道的高度高。

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，如图4和图5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5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，形成狭小流场域，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阴极块直接盖在掩模板上，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5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。

在供电方面，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：直流电源6；该直流电源6的正极与工件3电性连接；负极与阴极块5的外壁电性连接；该部分由导电材料制备能将电流传递到其下端，这样流场和电场同时接通，随着加工的进行，最终加工出微沟槽。

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：水泵7、水槽8和夹具9；水泵7的一端与水槽8连接，水泵7的另一端与夹具9的入液口连接；夹具9的入液口与掩模板4连接，夹具9的出液口与水槽8连接。夹具的结构设计简洁，实用性强。

利用仿真软件对未增设有辅助供液流道和增设有辅助供液流道的装置进行了测试，结果如下：

如图6a和6b所示，掩模板上不加辅助供液流道时，利用仿真软件进行仿真，流场选用的物理场为湍流稳态场，仿真条件为：入口压力为0.4MPa(左边入液口边界)，出口压力为0Pa(右边出液口边界)，流场宽度1.5mm，流场高度1mm。可以清晰发现加工区弯折主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7a和7b所示，掩模板上增设辅助流道供液时，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)，加工区弯折主流道的流场宽度1.5mm，流场高度1.5mm，辅助供液流道的流场宽度1mm，流场高度1mm。根据仿真结果，认为增设辅助流道供液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，辅助流道供液可以补偿压力损失；2、通常电解液流动过程中在弯折处形成流场的不均匀，辅助供液流道的合理布置能有降低不均匀程度；3、未加辅助流道供液时，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；而增设辅助流道供液后，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8所示，具体包括以下步骤：

S801、在水泵的作用下将电解液从水槽中抽出；

S802、电解液流入夹具的入液口，并流入掩模板的加工区弯折主流道，以及与加工区弯折主流道的弯折处连接的辅助供液流道；

S803、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电解加工方法中，在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，进而流入掩模板加工区弯折主流道和辅助供液流道中，最后从夹具右端的出液口流回水槽，这样辅助供液流道在流场不均匀处(即加工区弯折主流道的弯折处)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电解加工方法中，掩模板的加工区弯折主流道和辅助供液流道的图形尺寸可以按照加工要求确定，具体工艺可以通过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，该掩模板起到屏蔽非加工区电场、约束流场在加工区流动、在流程拐弯处均匀流场的作用。

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：腔体，连接在腔体里的衬底，安装在衬底上的工件，设置在工件的上表面的掩模板，以及设置在掩模板的上表面的阴极块；其中，掩模板的内部设置有加工区弯折主流道，以及与加工区弯折主流道的弯折处连接的辅助供液流道。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，并在加工区弯折主流道的折弯处进行辅助供液，从而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，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群沟槽，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。